高性能混凝土材料的性能分析.pdf

2023.09Doors&Windows1 1前言前言现代土木建筑工程对建材质量提出较高的要现代土木建筑工程对建材质量提出较高的要求求，强度强度、机械性能机械性能、耐久性耐久性、节能环保特性等均要得节能环保特性等均要得到保障到保障，在此趋势下在此趋势下，部分传统建筑材料因综合性能部分传统建筑材料因综合性能欠佳而被淘汰欠佳而被淘汰，取而代之的是高性能混凝土及其他取而代之的是高性能混凝土及其他优质材料优质材料。为在土木建筑中充分发挥出高性能混凝为在土木建筑中充分发挥出高性能混凝土的应用优势土的应用优势，需要探明材料的性能需要探明材料的性能，明确对性能产明确对性能产生影响的关键因素生影响的关键因素，进行优化与控制进行优化与控制。因此因此，探明高探明高性能混凝土材料性能具有必要性性能混凝土材料性能具有必要性。2 2土木建筑中高性能混凝土的基本性能土木建筑中高性能混凝土的基本性能2 2.1 1力学性能力学性能高性能混凝土的抗压强度高性能混凝土的抗压强度、弹性模量等力学性弹性模量等力学性能均优于普通混凝土能均优于普通混凝土，因性能优势突出而在土木建因性能优势突出而在土木建筑中得到了广泛应用筑中得到了广泛应用。在土木建筑中在土木建筑中，对材料力学对材料力学性能的评价涉及密度性能的评价涉及密度、抗拉强度标准值抗拉强度标准值、弹性模量弹性模量等等，高性能混凝土与其他土木建筑常见材料类型及高性能混凝土与其他土木建筑常见材料类型及具体评价指标具体评价指标，如表如表1 1所示所示。根据表根据表1 1可知可知：经过对多项材料力学性能指标的经过对多项材料力学性能指标的高性能混凝土材料的性能分析高性能混凝土材料的性能分析李子川李子川山西首钢国际工程技术有限公司山西首钢国际工程技术有限公司摘摘要要：在土木工程建设中在土木工程建设中，建筑材料是其中最为重要的组成部分之一建筑材料是其中最为重要的组成部分之一，材料的使用对工程建设中的制造成本和工程质量材料的使用对工程建设中的制造成本和工程质量，都有着决定性的作用都有着决定性的作用。本文首先介绍了土建材料中高性能混凝土的力学本文首先介绍了土建材料中高性能混凝土的力学、耐久耐久、防火等基本性能防火等基本性能，然后重点分析了各原材料对高然后重点分析了各原材料对高性能混凝土的不同影响性能混凝土的不同影响，最后采用四种养护方式对高性能混凝土力学最后采用四种养护方式对高性能混凝土力学、收缩收缩、孔隙结构的影响展开分析孔隙结构的影响展开分析，使混凝土致密性能够更使混凝土致密性能够更高高，从而保证工程建造质量从而保证工程建造质量。关键词关键词：工程施工工程施工；建筑材料建筑材料；混凝土配比混凝土配比；养护方法养护方法表表1 1土木建筑常用材料的力学性能土木建筑常用材料的力学性能项目密度/(t/m3)抗压强度标准值/MPa比强度/(Nm/kg)抗弯强度标准值/MPa抗拉强度标准值/MPa弹性模量/GPa断裂能/(kJ/m2)线膨胀系数(10-6)/365d徐变系数365d收缩应变(10-6)C602.46016-2.86360.14101.22.58001200RPC2002.57417023066893060-50602040.1015-Ductal-FM2.5150180738631850-12.10.290.77500900BSI2.717562.4-864-Q3457.843453931031020510012-对比分析发现对比分析发现，高性能混凝土的综合力学性能更加高性能混凝土的综合力学性能更加优越优越，同时特有的韧性可充分提高混凝土结构的抗同时特有的韧性可充分提高混凝土结构的抗震性能震性能，确保建设成型的结构能够有效抵御震动作确保建设成型的结构能够有效抵御震动作用用；水密性能良好水密性能良好，有效降低渗漏发生率有效降低渗漏发生率，避免因水避免因水的侵蚀而出现结构残缺的侵蚀而出现结构残缺、性能退化等问题性能退化等问题。2 2.2 2耐久性能耐久性能总孔隙率总孔隙率、冻融剥落冻融剥落、磨耗系数等均是高性能混磨耗系数等均是高性能混凝土耐久性评价中的重点指标凝土耐久性评价中的重点指标，其与其与C C6060混凝土的耐混凝土的耐久性指标对比分析如表久性指标对比分析如表2 2所示所示。表表2 2高性能混凝土与高性能混凝土与C C6060的耐久性指标的耐久性指标类型总孔隙率1%冻融剥落/(g/cm2)吸水系数磨耗系数氯离子扩散深度/mm碳化深度/mmC609900112.883高性能混凝土46711.310.5DOI：10.12258/j.issn.1673-8780.2023.17.072分析研究与探讨分析研究与探讨2142023.09Doors&Windows根据表根据表2 2可知可知：高性能混凝土的微观结构良好高性能混凝土的微观结构良好，内部密实稳定内部密实稳定；水灰比较低水灰比较低，颗粒级配得到有效的优颗粒级配得到有效的优化化，混凝土配制时剔除粗集料混凝土配制时剔除粗集料，使高性能混凝土有较使高性能混凝土有较高的密实度高的密实度，此时的混合料将更加有效地抵御外部此时的混合料将更加有效地抵御外部因素的影响因素的影响，建设成型的混凝土结构具有稳定性建设成型的混凝土结构具有稳定性，耐耐久性突出久性突出，经长期使用后仍可维持正常状态经长期使用后仍可维持正常状态。3 3关键参数对高性能混凝土性能的影响关键参数对高性能混凝土性能的影响3 3.1 1钢纤维掺量钢纤维掺量钢纤维的掺入对提高混凝土材料的黏结性能有钢纤维的掺入对提高混凝土材料的黏结性能有益益，考虑到外力作用易导致高性能混凝土受损考虑到外力作用易导致高性能混凝土受损、结构结构变形等情况变形等情况，向混合料中掺入钢纤维向混合料中掺入钢纤维，此类材料具有此类材料具有增强黏结性能的作用增强黏结性能的作用，使高性能混凝土形成整体结使高性能混凝土形成整体结构构，抑制裂缝的发展抑制裂缝的发展。实验中实验中，按多种掺量拌制高性按多种掺量拌制高性能混凝土能混凝土，均以蒸洗养护均以蒸洗养护3 3d d的方法对各组混合料进的方法对各组混合料进行养护行养护。钢纤维掺量及各自对应高性能混凝土的性钢纤维掺量及各自对应高性能混凝土的性能测定结果能测定结果，如表如表3 3所示所示。表表3 3不同钢纤维掺量对高性能混凝土的影响不同钢纤维掺量对高性能混凝土的影响编号ZX1ZX2ZX3ZX4ZX5ZX6ZX7钢纤维掺量%0.00.51.01.52.02.53.0扩展度/mm727.4710.0698.4675.4619.4497.4372.13d蒸养抗压强度/MPa120.62154.41167.01179.01185.01191.01209.783d蒸养抗折强度/MPa19.5221.8225.6227.5429.8733.2640.07根据表根据表3 3可知可知：高性能混凝土的性能随着钢纤维高性能混凝土的性能随着钢纤维掺量的变化而发生改变掺量的变化而发生改变，随着钢纤维掺量的增加随着钢纤维掺量的增加，材材料的黏结作用增强料的黏结作用增强，混合料的整体性和稳定性均有混合料的整体性和稳定性均有所提升所提升。3 3.2 2水胶比水胶比高性能混凝土的性能随着水胶比的增加而提高性能混凝土的性能随着水胶比的增加而提升升，以扩展度为例以扩展度为例，水胶比为水胶比为0 0.1414时达到时达到487487.5 5mmmm，水水胶比增至胶比增至0 0.1919时升至时升至760760.5 5mmmm，增幅增幅5656%，混合料中混合料中颗粒间的水分子量随着水胶比的增加而增加颗粒间的水分子量随着水胶比的增加而增加，流动流动性增强性增强。高性能混凝土的高性能混凝土的7 7d d抗折和抗压强度均随着水胶抗折和抗压强度均随着水胶比的增加而降低比的增加而降低，以水胶比由以水胶比由0 0.1414增至增至0 0.1919为例为例，7 7d d抗折强度由抗折强度由2626.6565MPaMPa降至降至1717.1414MPaMPa，7 7d d抗压强度由抗压强度由128128.4343MPaMPa 降至降至 113113.6666MPaMPa，降幅分别达到降幅分别达到 3535.6868%、1111.5 5%。究其原因究其原因，水化反应集中在早期水化反应集中在早期，若以较高若以较高的水胶比拌制高性能混凝土的水胶比拌制高性能混凝土，活性粉末水化后孔隙活性粉末水化后孔隙中将存在大量余留的水分中将存在大量余留的水分，而随着时间的延长而随着时间的延长，孔隙孔隙中的水开始蒸发中的水开始蒸发，产生大量空隙产生大量空隙，混合料的密实性降混合料的密实性降低低，强度下降强度下降。若高性能混凝土采用较低的水胶比若高性能混凝土采用较低的水胶比，可有效降低基体孔隙率可有效降低基体孔隙率，密实性提高密实性提高，有较高的有较高的强度强度。3 3.3 3砂胶比砂胶比水胶比取水胶比取0 0.1818，在此基础上以不同砂胶比拌制高在此基础上以不同砂胶比拌制高性能混凝土性能混凝土，实验中当扩展度由砂胶比为实验中当扩展度由砂胶比为1 1.0 0时的时的750750降低至砂胶比为降低至砂胶比为1 1.6 6时的时的230230，存在明显降幅的原存在明显降幅的原因在于随着砂胶比的增加因在于随着砂胶比的增加，单位体积内水的掺入量单位体积内水的掺入量减少减少，且拌制采用的石英砂颗粒呈不规则棱角形状且拌制采用的石英砂颗粒呈不规则棱角形状，其对混凝土的流动产生阻碍作用其对混凝土的流动产生阻碍作用，因此表现出扩展因此表现出扩展度降低的变化趋势度降低的变化趋势。高性能混凝土在砂胶比增加至高性能混凝土在砂胶比增加至1 1.6 6时几乎无流动性时几乎无流动性，无法正常浇筑以及成型无法正常浇筑以及成型。7 7d d的的抗压抗压、抗折强度具有阶段性的变化抗折强度具有阶段性的变化，即随着砂胶比的即随着砂胶比的增加而呈现出先升后降的趋势增加而呈现出先升后降的趋势。对比分析不同砂胶对比分析不同砂胶比的强度特性可知比的强度特性可知，按按1 1.2 2的砂胶比拌制时抗压的砂胶比拌制时抗压、抗抗折强度均良好折强度均良好。为确定合适的基准配合比为确定合适的基准配合比，取取1 1.1 1、1 1.2 2的砂胶比的砂胶比，分别按不同的水胶比进行高性能混凝分别按不同的水胶比进行高性能混凝土的拌和土的拌和，检测各组混合料的性能检测各组混合料的性能，具体结果如表具体结果如表4 4所示所示。表表4 4不同砂胶比对高性能混凝土性能的影响不同砂胶比对高性能混凝土性能的影响砂胶比1.11.2水胶比0.150.160.170.180.160.170.170.18扩展度582.4635727.4810368.4465.4520608抗压强度127.11125.24121.33117.58110.43114.56128.56119.26抗折强度25.7223.9521.6519.3319.5221.5524.6822.72根据表根据表5 5可知可知：高性能混凝土的扩展度高性能混凝土的扩展度、抗压强抗压强度和抗折强度因砂胶比度和抗折强度因砂胶比、水胶比的不同而存在变化水胶比的不同而存在变化，为使高性能混凝土在扩展度良好的同时具有较高的为使高性能混凝土在扩展度良好的同时具有较高的强度强度，对多组试验数据进行对比分析对多组试验数据进行对比分析，确定基准配合确定基准配合比为比为：砂胶比砂胶比1 1.1 1、水胶比水胶比0 0.1717。4 4不同养护方式对高性能混凝土性能的影响不同养护方式对高性能混凝土性能的影响4 4.1 1对力学性能的影响对力学性能的影响养护方式为养护方式为 BZBZ标准养护标准养护、GZGZ干燥养干燥养护护、ZQZQ蒸汽养护蒸汽养护、RSRS热水养护热水养护，测定不同养测定不同养护方式时高性能混凝土的抗压护方式时高性能混凝土的抗压、抗折强度抗折强度。随着养随着养护龄期的延长护龄期的延长，不同养护方式时的强度均有增加的不同养护方式时的强度均有增加的变化趋势变化趋势，但对强度增长的促进作用存在差异但对强度增长的促进作用存在差异，由优由优秀至较差依次为蒸汽养护热水养护标准养护秀至较差依次为蒸汽养护热水养护标准养护干燥常温养护干燥常温养护。以标准养护为参照基准以标准养护为参照基准，按按3 3d d的养的养护龄期考虑护龄期考虑，干燥常温干燥常温、热水热水、蒸汽三种养护方式的蒸汽三种养护方式的抗压强度分别提高抗压强度分别提高-1515.0909%、7272.9393%、9999.7777%，对于抗对于抗折强度折强度，除干燥常温养护有所降低外除干燥常温养护有所降低外，其他两种养护其他两种养护方式的实测抗折强度均提高方式的实测抗折强度均提高，且以蒸汽养护最为且以蒸汽养护最为突出突出。对比分析不同养护方式时的对比分析不同养护方式时的3 3d d龄期抗压龄期抗压、抗折抗折强度可知强度可知，具有蒸汽养护和热水养护快于干燥养护具有蒸汽养护和热水养护快于干燥养护分析研究与探讨分析研究与探讨2152023.09Doors&Windows和标准养护的特点和标准养护的特点，原因是活性粉末材料水化反应原因是活性粉末材料水化反应在高温环境中更为迅速在高温环境中更为迅速，混合料内部的微观结构随混合料内部的微观结构随着此类反应的发生而出现变化着此类反应的发生而出现变化，基体孔隙被胶凝材基体孔隙被胶凝材料填充料填充，骨料间的黏结性能增强骨料间的黏结性能增强。随着养护龄期的随着养护龄期的延长延长，抗压抗压、抗折强度的增加放缓抗折强度的增加放缓，例如例如8 8dd2828d d开始开始放缓放缓，2828dd150150d d增长进一步放慢增长进一步放慢，此规律的出现与实此规律的出现与实验所用材料有关验所用材料有关，即选用的是具有早强特性的普通即选用的是具有早强特性的普通硅酸盐硅酸盐5252.5 5水泥水泥，水化反应集中在早期水化反应集中在早期。但在但在2828dd150150d d的龄期时的龄期时，标准养护的强度增长速率高于其他标准养护的强度增长速率高于其他三种养护方式三种养护方式，即养护后期的强度增长较快即养护后期的强度增长较快，原因为原因为标准养护前期的温度较低标准养护前期的温度较低，水泥水化反应在此温度水泥水化反应在此温度环境中相对有限环境中相对有限，随着养护龄期的延长随着养护龄期的延长，开始呈现出开始呈现出强度快速升高的趋势强度快速升高的趋势。而之所以干燥常温养护的混而之所以干燥常温养护的混合料未表现出明显的后期强度增加变化合料未表现出明显的后期强度增加变化，则与基体则与基体中的水分在前期水化反应中被大量消耗有关中的水分在前期水化反应中被大量消耗有关，后期后期参与水化的水分不足参与水化的水分不足，致使混合料的后期强度虽有致使混合料的后期强度虽有增长但幅度有限增长但幅度有限。4 4.2 2对收缩性能的影响对收缩性能的影响4 4.2 2.1 1实验方法实验方法测试仪器为卧式收缩仪测试仪器为卧式收缩仪，制备制备100100mmmm100100mmmm515515mmmm的棱柱体试件进行检测的棱柱体试件进行检测。试件成型试件成型1 1d d后脱后脱模模，反复测量反复测量3 3次长度次长度，取均值作为试件的最终测量取均值作为试件的最终测量长度长度（为保证长度测量数据的准确性为保证长度测量数据的准确性，测量前将试件测量前将试件表面擦拭干净表面擦拭干净）；）；随后转至相对湿度随后转至相对湿度6060%5 5%、温度温度20202 2的养护室内的养护室内，每日读取千分表示数每日读取千分表示数。收缩性收缩性能实验采用的养护方式如下能实验采用的养护方式如下：标准养护标准养护：1 1d d龄期后拆模龄期后拆模，标准养护标准养护，测收缩值测收缩值。干燥养护干燥养护：1 1d d龄期后拆模龄期后拆模，干燥养护干燥养护，测收缩值测收缩值。蒸汽养护蒸汽养护：1 1d d龄期后拆模龄期后拆模，3 3d d蒸汽养护蒸汽养护，测收缩测收缩值值；随后随后，转至干燥养护室转至干燥养护室，继续养护继续养护，测定收缩值测定收缩值。蒸汽养护过程中涉及试件的转移操作蒸汽养护过程中涉及试件的转移操作，必须谨慎进必须谨慎进行行，避免碰触避免碰触，否则试件易受损否则试件易受损。热水养护热水养护：1 1d d龄期后拆模龄期后拆模，3 3d d热水养护热水养护，测收缩测收缩值值；随后随后，转至干燥养护室转至干燥养护室，继续养护继续养护。4 4.2 2.2 2实验结果及分析实验结果及分析高性能混凝土收缩速率的变化因养护方式的不高性能混凝土收缩速率的变化因养护方式的不同而存在差异同而存在差异，其中标准养护和干燥养护的收缩速其中标准养护和干燥养护的收缩速率缓慢下降率缓慢下降，收缩现象主要集中在前收缩现象主要集中在前2828d d，随养护龄随养护龄期的延长期的延长，收缩速率的变化幅度较小收缩速率的变化幅度较小，但总收缩率仍但总收缩率仍达到达到122122 1010-6 6，较为可观较为可观。究其原因究其原因，前期养护时水前期养护时水泥水化反应迅速泥水化反应迅速，基体中的水分因水化作用而被大基体中的水分因水化作用而被大量消耗量消耗，产生胶凝材料产生胶凝材料，引起混合料的收缩引起混合料的收缩，且随着且随着水分含量的降低水分含量的降低，基体产生真空负压环境基体产生真空负压环境，伴随一定伴随一定程度的自收缩现象程度的自收缩现象；进入养护后期时进入养护后期时，水化反应逐步水化反应逐步减弱减弱，收缩虽持续进行但程度明显减弱收缩虽持续进行但程度明显减弱。通过与标通过与标准养护方式下的收缩率对比分析可知准养护方式下的收缩率对比分析可知，实验全过程实验全过程中中，干燥养护的收缩率始终略高于该值干燥养护的收缩率始终略高于该值，此现象的出此现象的出现与养护环境的差异化有关现与养护环境的差异化有关，即标准养护发生于即标准养护发生于9595%湿度环境中湿度环境中，干燥养护时试件被置于室外干燥养护时试件被置于室外，因此干燥因此干燥养护对应试件有较为剧烈的干燥收缩变化养护对应试件有较为剧烈的干燥收缩变化。在养护前在养护前3 3d d，蒸汽养护和热水养护的收缩率分蒸汽养护和热水养护的收缩率分别达到别达到648648 1010-6 6、599599 1010-6 6，有明显的收缩现象有明显的收缩现象，3 3d d龄龄期产生的收缩率占养护全过程的期产生的收缩率占养护全过程的8888.5252%、8484.9696%，而而结合两种养护方式的养护环境分析可知结合两种养护方式的养护环境分析可知，早期水化早期水化反应由于高温而快速进行反应由于高温而快速进行，水化反应较为剧烈水化反应较为剧烈，伴随伴随活性粉末二次水化现象活性粉末二次水化现象，因此该阶段的自收缩和化因此该阶段的自收缩和化学收缩均较为剧烈学收缩均较为剧烈。养护龄期为养护龄期为3 3dd180180d d时时，蒸汽养蒸汽养护护、热水养护的收缩率分别达到热水养护的收缩率分别达到8484 1010-6 6、106106 1010-6 6，相相比前比前3 3d d的收缩率而言的收缩率而言，此阶段收缩率占总量的比例此阶段收缩率占总量的比例较小较小，收缩类型以干燥收缩为主收缩类型以干燥收缩为主，因此在整个试件养因此在整个试件养护过程中护过程中，高温养护期间是收缩的主要发生阶段高温养护期间是收缩的主要发生阶段，即即收缩集中在前期收缩集中在前期，养护后期的收缩得到控制养护后期的收缩得到控制。同为同为180180d d养护养护，相较于相较于9090热水养护方式而言热水养护方式而言，蒸汽养护的总收缩率比其大蒸汽养护的总收缩率比其大2727 1010-6 6，存在此规律的存在此规律的关键原因在于养护温度的差异化关键原因在于养护温度的差异化，蒸汽养护的温度蒸汽养护的温度更高更高，高性能混凝土中水泥在相对较高温度的环境高性能混凝土中水泥在相对较高温度的环境中产生水化反应中产生水化反应，收缩更为明显收缩更为明显，经过整个养护周期经过整个养护周期后产生的总收缩率更大后产生的总收缩率更大。5 5结束语结束语经本文分析后经本文分析后，认为蒸汽养护是最适应于高性认为蒸汽养护是最适应于高性能混凝土的养护方式能混凝土的养护方式，其优势在于有效控制养护前其优势在于有效控制养护前期的收缩量期的收缩量，保证高性能混凝土经过养护后可有效保证高性能混凝土经过养护后可有效成型成型，结构完整且强度达标结构完整且强度达标，满足土木建筑对混凝土满足土木建筑对混凝土提出的质量要求提出的质量要求。因此因此，高性能混凝土在土木建筑高性能混凝土在土木建筑中具有较高的应用价值中具有较高的应用价值，施工单位在应用此类材料施工单位在应用此类材料时需做好配合比设计时需做好配合比设计、养护方式优化等相关工作养护方式优化等相关工作，针针对各类对性能产生影响的因素采取控制措施对各类对性能产生影响的因素采取控制措施，保证保证高性能混凝土的各项性能高性能混凝土的各项性能，有效开展建设工作有效开展建设工作。参考文献参考文献：1 1 范邹升威范邹升威.土木建筑材料中的高性能混凝土材料土木建筑材料中的高性能混凝土材料性能分析性能分析 J J.粘接粘接,20222022(2 2):):125125 128128.2 2 付春梅付春梅.土木建筑材料中的高性能混凝土材料和土木建筑材料中的高性能混凝土材料和绿色材料的研究绿色材料的研究 J J.居舍居舍,20212021(1616):):3131 3232.3 3 张慧张慧,张超张超.土木建筑材料中的高性能混凝土材料土木建筑材料中的高性能混凝土材料和绿色材料和绿色材料 J J.粘接粘接,20212021(1 1):):111111 114114+145145.作者简介作者简介：李子川李子川（19831983-），），男男，汉族汉族，内蒙古克什克腾旗内蒙古克什克腾旗人人，在职研究生在职研究生，高级工程师高级工程师，主要从事钢结构厂房主要从事钢结构厂房设计等工作设计等工作。分析研究与探讨分析研究与探讨216