钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能影响分析.pdf

2 0 1 6年 第 3期 I 总 第 3 1 7 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o 3 1 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅 助物料 M ATERI AL AND ADMI NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 3 0 1 9 钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能影响分析 马恺泽 ， 阙昂 ， 刘超 ( I 长安大学 建筑工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 重庆鲁能开发集团有限公司， 重庆 4 0 0 0 2 3 ； 3 陕西同济土木建筑设计有限公司， 陕西 西安 7 1 0 0 8 8 ) 摘要 ： 在不同钢纤维体积掺量下， 研究活性粉末混凝土( R P C ) 抗压 、 抗折强度以及延性变化规律， 分析钢纤维对 R P C抗压强 度尺寸效应的影响 ， 并探讨了R P C抗压强度在3种养护方式下的相互关系。 试验结果表明： 钢纤维体积掺量在 1 5 一 2 5 变化 时 ， 抗压强度提升明显 ； 在 O 5 - 1 5 和 2 5 - 3 5 变化时， 抗折强度提升明显 ； 钢纤维体积掺量超过 2 5 后 ， 对 R P C延性影响 不显著。 钢纤维体积掺量越大， R P C抗压强度尺寸效应越不明显。 标准养护 7 、 2 8 d 的 R P C抗压强度比值在 0 6 5 左右， 9 O蒸养 1 d与标准养护 2 8 d的抗压强度基本持平。 关键词 ： 钢纤维 ； 活性粉末混凝土 ； 强度； 尺寸效应 ； 养护方式 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 7 6 0 4 I mp a c t a n a l y s i s o t fi b e r s o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e MA Ka i z e ， QU EAn g ， L I UC h a o ( 1 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g， C h a n g n Un i v e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 6 1 ， Ch i n a ； 2 Ch o n g q i n g L u n e n g De v e l o p me n t Gr o u p C o ， Lt d Ch o n g q i n g 4 0 0 0 2 3 ， C h i n a ； 3 S h a a n x i T o n i Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l De s i g n Co ， L t d， Xi h n 7 1 0 0 8 8， C h i n a ) Abst r a c t： Un de r d i f f e r e n t s t e e l fib e r v o l ume c o n t e nt ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， f l e xu r a l s t r e n g th a n d d u c t i l i t y o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( R P C)we r e s t u d i e d T h e i n fl u e n c e o f s t e e l fi b e r o n s i z e e f f e c t o f R P Cs c o mp r e s s i v e s tr e n g t h wa s a n a l y z e d， a n d the r e l a t i o n s h i p o f RP C S c o mp r e s s i v e s tr e n g t h u n d e r thr e e k i n ds o f m a i n t e n a n c e m o d e wa s d i s c us s e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s s i g ni fi ca n t l y wh e n t h e s t e e l fib e r v o l u me c o n t e n t c ha n g e d f r o m 1 5 t O2 5 a nd f r o m 0 5 t O 1 5 a n d2 5 -3 5 the fl e x - u r a l s e n g t h i mpr ov e s s i gn i fic a n t l y Th e e f f e c t o f the d u c t i l i t y i s nt s i g n i fic a n t wh e n the s t e e l fib e r vo l u me c o n t e n t i s mo r e t h a n 2 5 Th e s i z e e f f e c t o f c omp r e s s i v e s t r e n g t h i s l e s s o b v i o us u n d e r l a r g e r s t e e 1 fib e r v o l u me c o n t e n t Th e r a t i o o f RPC S c o mp r e s s i v e s tre n g t h u n d e r s t a n d a r d c u r i n g 7 d a n d 2 8 d i s a bo u t O 6 5 Th e c o mp r e s s i v e s t r e n g th u nd e r 9 0 s t e a m c u rin g 1 d a n d s t a n d a r d c u rin g 28 d i s l i t t l e c h a n g e d Key wor ds： s t e e l fib e r ； r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e； s t r e n g t h； s i z e e f f e c t ； ma i n t e n a n c e mo d e 0 引 言 活性粉末 混凝 土 ( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e ， 缩 写 为 R P C ) 是继高强度高性能混凝土之后 ， 于 1 9 9 3由法国布伊 格公司研究成功的一种超高强、 高韧性 、 耐久性优异、 体积 稳定性 良好的新型水泥基 复合材料 。 它是 由级配 良好 的细砂 ( 不含粗骨料 ) 、 水泥 、 硅粉 、 粉煤灰 、 高效减水剂等 组成 ， 并加入钢纤维来提高 R P C的韧性和延性 ， 由于其组 分 中粉末含量及活性的增加而被称为活性粉末混凝土。 国内外对 R P C开展了较多研究 ， 法 国 P i e r r e R i c h a r d 等研究 了原材料 、 成型工艺对 R P C性能的影响 ； 哈尔滨 工业大学 的郑 文忠等研究 了水胶 比、 硅灰 、 矿渣粉及 养护 制度对 R P C流动性 和强度 的影 响 ； 东北 电力大 学的鞠 彦忠等对 R P C力学性能及抗冻融性能做 了较为系统的研 究 ， 并提出水胶 比是影 响 R P C力学性 能和抗冻融性 能的 最 主要因素 ； 湖南大学的方志等提出钢纤维掺量的变化 对 R P C抗疲劳性能影 响显著 ， 建议钢纤维体积掺量分别 为 1 5 和 3 ； 北京交通大学的安 明 等提出 R P C有明 显的抗折强度尺寸效应现象 ， 并 给出了抗折强度尺寸效应 的修正计算式 。 。 本研究 研究 了钢纤维 掺量变化对 R P C 抗压 、 抗折强度以及材料延性 的影响 ， 分 析 R P C抗 压强度 尺寸效应随钢纤维掺量变化的规律 ， 同时研究 3种养护方 式下 R P C抗压强度的关 系， 为 R P C的工程应用提供参考。 1 试验 简介 1 。 1 原材料 水泥 ： 陕西省礼泉县海螺水泥厂生产的海螺 P O 4 2 5 级水泥 ， 3 、 2 8 d 抗压强度分别 为 3 2 5 、 5 6 4 MP a ； 硅灰 ： 埃 肯国际贸易( 上海 ) 有限公 司生产 的埃肯硅灰 ， S i O 含量 i8 7 2 3 ， 烧失量 3 6 3 ， 比表面积 i 2 4 2 0 0 m k g ； 粉煤 收稿日期： 2 0 1 5 0 4 1 8 基 金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 8 0 5 2 ) ； 中央高校科研业务 费基础研究项 目( 2 0 1 4 G 1 2 8 1 0 6 8 ) 7 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 灰 ： 陕西省韩城市大唐盛龙科技有 限公司生产的 I 级 特细 粉煤灰 ， S i O 2 含量 5 8 7 ， 比表面积 6 8 0 m k g ； 细砂 ： 西安市本地生产的细河砂 ， 细度模数为 1 9 3 ， 砂 中含 泥土 杂质 3 ； 减水剂 ： 瑞士西卡 J H型聚羧酸高性 能减水剂 ， 含 固量大于 3 0 ， 减水 率 3 0 3 5 ， 无引气 与缓凝作 用 ， 棕黄色液 体 ； 钢纤维 ： 比利 时 B e k a e r t 公 司生 产 的 D r a m i x 钢纤维 ， 直径 为 0 2 m m， 长径 比为 6 5 ， 极 限抗拉 强度 为 2 0 0 0 MP a。 1 2配 合 比 设 计 活性粉末混凝凝 土的基本 配置原理是提 高成 分 的细 度与活性 ， 使材料内部的孔隙与微裂缝减少 到最 小 ， 达到 超高强度及耐久性的要求。 与传统混凝土相比， R P C去除 粗骨料 ， 优化颗粒级配 ， 提高基体的均匀性和密实度 。 为提 高基体延性 ， 在基体 中加入高韧性 的钢 纤维 ， 并通过加 压 和热养护来改善 R P C微结构。 利用 前述原材料 ， 以钢纤维为单一变量配制使 5 组 活 性粉末混凝 土试 件。由于钢纤 维价格是 普通 钢材 的 2 3 倍 ， 并 且掺 入量 是影 响 流动性 的主要 因素之一 ， 考 虑到 R P C的造价和现场施工性能 ， 本试验选取钢纤维体积掺入 量为 0 5 3 5 。 最终试验配合 比如表 1 所示 ， 表 中钢纤 维以体积率计 算掺人 R P C 中， 其余均 为材料 与水 泥的质 量 比。 表 1 试验配合 比 1 3 试件设 计、 制备与养护 ( 1 ) 试件设计 本试验选用边长为 4 0 、 7 0 7 、 1 0 0 m m 的立方体试件 以 及尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m 的棱柱体试 件 ， 根 据配合 比共浇筑 5 组试件 ， 每组均包括 4类不 同尺寸 的试 件 ， 且每种尺寸 的试 件各 3块 ， 其 中 R P C S 0 0与 R P C S 2 5 两组边长 1 0 0 mm 的立方体试件浇筑 9块。 ( 2 ) 试件制备 根据配合 比将称量好的水泥、 细河砂 、 硅灰 、 粉煤灰依 次倒入单卧轴强制搅拌机内， 干拌 3 mi n ， 使干料搅拌充分 均匀 ， 然后进行两次加水湿拌 。 先将 2 0 溶有高效减水剂 的水加入搅拌机 内， 搅拌 3 m i n ； 再加入剩余 8 0 溶有高效 减水剂的水 ， 继续搅拌 3 ra i n 。 若需加入钢纤 维 ， 再将强 制 搅拌机搅拌时间调为 4 mi n ， 开启 后把称量好 的钢纤维在 筑于试模 内， 然后放置振动台上震动 1 mi n 成型。 ( 3 ) 试件养护 试件成型后 ， 移至标准环境下养护 2 4 h ， 拆模后 进行 养护 ， 对 R P C S 0 0与 R P C S 2 5边长 1 0 0 m m 的立方体抗压 试件进行三种不同养护机制 的考察 ： ( a ) 在 ( 2 0 2 ) 的水中进行标准养护 ， 龄期为 7 d ； ( b ) 在( 2 0 2 ) 的水 中进行标准养护 ， 龄期为 2 8 d ； ( c ) 在 9 0的蒸汽养护室 内养护 1 d 。 1 4试 验 方 法 R P C是一种新型高性能混凝土材料， 现在国内对其试验 方法没有统一 的规范 ， 试件抗压与抗折强度试验依据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行。 2 试验 结果与分析 3 0 S 内均匀散人搅拌机 内。 搅 拌过程完成后 ， 将拌合物浇 标准养护 2 8 d 后 ， 测试各组试件强度如表 2所示。 表 2 试件标准养护 2 8 d强度 2 1 钢纤维掺 量对 R P C抗压与抗折强度的影响 从 表 2中可 以看 出 ， 钢纤维 的掺 入提高 R P C的抗压 与抗折强度 ， 掺入 0 5 的钢纤维就能使边长 1 0 0 mm 的立 方体基 体 抗 压 强 度 提 升 I 9 1 ， 使 基 体 抗 折 强 度 提 升 2 3 9 ， 并能改变其破坏形态。 如图 1 。 在 R P C立方体抗压 试验中， 未掺人钢纤维的试件破坏最终形态与普通混凝土 相似 ， 出现角锥面脆性破坏 ， 并在破坏时伴有很 大爆裂声 ， 混凝土碎片四处剥落。 而掺 有 2 5 钢纤 维的 R P C立方体 试件 ， 在加载过程中 ， 会听到试件 内部清脆 的撕裂声 ， 试件 破坏后 ， 试件加载两 侧会 出现大致平行 的竖 向裂缝 ， 同时 试件表面有部分 剥皮现 象 ， 但不 会 出现 混凝 土大面 积掉 落 ， 破坏 的试件 最终还是一个整体 。 在 R P C抗折试 验 中， 未掺入钢纤维的抗 折试 件 ， 加载至破坏过程 短促 ， 破 坏突 然 ， 试 件被 完全折 断且 断 面平整 ； 而钢 纤维 体积 掺量 为 2 5 时， 试件表现出较好的延性 ， 有显著 的强化 阶段 ， 同时 伴有清脆的霹雳声 ， 试件底部 出现多条裂缝 ， 最终钢 纤维 沿主裂缝开裂而拔出 ， 试件破坏 。 由图 2 可知 ， 随着钢纤维掺量 的增加 ， R P C抗压 强度 也随着增大。 当钢纤维体 积掺量在 0 5 1 5 的范 围 内 时 ， R P C的抗压强度随钢纤维掺量变化 不是 很明显 ， 增 幅 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 的强度非常接近 ， 故从强度方 面来看 ， 粒化 高炉矿渣可 以代替天然砂作为混凝土的细骨料。 由图1 可以直观的看 出混凝土 的抗压强度随孔隙度的减小而增大。 分析其 原因 可能是因为孔隙度大混凝土 内部含有 的孔洞多且大 ， 在结 构上存在一定缺陷 ， 且在早期水泥水化 反应 不完全 ， 造成 其早期抗压强度较低 。 随着 时间的推 移 ， 水 泥水化将继续 进行 ， 混凝土内部的孔隙逐渐由大变小 ， 孔隙度 逐渐减少 ， 孑 L 隙的空 间联结度加大 ， 抗压强度 因而增加。 矗： 耋 营 孔 隙度 ( a ) R y s h k e v i t c h 扎 隙 厦 f b ) T C P o we r s 模 型 图 1 两种计 算式拟 合 曲线 另外从 表 2可以看 出粒化 高炉矿渣代砂混凝土后期 强度增长较快 ， 这是 因为粒化 高炉矿 渣存在 潜在水硬性 ， 导致其后期水化作用大于普通混凝土 ， 水泥进一步水 化的 同时又改善优化了混凝土的孑 L 隙结构 ， 所 以粒化高炉矿渣 代砂混凝土 的后期强度增长较快 。 目前 国内粒化高炉矿渣 主要用于水泥原料 以及磨细后作 为混凝土 的掺合料 ， 但无 论是作为水泥原料还是加工成微粉 末作为混凝土 的掺合 料 ， 都需要对粒化高炉矿渣进行磨细 ， 而且其 的潜 在活性 需要磨 细到 比表面积大于 4 0 0 m k g才能发挥 ， 相关研究 结果表明粒化高炉矿渣微粉末的比表面积大于 6 0 0 m 才能充分发挥潜在活性 ， 而普通硅酸盐水泥的 比表 面积 只 有 3 0 0 m k g 。 此外 ， 粒化高炉矿渣的玻璃体含量高 ， 易碎 难磨 ， 而且粒化高炉矿渣粉体颗粒的球形度随着粒径的减 上接第 7 9页 7 王震宇， 王俊亭， 袁杰 活性粉末混凝土配置技术的试验研究I- J - 1 施工技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 增刊) ： 7 3 7 6 8 冯乃谦 新实用混凝土大全( 2版) M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 5 3 5 4 3 60 9 苏捷， 方志 不同骨料组分混凝土立方体抗压强度尺寸效应试 验研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 4 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 5 21 5 6 1 0 何峰， 黄正宇 硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献 的分析 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 9 4 2 小而变差 ， 这使得粒化高炉矿渣微 粉末 的应用受到一定 的 限制 。 但从 上述试 验结果 可以看 出 ， 粒 化高炉矿渣不作处 理直接作为混凝土 的细骨料 ， 既可以充分发挥粒化高炉矿 渣 的潜在 活性 ， 又可 以拓宽粒化 高炉矿 渣的利用途径 、 减 少混凝土对天然砂 的消耗 、 保护 自然环 境 ， 符 合我 国 目前 经济 、 社会 、 生态三者协调统一发展的 目标 。 3 结论 ( 1 ) 在相同水胶 比的条件下 ， 粒化 高炉矿渣代砂混凝 土的早期抗压强度略低于普通混凝土， 但其后期强度增长 较快 ， 特别是在 2 8 d后 ， 普通混凝 土的强度增长 已经非 常 缓慢 ， 但粒化高炉矿渣代砂混凝土仍能以较快 的速度保持 增长 ， 且水胶比越大其后期增长速度越快 。 ( 2 ) 混凝土孔隙度 随龄期 的增 大而减小 ， 在水胶 比相 同的情况下 ， 普通混凝土孔隙度要小于粒化高炉矿渣代砂 混凝土孔隙度 。 对于采用 同种细骨料 的混凝土 ， 水胶 比越 大其孔 隙度也越大。 ( 3 ) 混凝土的抗压强度 随孔 隙度 的减小 而增大 ， 且普 通混凝土和粒化高炉矿渣代砂 混凝土 的抗压强度 和孔隙 度的关系均很好地符合 R y s h k e v i t c h 计 算式 和 T C P o w e r s 计算式 。 从强度方 面来看 ， 粒化高炉矿渣可 以代替 天然砂 作为混凝土的细骨料 。 ( 4 ) 粒化高炉矿渣作 为混凝土 的细 骨料 ， 既可以充分 发挥粒化高炉矿渣 的潜在活性 ， 又可以拓宽粒化高炉矿渣 的利用途径 、 减少混凝土对天然砂 的消耗 、 保护 自然环境。 参考文献： 1 依田彰彦 高炉七 、 高炉又 骨材老粗 合扫世允 j、夕l J 性簧 二 ， ) J 足利工棠大学研究集 ， 2 0 0 7 41： 4 5 5 O 2 刘数华 ， 阎培渝 石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构 的影H E J 硅酸盐学报， 2 0 0 8 ， 3 ( 1 ) ： 6 9 7 2 3 贺行洋 ， 苏英， 曾三海 ， 等 水泥石强度分析与孔隙率强度模型 构造r J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 4 ) ： 1 9 2 2 1- 4 R Y S H K E WI T C H E C o m p r e s s i o n s t r e n g t h o f p o r o u s o f s i n t e r e d a l u m i n a a n d z i r c o n i a J J o u r n a l o f t h e C e r a mi c S o c i e t y ， 1 9 5 3 ， 3 6 ( 2 ) 一 1 9 2 2 5 P O WE R S T C S t r u c t u r e a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d p o t l a n d c e m e n t - J J o u r n a l o f t h e C e r a m i c S o c i e t y ， 1 9 5 8 ， 4 1 ： 1 6 第 一作 者 ： 联 系地址： 联系电话： 石东升( 1 9 7 1 一) ， 男， 工学博士 ， 教授， 研究方向 ： 建筑 材料、 预应力混凝土。 内蒙古工业大学土木工程学院( 0 1 0 0 5 1 ) 1 5 2 48 1 5 0 8 7 6 1 1 谢友均 ， 刘宝举 ， 龙广成 掺 超细粉煤灰活性粉末混凝土的研 究r J 建筑材料学报 ， 2 0 0 1 ， 4 ( 3 ) ： 2 8 0 2 8 4 第一作者： 联 系地址 ： 联系电话 ： 马恺泽( 1 9 8 1一) ， 男， 副教授 ， 研究方向： 混凝土结构 抗震及延性材料研究。 长安大学建筑工程学院( 7 1 0 0 6 1 ) 1 5 8 2 9 3 9 7 0 0 0 8 3 加如加m 蚰 加如如 、 睡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m