季冻区路用活性粉末混凝土的耐久性研究.pdf

2 0 1 3年 第 8期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mbe r 8 i n 2 0 1 3 ( To t a l No 2 8 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRE TI CAL RES EARCH 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 3 0 8 0 1 6 季冻区路用活性粉末混凝土的耐久性研究 鞠彦忠，张琳 。王德弘 ( 东北 电力大学 建筑工程学院 ，吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ) 摘要： 为了解决季冻区路面工程冻害问题 ， 以国内外对活性粉末混凝土耐久性的研究成果作为理论基础 ， 分别对低钢纤维掺 量 、 标准养护条件和蒸汽养护条件下的活性粉末混凝土进行了力学性能试验研究及抗冻性能试验研究。 试验结果表明： 低钢纤维 体积掺量的， 采用标准养护条件下的活性粉末混凝土仍具有较高的强度和抗 冻性 ， 经过 3 0 0 次冻融循环后混凝土的耐久性指数 接近于 1 0 0 。 因此可以应用于路面工程 ， 用于控制 由冻融循环引起 的裂缝的生成和发展 ， 进而带来更大的经济效益。 关键词 ： 活性粉末混凝土 ；路面工程 ；抗冻性 ；耐久性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 6 0 0 4 S t u d y o f du r a b i l i t y o f RP C a p p l i e d t o t h e s e a s on a l f r o s t a r e a p a v e me n t e n gi n e e r i n g J U Ya n z ho n g， ZHANG Li n， WANGDe h o ng ( Ar c h i t e c tu r e E n g i n e e r i n g Co l l e g e ， No r t h e a s t Di a n l i Un i v e r s i t y ， J i l i n 1 3 2 0 1 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o r e s o l v e t h e p r o b l e m o f s e a s o n a l f r o s t a r e a p a v e me n t e n g i n e e ri n g， b a s e d o n the r e s e a r c h r e s u l t s a b o u t t h e d u r a b i l i ty of RPC a t ho me a n d a b r o a d， t he RPC whi c h h a d the l o we r v o l ume o f s t e e l fi be r i n t he n o r ma l c u r i ng c o n d i t i o n wa s i n t e g r a l l y s t ud i e d f r o m r e s i s t a n c e o f fro s t a n d me c h a n i c a l p r o p e r t yTh e e x p e rime n t a l r e s u l t s s h o we d tha t RPC whi c h ha d t h e l o we r v ol u me o f s t e e l fib e r i n t he s t a nd a r d c ur i n g c o n d i t i o n s t i l l h a d a h i【 g he r s t r e n gt h a n d fro s t r e s i s t a n c e Af t e r 3 00 c yc l e s o f fre e z i ng a nd t ha wi n g， t he d ur a bi l i ty f a c t o r ( DF) wa s s t i l l c l o s e d t o 1 0 0 S o R P C c o u l d b e u s e d i n p a v e me n t e n g i n e e r i n g t o c o n t r o l the g e n e r a t i o n a n d t h e d e v e l o p me n t o fc r e v i c e c a u s e d b y t h e fre e z e t h a w c y c l e a n d b ring mo r e e c on o mi c be ne fit Key wor ds ： RPC； pa ve me n t e ng i n e e rin g； r e s i s t a nc e o ffro s t ； d ur a b i l i t y 0 引 言 从 2 0 世纪 9 0 年代 ， 中国进入了公路建设快速发展的 时期 ， 截止 到 2 0 0 4年 ， 中国高速公路 突破 3万 k m， 总里程 数位居世界第二。 目前全国水泥混凝土路面约 占总里程的 5 0 ， 吉林省约 占 6 0 。 因此 ， 作为一种主要的路面结构类 型 ， 混凝土路面在我国占有相 当大的比例【 ” 。 依照现行路面设计理论 ， 水泥混凝土路面的使用寿命 一 般 可达 到 3 0年甚至更 久 ， 但是 有很 多路 面在使用一段 时间后就出现 了不同程度的破损 ， 其使用寿命远远低 于设 计寿命 。 造成 这一后果 除了有路 面结构 、 施工方法 和后期 使用 的原因外 ， 更是 由于混凝土本身出现了耐久性劣化2 】 。 因此 ， 解 决路 面混凝 土的耐久性 问题 已刻不容缓 。 在东北 季冻区， 气候条件恶劣， 水泥混凝土路面的使用现状更是 令人担忧。 因此如何提高水泥混凝土路面的耐久性能， 尤 其是抗冻性能 已经受到越来 越多的关 注 ， 针对上 述问题 ， 一 个行之有效的解决方法就是发展和应用适用于路面工 程的活性粉末混凝土。 活性粉末 混凝土 ( R P C) 是 2 O世纪 9 0年代 由法 国人 研究出的一种新型混凝土材料 。 它的基本设计思想与特点 收稿 日期 ：2 0 1 3 ) 2 - 2 5 6 O 是 ： 通过去除粗骨料 、 优化颗粒级配 、 热养护提高材料组分 的细度与活性， 减小材料内部的缺陷， 使其获得高抗压强 度和高耐久性 ， 钢纤维 的加入既可以提高延性和韧性 ， 还可 以大幅度加强抗拉弯强度 。 R P C设计的根本是要找出一种 可以提高颗粒密实度和复合物的均质性的方法 ， 而热养护 和加压是要进一步改善材料的力学性能 ， 可根据材料的具 体应用而取舍3 1 。 国外对活性粉末混凝土的研究起步较早 ， 已取得了较 多的成果 ， 并在许 多工程 中得到 了成功的应用 ， 而活性粉 末混凝 土作为一种高强度 、 高密实度 、 高韧性 、 抗 冻融 、 抗 盐碱的混凝土在路面工程的应用仍属空 白。 然而 ， 建筑用 R P C和路面用 R P C是有很大区别的 ， 因此对路面用 R P C 的 强度要求不能照搬建筑用 R P C的规定， 应当既要具备足够 的强度以满足行车荷载对路面的强度要求 ， 又要有优异的 耐久性 。 由于本 次研 究 的活性 粉末 混凝 土 应用 于季 冻 区路 面工程 ， 考虑 到造价 和施工 问题 ， 在 保证 基本 强度 的前 提下， 将混凝土的钢纤维掺量降低到 0 6 ， 并采用标准 养护和蒸汽养护两种养护条件， 对其进行强度及耐久性 分析 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 试验材料及 试验 方法 1 1 原材料性 能 水泥采用亚泰水泥公司生产的 P O 4 2 5 级水泥 ， 其细 度为 3 4 0 m 2 k g ； 硅粉 为灰 白色细粉 ， 平 均粒径 为 0 - 3 1 m 左右 ， 比表面积 1 4 3 1 0 m2 k g 。 石英砂 由吉林市某砂厂定做 ， 不 同规格 的各项 指标 见表 1 。 钢纤维采用科 比特科技有限 公 司生产 的熔抽 型钢纤 ， 长度 为 1 3 1 5 IT l r f l ， 直径 为 0 2 0 - 3 m m。 减水剂采用北京建筑工程研究所生产 的新型非萘 系高性能减水剂 A N3 0 0 0 ， 固含量 为 3 0 ， 减水率为 2 9 ， 1 h无坍 落度损失 ， 拌 和水及 养护水采用当地 自来水 。 表 1 石英砂参数 1 2试验 室配合 比 水胶比： 0 2 0 。 硅灰水泥 比： O 3 。 石英砂用量 ， 砂胶 比： 1 3 ， 颗粒级 配 ： 3 8 8 6 2 9 ： 5 9 5 0 5 4 ( 质量 比) 。 钢纤维 体积掺量 分 别取 1 0 、 0 8 、 0 6 。 表 2试验室配合比 试验号水泥 硅灰 中砂 细砂钢纤维 减水剂 水 1 76 9 4 5 23 0 8 4 1 1 2 771 1 7 2 3 6 7 8 5 0 6 9 2 5 1 5 1 5 8 2 77 4 2 4 23 2 2 7 1 1 3 4 73 1 7 3 4 3 6 2 8 O 6 9 6 8 1 5 2 5 3 3 77 9 0 4 23 3 71 】 41 7 6 1 7 4 51 47 1 0 7 0 1 1 1 5 3 4 7 1 3 试件制作及养护 按配合比称量各组分， 先将石英砂搅拌 2 - 3 m i n ， 再将 水 泥与硅灰倒 入 ， 搅拌 2 - 3 mi n后倒人 钢纤维 ， 搅拌至 均 匀分布， 将一半的水与减水剂混合后倒入搅拌机搅拌 3 ra i n ， 后将剩余水倒 入 ， 搅拌至浆体结束。 将 昆 凝 土装入模具中 ， 在振捣台上振捣成 型， 置 于室温养护， 盖上浸湿的棉被 ， 2 4 h 后 拆模 ， 后 将试件 分成两 份 ， 一份 在 2 5的水 中养护 至 2 8 d ； 一份放入蒸汽养护箱 ， 7 5养护 3 d 后 ， 放人水 中养 护至 2 8d 。 1 4 试 验 方 法 按照 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 进行抗压， 抗 弯拉 强度 试验及 耐久 性试 验 。 采用 1 0 0 mmx l 0 0 m mx 1 0 0 r n m 和 1 0 0 m m 1 0 0 mmx 4 0 0 n l l n的非标 准试件 进行 试验 。 耐久性试验过程 中， 每隔 2 5 次测试一次试 件的动 弹 性模量和质量 ， 并作必要的外观描述 。 2 试验 结果及分析 2 1 养护条件及钢纤维体积掺量对混凝土强度的 影 响 本次试验采用标准养护及蒸汽养护， 钢纤维体积掺量 分别为 1 0 、 0 8 和 0 6 ， 抗压强度 的试验结果 如表 3 所 示 ， 抗弯拉强度试验结果如表 4 所示 ， 钢纤维体积掺量以 及养护条件对抗压强度的影响如图 1 所示， 对抗弯拉强度 的影响如图 2所示 。 表 3 抗压强度试验结果 养护条件 抗 度 注 ： 一 表示该数据与同组数据中问值相差超过 1 5 ， 故舍去。 图 1 l 2 日 1 0 塞8 餐 钟4 2 O U O U l U 钢纤维体积掺量 ， 图 2 钢纤维及养护条件对抗弯拉强度的影响 试验结果表明 ， 蒸汽养护条件下 的试件抗压强度达 到 1 3 1 5 MP a以上， 标准养护条件下的试件抗压强度达l 3 1 MP a 以上 ， 由此可见 R P C的抗压强度远高于钢纤维高强混凝土 ( 抗压强度为 7 5 9 MP a ) 5 。 然而 ， 标准养护下的强度有所 降 低， 但是可 以满足路用 混凝土强度要求旧 。 而钢纤维掺量对 于抗压 和抗弯拉强度也有一定影 响， 钢纤维 的加入 ， 大大 提高 了活性粉末混凝土的强度。 混凝土基材与钢纤维的黏结及钢纤维本身的高抗 拉特性使得钢纤维对混凝土强度起到了增强 的作用。 硅 粉的掺入， 提高了钢纤维与胶凝体界面的黏结强度， 使钢 纤维对强度 的增强效果得 以发挥 。 另外 ， 钢纤维的抗拉强 度远超过混凝土的抗拉强度 ， 当试件受压时， 纵横交错 的纤维网状结构对试件起到了横向变形的约束作用， 使 61 们 强 弘 如 嬲 暑 骠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 其近似于三向受压， 进而提高了活性粉末混凝土的抗压 强 度【 。 2 2 养护条件及钢纤维体积掺量对混凝土耐久性 的 影 响 根据规 范可知 ， 经过 3 0 0次冻融循 环 的活性粉末 混 凝 土相对动 弹模量按式 ( 1 ) 计算 ， 质量变化 率按式 ( 2 ) 计 算 ， 相对耐久 性指数按式 ( 3 ) 计算 ， 各项指标如表 5 所 示 。 养护条件及钢纤维体积掺量对耐久性指数 的影响 曲线如 图 3所示。 ( 1 ) r0n 1 0 0 Wn - - too - ra n x l O 0 ( 2 ) m 0 K = P x N 3 0 0 ( 3 ) 表 5 试件冻融试验结果 薹 融 帽 露 冻融次数 图 3 标准养护条件下的相对动弹性模量变化图 芝 咖 融 需 蕊 冻融次数 图 4 蒸汽养护条件下的相对动弹性模量变化图 连 褂 血1 蝼 冻融 次数 图5 标准养护条件下的质量损失率变化图 分析图 3 、 4可知， 活性粉末混凝土在 3 0 0次循环冻 融结束后 ， 无论是标准养护还是蒸汽养护下的混凝土， 相 对动弹性模量均达到 9 8 以上， 质量损失在 0 ,- 0 3 之间， 接近于 0 。 耐久性指数接近 1 0 0 ， 而 H P C只有6 3 6 t 。 由 此可见， 无论是标准养护还是蒸汽养护条件下的活性粉 62 卷 褂 转 咖 瞧 OO 200 冻融次数 图 6 蒸汽养护条件下的质量损失率变化 图 末混凝 土都具 有优 良的抗冻性 能 ， 抗冻 融循环 能力远高 于其他混凝 土材料 ， 满足标准 C C E S 0 1 2 0 0 4 关于最恶劣环 境下工作的混凝土材料抗冻性要求 。 1 0 0 0 o 钢纤维 体积掺量 ， 图 7 养护条件及钢纤维体积掺量对耐久性指数的影响 分析 图 7可知 ， 混凝 土的耐久性指数随着钢纤维体积 掺量的增大而增大， 而蒸汽养护也大大提高了材料的耐久 性 能 。 目前 已有很对学者 对混凝土冻融 破坏机理 展开 了 大量的研究【8 - l 2 】 ， 笔者认为活性粉末 混凝土具有高耐久性 是由于以下几个方 面原因 ： ( 1 ) 钢纤维可以有效控制裂缝的产生和发展。 ( 2 ) 蒸汽养护可以提高混凝土的密实度， 减少空隙的 产生。 ( 3 ) R P C的水胶比很小， 拌和水可以几乎完全反应 ， 所 以混凝土内部没有多余水分【 。 ( 4 ) R P c的低水灰 比降低了混凝土内部孔隙数量 ， 毛细 H 他 m 0 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 鳃 鳃鳃 骚 篷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水很难进入混凝土内部 。 3结论 ( 1 ) 钢纤维体积掺量和养护条件对混凝土 的强度及耐 久性有一定影响 ， 强度及 耐久性随着体积掺量 的增加而增 强 ， 蒸汽养护有利于提高强度和耐久性 。 为了使用于路面工 程， 采用标准养护 ， 并将钢纤维体积掺量降低到 0 6 ， 尽 管强度及耐久性有 一定损失 ，但是仍远远高于普通 混凝 土 ， 满足路面工程对混凝土的强度要求 。 ( 2 ) 以上试验结果 表明 ， 将活性粉末 混凝土应用 于路 面工程 ， 可 以有效控制 由于冻融循环所造成的裂缝 的产生 ， 延长路面的使用寿命， 减少路面的维修费用及工作量 ， 进而 带来更大的经济效益 。 参考文献： 1 11 中国工程院士木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研 究咨询项目组 混凝土结构耐久性设计与施工指南【 M 北京： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 【 2 】傅智， 李红J T G F 3 0 - - 2 0 0 3 ， 公路水泥混凝土路面施工技术规范实 施与应用指南【 s 】 京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 3 3 】张燕 活性粉末混凝土( R P C ) 的结构工程应用及发展空间 J 】 _ 山 东建材 ， 2 0 0 4 ( 1 ) 4 肖瑞敏 龙广成 活性粉末混凝土的工程应用研究 J 】 建筑技术 ， 2 0 0 4 ( 1 ) 【 5 】 谢晓鹏， 杨广军， 高丹盈 冈 纤维高强混凝土抗压强度 河南科 技大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 5 ) 6 6 J T G D 4 0 - - 2 0 0 2 ， 公路水泥混凝土路面设计规范 s 7 】李莉， 王英， 郑文忠 活性粉末混凝土耐久性综述 J 工业建筑， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 增刊) 8 18 P O WE R S T C A w o r k i n g h y p o t h e s i s f o r f m l h e r s t u d i e s o f f r o s t r e s i s t a n e e o f c o n c r e t e ， P r o c e e d i n g s J A C I 1 9 4 5 ( 4 1 ) ： 2 4 5 2 7 2 【 9 P O WE R S T C T h e a i r r e q u i r e m e n t o f f r o s t - r e s i s t a n c e c o n c r e t e P r o c e e d i n g s o f H i g h w a y R e s e a r c h B o a l 。 1 9 4 9 ( 2 9 ) ： 1 8 4 2 0 2 【 1 0 P O WE R S T C ， H E L M U T H R A T h e o r y o f v o l u m e c h a n g e i n h a r d - e n e d c e m e n t p a s t e d u ri n g f r e e z i n g J P r o c e e d i n g s o f H i g h w a y R e s e arc h B o a r d ， 1 9 5 3 ( 3 2 ) ： 2 8 5 2 9 7 【 1 1 P O WE R S T C F r e e z i n g e ff e c t i n c o n c r e t e ， A C I S P 一 4 7 ， 1 9 7 5 ： 1 - 1 1 f 1 2 】 谢依， 等著 水泥混凝土结构与性能f M 胡春芝， 等译 北京： 中国 建筑工业出版社 ， 1 9 8 4 【 1 3 】 杨吴生 ， 黄振宇 活性粉末混凝土耐久性能研究【 J 1 混凝土与水 泥制品， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 1 9 2 6 作者简介 联系地址 联系电话 鞠彦忠( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 教授， 硕士生导师。 吉林市长春路 1 6 9 号 东北电力大学建筑工程学院 ( 1 3 2 0 1 2 ) 1 3 8 4 3 2 2 92 2 6 秦皇岛市新建建筑将按绿色建筑标准进行建设 8 月 2 6日， 记者在秦皇岛市城乡建设局了解到， 秦皇岛市近日出台 秦皇岛市绿色建筑管理办法 ， 从本月起， 尚未进 行施工图联 审的政府投资类项 目、 保障性住房 、 北戴河新区新建建筑 ， 以及城市 区内尚未出具规划设计条件的单体 2 万mz 以上大型公共建筑、 l 0 万 m： 以上住宅小区， 必须按照绿色建筑一星级及以上标准进行规划、 设计、 建设和管理。 所谓 “ 绿色建筑 ” 的“ 绿色 ” ， 并不是指一般意义的立体绿化 、 屋顶花园， 而是代表一种概念或象征。“ 绿色建筑” 是指满 足 G B T 5 0 3 7 8 -2 0 0 6 绿色建筑评价标准 ， 在 建筑 的全寿命周期 内最大限度地 节约资源 、 保 护环境 和减少污染 ， 为人们 提供健康 、 适用和高效的使用空间， 与 自然和谐共生的建筑， 又可称为可持续发展建筑、 生态建筑、 回归大自然建筑、 节能 环保建筑等 。绿色建筑评价体系共有 6 类指标 ， 由高到低划分为三星 、 二星和一星。 据市城乡建设局节能办主任杜少东介绍， 根据相关规定， 自今年 8 月起， 尚未进行施工图联审的政府办公建筑 、 学校、 医院 、 博物馆 、 体育馆 、 科技馆 、 图书馆 、 影剧院等政府投资类项 目， 商场、 写字楼 、 机场 、 车站 、 宾馆 、 饭店等城市区内尚未出 具规划设计条件的单体 2 万 m 2 以上大型公共建筑， 以及保障性住房、 匕 戴河新区新建建筑 ， 1 0 万 mz 以上住宅小区等必 须按 照绿色建筑一星级及 以上标准进行规划 、 设计 、 建设 和管理 。同时 ， 鼓励已经完成施工 图联审的项 目， 由建设单位交 由设计单位按照绿色建筑星级标准进行优化设计 。 2 0 1 4 年 ， 城市区 内所有履行基本建设程序的新建建筑按照绿色建筑一 星级及 以上标准进行规划 、 设 计 、 建设 和管理 ， 其 中二星级及 以上绿色建筑面积 占全市绿色建筑总面积 的比例达到 2 5 以上 。 到 2 0 1 5 年 ， 全市行政区域 内所有履行基本建设程序的新建建筑按照绿色建筑一星级及以上标准进行规划 、 设计 、 建 设和管理 ， 其 中二星级及 以上绿色建筑面积 占全市绿色建筑总面积的比例达到 3 0 以上。 “ 对不遵守绿色建筑相关要求的建设 、 施工、 监理单位将给予限期整改、 罚款、 限期拆除、 吊销资质等处罚。 未按绿色建 筑目标实施建设的， 不予出具竣工验收合格报告。” 杜少东说， 近年来， 秦皇岛市在绿色建筑方面进行了许多尝试并取得 一 定效果。目前秦皇岛市已有获得绿色建筑星级评价标志的项 目4 项， 获得省级绿色建筑示范项 目3 项， 省级“ 十佳绿色 建筑” 和“ 十佳绿色小区” 项目3 项， 累计获得奖金 2 2 6 万元， 其中“ 在水一方 A区” 住宅小区是河北省首个的运营阶段二 星级绿色建筑。今年， 秦皇岛市还有 2 0 余个项 目 计划申报绿色建筑星级标志， 总计建筑面积2 0 0 多万 m 2 。 6 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m