超高强混凝土的力学性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 5 期 (总 第 3 0 7期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEO剐巳 TI CAL RES E ARCH 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 5 0 5 0 0 9 超高强混凝土 的力学性能研 究 王军委，李秋义。 郭远新。张修勤， 孔哲 ( 蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心 青岛理工大学 土木工程学院， 山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 论述了超高强混凝土的研究意义 ， 进行了超高强混凝土性能的影响因素探究。 通过正交试验 ， 分析了水胶 比、 胶凝材料 总量以及矿物掺合料掺量对超高强混凝土的影响。 研究结果表明： 抗压强度随水胶 比的增大而逐渐减小 ， 水胶比对抗压强度的 影响显著 ； 矿物掺合料掺量对超高强混凝土的早期强度具有非常显著的影响， 但对后期强度的影响降低 ； 胶凝材料总量对超高强 混凝土强度的影响最小， 胶凝材料总量为 6 0 0 k g m 最佳。 关键词： 超高强混凝土； 正交试验 ； 水胶比； 抗压强度 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 5 ) 0 5 0 0 3 4 0 3 R e s e a r c h on me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f o f u l t r a- - h i g h - s t r e n g t h c on c r e t e WANG u n w e i ， L I Q i u y i ， GU O Y u a n x i n， Z HANG u q j n， KO NG Z h e ( C o l l a b o r a ti v e I n n o v a t i o n Ce n t e r o f E n g i n e e ri n g C o n s t r u c ti o n a n d S a f e t y i n S h and o n g B l u e E c o n o mi c Z o n e ， S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Abst r a c t： I t d i s c us s e d t h e s i g ni fic an c e o f u l t r ah i g hs tre ng th c o n c r e te a n d e x pl o r e s the f a c t o r s o f u l trah i g hs tre ng t h c o n c r e t e S pe r f o r ma n c e I t a d o p ted o r tho g o n t e s t i n o r d e r t o e x p l o r e the e f f e c t t o ul t r ah i g hs t r e n g th c o n c r e t e b y the s e a s p e c t s i n c l u d i n g wa t e r bi n d e r r a ti o， t h e tot a l a mo u n t o f b i n d e r an d the d o s a g e o f mi ne r a 1 Th e r e s u l t s h o ws the c o mp r e s s i v e s tre n g t h d e c r e a s e s wi th the i n c r e a s e o f th e wa t e r - bi n d e r r a tio a n d the wa t e r - bi n d e r r a t i o ha s a s i g n i fic an t i mp a c t o n the c omp r e s s i v e s tre n g th Th e d o s a g e o f mi n e r a l h a s a v e r y s i g n i fi c a n t i mp a c t o n the e a r l y s tr e n g th o f u l tr ah i 一s tr e n g th c o n c r e t e， b u t i t r e d u c e s the i mp a c t o n t h e l a t e s tr e n g t h T h e i n f l u e n c e o f the t o t al a mo u n t o f b i n d e r i S the s ma l l e s t o n e i n a l l f a c t o r s an d the be s t param e t e r o fthe t o t a l am o u n t o fb i n d e r i S 6 0 0 k g m Ke y wor ds： u l trahig hs t r e n g t h c o n c r e te； o r t h og o na l t e s t ； wa t e rb i n d e r r a t i o； c o mp r e s s i v e s tre n g t h 0 引言 随着现代社会 的快速发展和技术 的全面革新 ， 新 的结 构形式和体系出现 ， 涉及 到桥梁 、 隧道 、 房建 、 港 口、 海洋 、 地下等各个工程领域 ， 传统的混凝土技术 已无法满足现代 社会工程建设的需要 ， 在现代建筑 中拥有最重要地位 的混 凝 土必然需要加强 ， 超高强混凝土的出现及应用满足了在 高层结构 、 大跨体系、 侵蚀环境 中等场合 的要求 。 因此 ， 超 高强混凝土的研究意义重大 ， 超高强高性能混凝土 已成为 水泥基复合材料发展 的重要方向之一 。 1 试 验 1 1 原材料 水泥 ： 青岛山水集团产 P O 5 2 5级水泥 ； 硅灰 ： 山东六福微硅粉有限公 司产的硅灰 ； 矿粉 ： 青 岛产 $ 9 5 级矿渣粉 ； 细骨料 ： 河砂 ， 细度模数 2 4 ， 符合 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 要求 ； 粗骨料 ： 粒径为 5 2 0 ra i n 连续级配玄武岩碎石 ， 符合 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 要求 ； 减水剂 ： 聚羧酸系高性能减水剂 ， 减水率为 3 0 ； 水 ： 普通 自 来水 ， 符合 J G J 6 3 _2 0 0 6 要求 。 水泥 、 硅灰和矿粉的化学成分见表 1 。 1 2 试 验 配合 比 本试验研究 了水 胶 比、 胶凝材料 总量、 矿物掺合料 掺 试验所采用原材料及其 品质如下 ： 量对超高强 混凝土性能 的影响 ， 采用 聚羧酸高性 能减水 表 1 水泥和矿物掺合料 X R F分析结果 收稿日期 ： 2 0 1 4 1 0 0 8 基金项 目： 国家自 然科学基金项目( 5 1 1 7 8 2 3 0 、 5 1 3 7 8 2 6 9 ) ； 青岛市科技计划项 目( 1 3 1 4 1 7 6 一 j c h 、 1 3 1 - 4 1 1 5 - j c h ) ； 山东省高校优秀科研 创新 团队计划 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 剂 ， 各组使用量统一为胶凝材料总量的 2 ， 硅灰 占胶凝材 料总量的 1 0 不变 ， 利用 正交试验 法设计 配合 比， 如 表 2 所示 。 表 2正交试验正交表 1 3试 验 方 法 根据 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 ， 将混凝土试块标准养护至预定龄期 ， 测试抗压 强度 。 2 试验结果与分析 2 1 试 验 结 果 根据规范要求按表 2各配合 比制作超 高强混凝 土试 块 ， 在标 准养 护 室 内分别 养 护 3 、 7 、 2 8 、 5 6 d取 出， 参 照 O 2 4 O 2 5 0 2 6 水胶 比 ( a ) 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 ， 分别测试试件 3 、 7 、 2 8 、 5 6 d的抗压强度 。 2 2试 验 分 析 2 2 1 正交试验极差分析 直观分析法 ， 即极差分析 ， 不能估计试验误差 ， 对于试 验结果出现 的差异 ， 不 能确定 。 方差分析可 以对 随机误差 进行估计 ， 通过正交表上 的空 白列得 到随机 误差。 空 白列 没有 因素的作用 ， 能反映 随机 因素所 引起 的误差 ， 进行方 差分析时， 把一列空白列加入， 以便于后期的分析。 水胶比 A、 胶凝材料总量 B、 矿物掺合料掺量 c、 误差 D对混凝土 的抗压强度影响的极差分析见表 3 。 表 3极差分析结果 由表 3可 以看 出 ， 各 因素对 超高 强 混凝 土早 期 ( 3 、 7 d ) 抗压强度的影响程度 ： 矿物掺合料掺量 水胶 比 胶 凝 材料总量 ； 而后期强度的影响 ， 水胶 比影 响程度变大 ， 矿 物掺合料掺量影响程度降低 ； 胶凝材料 总量对超高强混凝 土抗压强度 的影响总是最小 。 胶凝材料总量 ( k g m ) ( b ) 矿物掺合料掺量 ( c ) 图 1 备 因素 对超 高 强混凝士 抗压 强度 的影 响 图 1 为三个 因素对抗压强度 的影响分析图 ， 从 图中可 物掺合料掺量对超高强混凝土早期和后期强度影响不同， 知 ， 随着水胶 比的增 大 ， 超 高强混凝土各龄期抗压 强度均 早期掺量 3 0 最佳 ， 后期掺 量为 4 0 时 ， 最有利 于超高强 呈下降趋势 ； 胶凝材料总量 由5 8 0 k g m 增大为 6 0 0 k g m 混凝土的抗压强度增长。 时 ， 超高强混凝土 的抗压强 度增大 ， 当胶凝材料总量 变为 2 2 2 正交试验方差分析 6 2 0 k g m 时， 抗压 强度减 小 ， 随胶 凝材料 的增 大， 各龄期 对试验结果进行方差分析 ， 见表 4所示。 均呈现先增大后减小的变化 ， 胶凝材料 6 0 0 k g m 最佳 ； 矿 由方差分析 的结果 可知 ， 对各 因素的均方进行 比较 ， 表 4方差分析结果 可知矿物掺合料掺量对超高强混凝土早期 ( 3 、 7 d ) 抗压强 度 的影响最大 ， 其次分别为水胶比、 胶凝材料总量 ， 水胶 比 对后期 ( 2 8 、 5 6 d ) 强度影 响变大 ， 这与极差分析所得 出的 结论是一致 的。 数理统计 ： F F o 。 ( 2 ， 2 ) ， 表明因素影 响特 别显著 ； 0 ( 2 ， 2 ) F 5( 2 ， 2 ) ， 表明因素影响显著 。 查 F表可 知 ： 。 ( 2 ， 2 )= 9 0 ， ( 2 ， 2 )：1 9 。 由此 可知 ， 3 5 蚰 龟 鹱出辖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水胶 比对超高强 混凝 土各龄期 抗压强度的影响都是显著 的 ； 矿物掺合料掺量对超高强混凝土早期强度具有非 常显 著或者显著的影响 ， 但后期影响下降 ； 胶凝材料总量对超 高强混凝土各龄期抗压强度的影响都是最小 的， 且影响都 不显著 。 2 2 3 各因素对超高强混凝土抗压强度影响分析 高性能减水剂的使用大幅度降低 了水泥水化所 需要 的用水量 ， 矿物掺合料起到替代水 泥的作用减小 了水泥用 量 ， 这些都降低 了水胶 比值。 铁道科学研究院研究得出 ： 在不考虑外加剂 的情 况下 ， 水胶 比达到 0 2 2 7后 ， 水泥可 以完全水化 。 水胶 比大于 0 2 2 7 ， 水泥水化反应完全 ， 混凝 土内部将剩余部分游离水 。 随时间推移 ， 在混凝 土硬化 过 程中 ， 多余 的游离水蒸发 出去 ， 导致硬化完成后 的混凝 土 中留下大量空隙。 因此 ， 水胶比较大时 ， 混凝土内部存在的 游离水填充的空隙相互连接 ， 游离水蒸发后形成 了贯通 的 孔隙 ， 整体孔隙率增大 ， 于此同时， 也大大降低了水泥与骨 料之间的黏结强度。 在外力作用下 ， 这些 内部的孔隙处就 成为混凝土薄弱部位 ， 直接导致 了抗压 强度的下降。 昆 凝 土在水胶比相对较低时 ， 尽管水泥短时间 内水化不完全 ， 但水泥与超细矿物掺合料混合能使水化反应呈现梯度式 ， 提升了水化产物的品质 ， 尽管可能存在少量未水化的水 泥 微粒 ， 但同时也在一定程度上填充 了混凝土 内部 空隙 ， 降 低了孔 隙率 ， 这都增大了混凝土的抗压强度。 但是 ， 水胶 比 过小时 ， 因水胶 比对强度 的影 响具有两 面性 ， 混凝 土振 捣难 以密 实 ， 增大 了空 隙率 ， 大幅度 降低 混凝 土 的抗 压 强度。 胶凝材料总量也是影 响超高强混凝 土抗 压强度一个 不可忽视的因素。 众所周知 ， 在混凝土结构 中， 集料起骨架 的作用 ， 内部 由胶凝材料填充， 共同形成强度 。 若起到填充 作用的胶凝材料不足 ， 将无法完全包裹混凝土 中的集 料 ， 导致集料与胶凝材料之间的界面难 以形成有效 的强度 ， 从 而降低 了混凝土的抗压强度 。 若胶 凝材料较多 ， 胶 凝材料 虽然可以完全裹覆集料 ， 但剩余 的胶凝材料没有集料作为 骨架 ， 难 以形成较强的强度。 此外 ， 胶凝材料多则所加入 的 矿物掺合料增多， 掺加矿粉和硅灰的超高强混凝土虽然早 期强度低 ， 但随着龄 期的增 加 ， 其强度会有 较大幅度 的增 长。 因此 ， 含较多胶凝材料 的超高强混凝土早期抗压强度 会较低 ， 但后期强度增长 明显。 通常情 况下 ， 硅 灰 颗粒 直 径 只有 水 泥 颗 粒 直 径 的 1 1 0 0 ， 硅灰可填充于水泥颗粒 的空 隙间， 其效果如同水泥 颗粒填充在骨料空 隙之 间和 细骨料填充在 粗骨料 空隙之 问， 提高 了拌合物的密实度 ， 从而提高 了强度 ， 这就是硅灰 的“ 填充效应” 。 此外 ， 硅灰 的火山灰效应可 以将氢氧化钙 转化成 C S H凝胶 ， 并 填充在水泥水化产物之 间， 促进 了 强度的增长 。 磨细矿粉具有 的很大 的活性 ， 其火 山灰反应 不仅可以促进水泥的水化反应 ， 而且可以大幅度提升胶凝 物质的质量 和数量 ， 明显 改善胶凝 物质 与集料 的界面结 3 6 构 ， 使混凝土结构中孔隙数量减少 。 此外 ， 由于混凝土材料 组成复杂 ， 各成分具有 明显差 异 ， 导致 混凝 土结构 内部 不 均匀 ， 进而混凝 土内部 会产生大量空隙 ， 而未发生水 化反 应 的矿粉可 以填充这种空 隙， 据研究 ， 磨细矿粉 的加入 可大量减少混凝 土内部有害孔数量 ， 提升混凝土的强度 。 3 结语 ( 1 ) 通过正交试验 ， 运用极差和方差分析 ， 探究了水胶 比、 胶凝材料总量 、 矿物掺合料掺量对超 高强 混凝土力学 性能的影响。 ( 2 ) 水胶比对超高强 昆 凝土各龄期抗压强度的影响都 是显著的， 超高强混凝土 的抗压强度随水 胶比增大 明显降 低 ， 水胶比为 0 2 4时 ， 最有利于强度的增长。 ( 3 ) 矿物掺合料掺量对超高混凝 土早期 ( 3 、 7 d ) 抗压 强度具有非常显著 或显著 的影响 ， 但对? 昆 凝 土后期 ( 2 8 、 5 6 d ) 强度影响下降 ， 而且对早 期强度和后期强 度的影 响 是不一样的 ， 对 5 6 d 龄期而言， 掺量为 4 0 最佳。 ( 4 ) 胶凝材料总量对超高强? 昆 凝土各龄期抗压强度 的 影响都是最小的。 根据数理统计分析 ， 各龄期时 ， 胶凝材料 总量 对 超 高 强 混 凝 土 的影 响都 不 是 显 著 的 ， 总 量 为 6 0 0 k g m 最佳。 ( 5 ) 根据混凝土的强度发展规律 ， 综合考虑 ， 超高强混凝 土的最佳配合 比为水胶 比0 2 4 ， 胶凝材料总量 6 0 0 k g r n 3 ， 矿 物掺合料掺量 4 0 。 参 考文献 ： 1 蒲心诚 ， 王冲， 刘芳 ， 等 特超强高性能混凝土的研制与展望 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 5 2 R A H MA N S ， MO L Y N E A U X T， P A T N A I K U N I I U l t r a h i g h p e r - f o r m a n c e c o n c r e t e ： r e c e n t a p p l i c a t i o n s a n d r e s e a r c h - J A u s tr N i a n J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 2 ( 1 ) ： 1 3 2 O 3 刘数华， 冷发光 ， 罗季英 建筑材料试验研究的数学方法 M 北京 ： 中国建材出版社 ， 2 0 0 6 4 铁道科学研究院 客运专线高性能混凝土暂行技术条件 R 北京 ： 铁道科学研究院 ， 2 0 0 5 5 梁咏宁， 陈宝春 ， 庄一舟 ， 等 砂胶比 ， 水胶比和钢纤维掺量对 R P C性能的影响 J 福州大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 5 ) 6 贾艳涛 矿渣和粉煤灰水泥基材料的水化机理研究r D- 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 5 第一作者 ： 联系地址 ： 联 系电话： 王军委( 1 9 8 8一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 结构工程方向。 青岛市市北区抚顺路 1 1 号 青岛理工大学土木工程学 院( 2 6 6 0 3 3 ) 1 5 1 5 4 2 9 9 69 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m