胶凝材料对塑性混凝土轴心抗压强度的影响.pdf

2 0 1 0 年 第 6 期 (总 第 2 4 8 期 ) Nu mb 6 i n2 0l 0 ( To ml No 2 48) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ， AND A D M I 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 0 0 6 0 2 6 胶凝材料对塑性混凝土轴心抗压强度的影响 宋帅奇 1 l ，高丹盈 。严 克兵 ，胡良明 ( 1 郑州大学 新 型建材与结构研究 中心 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ；2 河南城建学 院 交通_T程系，河南 平顶 山 4 6 7 0 4 4 ) 摘要 ： 通过对 9个配合 比的试验 ， 研究 了胶凝材料( 水 泥、 黏土 、 膨润土 ) 用量的变化对翅性混凝土轴心抗压强度的影响 。结果表明 ： 塑 性混凝土轴心抗压强度随水泥用量增加而增加。 随黏土用量增加而减小； 水泥用量的影响小于黏土用量的影响； 膨润土掺入对强度存在有 利和不利两方面的影 响。 关键词： 塑性混凝土 ；轴心抗压强度 ；影响机理 ；胶凝材料 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： l 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 6 0 0 8 6 0 3 I n f l ue c e o f t h e c e men t i t i o us mat e r i al s on t h e s t r e ng t h o f pl as t i c c on c r e t e S ONG S hu a i q i ， GAO Da n - yi n g ， YAN Ke b i n g HU L i a n g - m i n g ( 1 Ne wMa t e r i a l a n d S t r u c tu r eE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r o f Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ， Ch i n a 2 De p a r t me n t o f T r a f fi c E n g i n e e ri n g H e n a n U n i v e r s i ty o f U r b e n C o n s t r u c t i o n， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 4 4 C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n the n i n e g r o u p mi x p r o p o rti o n s ， t h i s p a p e r i n v e s t i g a t e d t h e i mp a c t o n t h e a x i a l c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o fthe p l a s t i c c o n c r e t e a n d t h e i n flu e n c e me c h a n i s m o f t h e c o n t e n t o ft h e c e me n t i t i o u s ma t e ri a l s s u c h a s c e me n t ， c l a y a n d b e n t o n i t e a nd i n fl u e n c e me c h an i s m Th e r e s u l t s s h o we d t h a t ： t h e a x i a l c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o fp l a s t i c c o n c r e t e i n c r e a s e s wi t h t h e c e me n t c o n t e n t i n c r e a s i n g a n d d e c r e a s e wi t h t h e c l a y c o n t e n t i n c r e a s i n g ； t h e i n flu e n c e o f t h e c e me n t c o n t e n t i s mo r e t h a n t h a t o f t h e c l a y c o n t e n t ； t h e a d d o f t h e b e n t o n i t e h a s b o t h a d v a fi t a g e a n d d i s a d v a n t a g e i n fl u e nc e o n s t r e n g t h Ke y wor ds ： p l a s t ic c o n c r e t e ； a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n gth； i nfl u e n c e me c h a n i s m； c e me n t i t i o u s ma t e ria l s 0 引言 塑性混凝土是 以膨润土 、 黏土 等掺合材料取代普通混凝土 中的大部分水泥配制而成的柔性材料 ， 具有弹性模量低、 极限 变形大、 弹强比小等特点， 通常用于做防渗材料， 广泛应用于大 坝工程、 大坝围堰工程、 大坝除险加固工程及结构基础工程。塑 性混凝土的轴心抗压强度是塑性混凝土的重要强度指标 ， 也是 研究单 向受压下变形性能 的基础 ， 因此有必要就塑性混凝土的 轴心抗 压强度进行研究 。由于塑性混凝土材料组成 的复杂性 ， 各种组成对塑性 混凝土 的影响情况也比较 复杂 ， 因此从胶凝材 料 ( 水泥用量 、 黏土用 量 、 膨 润土用量 ) 的变化对塑性混凝 土轴 心抗压强度的影响进行了试验研究， 并就影响机理进行了探讨， 从 中得出了规律性的结论 ， 具有重要的理论意义和现实意义。 1 试验材料 与试验方法 试验采用 P 0 4 2 5 级水泥， 郑州郑东新区龙子糊成湖区粉 质黏土、 并以3 5 0目的粒度标准磨细至粉状 ， ca - 基一级膨润土。 粗骨料为粒径 5 - 2 0 n l l n的碎石； 细骨料为细度模数 3 3的河砂， 级配 曲线位于 I 区， 属粗砂。 参照本文前期 的塑性混凝土试验结 果以及提前进行的纸杯试验， 以配置满足坍落度要求拌合物所 需用水量的原则确定了表 1 所示的 9 个配合比， 用以研究胶凝 材料 变化对塑性混凝土轴心抗压强度的影响规律及影 响机理 。 表 1 配合比表 收稿 日期 ：2 0 1 0 _ J0 l - 2 3 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 0 9 7 9 1 0 0 ) 8 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 其 中 C 9 0 、 CI 2 0 、 C 1 5 0为变化水 泥用量 的 3个配合 比， 其水泥用 量分 别是 9 0 、 1 2 0、 l 5 0 k g ； C L1 8 0 、 C L 2 2 0 、 C L 2 6 0为变化 黏土用 量的 3个配合 比， 其黏土用量分别是 1 8 O 、 2 2 0 、 2 6 0 k g ； B 4 0 、 13 7 0 、 B1 0 0为变化膨润土用量的 3 个配合 比，其膨润土用量分别是4 0 、 70、1 0 0 kg。 试验采用尺寸为 1 5 0 minx 1 5 0 mm 3 0 0 mm的棱柱体试件 ， 每种情况下制作 3 个试件。 塑性混凝土采用机械拌和、 人工或振动 台振捣， 试模成型， 静置 4 8 h后拆模， 并移至标准养护室养护至 2 8 、 5 6 、 9 0 d后按照 DL T 5 1 5 O 一2 0 0 1 水工混凝 土试验 规程 r 进行相关试验。 表 2 试验结果 2水泥 用量 对 塑性 混凝 土轴心抗 压强度 的影 响机 理 分析 2 1 试 验 结果分 析 龄期为 2 8 d和 9 0 d的轴心抗压强度与水泥用量的关系 如图 1 所示， 从中可以看m塑性混凝土轴心抗压强度在其他因 素用量不变的情况下， 无论是 2 8 d还是 9 0 d ， 都表现出了随水 泥用量增加而增加 的趋势 ， 但是随着水泥用量 的增加轴 心抗压 强度 的增长 幅度有所减慢 。按水 泥用量依 次增 加的次序 ， 2 8 d 的轴心抗压强度增长幅度分别为 2 0 7 和 7 5 ； 9 0 d的增长 幅分别 为 3 7 5 和 1 5 。 各组 9 0 d的轴心 抗压强度与 2 8 d的 相 比增长 幅度分别 为 2 9 7 、 4 7 8 和 3 9 6 ， 也就是说 9 0 d的 轴心抗 压强度 与 2 8 d轴 心抗压强度 的大约 1 3 倍 以上 。为 了 反映水泥用量对轴心抗压强 度的影 响程度 ， 用轴心抗 压强度 的 增 长率与水泥 比率( 水泥用量 与水泥用 量 、 黏 土用量及 膨润土 用量之和的比值) 增 长幅度作比， 3个配合 比的水泥比率分别 为 0 2 6 、 O 3 2和 0 3 7 ， 增 幅分别 为 6 和 5 ， 这样 2 8 d的轴心 抗 压 强度 的增长 率 是水 泥 比率增 幅的 3 4 5倍 和 1 5倍 ； 9 0 d 的轴心抗压强度的增长率是水泥比率增幅的6 - 2 5 倍和 0 _ 3 倍 ， 也就 是说 ， 水 泥用量对轴心抗 压强 度的影响也 比较显著 。 从 以 上分 析可以得出 ， 塑性混凝 土轴心抗 压强度在 其他 因素用量不 日 山 茎 醴 群 O 水泥用 量 k g 图 1 水泥用量与轴心抗压强度 的关 系 变 的情 况下 ， 随水 泥用量的增加 而增加 ， 但是增 长的幅度逐渐 放慢 ， 水 泥用量为 1 5 0 k g的一组 与水泥用量 为 1 2 0 k g的一组 相比轴心抗压强度无明显增长， 依据本次试验 ， 如果想通过改 变水泥用量改变轴心抗压强度的话， 考虑到经济性， 以 1 2 0 k g 为宜 。 2 2 机 理 分析 一 般认为， 混凝土拌合物的流动性是水泥浆所赋予的， 因此 在水灰比不变的情况下， 单位体积拌合物内， 水泥浆愈多， 拌合 物的流动性也愈大。但是水泥浆过多 ， 将会出现流浆现象 ； 若水 泥浆过少， 则骨料之间缺少黏结物质2 1 。对于塑性混凝土， 也存 在类似情 况 。水 胶 比不变 ， 水泥用 量增加 ， 胶凝浆体 的量也增 加 ， 单 位胶凝 浆体中的水 泥颗粒也增加 ， 黏 土颗粒相对减 少 ， 而 黏土的掺入对强度是不利的， 因此水泥用量的增加会导致轴心 抗压强度的提高。另外水胶比不变， 水泥用量增加， 胶凝浆体量 增加会改善拌合物的流动性， 能够使胶凝浆体很好的包裹粗细 骨料 ， 进而 改善 胶凝材料 凝结硬化后 与粗细骨料 的黏结 ， 有利 于强度 的提高 ； 但是水 泥用量增加到 一定时候 ， 由于胶 凝浆体 过多 ， 在凝结硬 化过程 中可能造成离 析 ， 使得密度较 大的骨料 下沉 ， 拌合物分层 ， 进而影响强度。 3 黏 土用量 对塑性 混凝土轴 心抗压 强度 的影 响 机 理 分 析 3 1 试 验结 果分析 龄期 为 2 8 、 5 6 d以及 9 0 d的轴 心抗压强度 与黏土用 量的 关系如图 2所示， 从中可以看出塑性混凝土轴心抗压强度在其 他 因素用量 不变 的情 况下 ， 呈 现随 黏土用量 增加 而减小 的趋 势， 就某一配合比而言随龄期增长轴心抗压强度都基本呈现 了较好 的增长态势 ， 只不过对 C L 2 2 0和 C L 2 6 0来说 ， 5 6 d和 9 0 d两个龄期 的轴心抗 压强度相差不 明显 。 以上为定性分析 ， 以下 进行 定量 分 析 ： 与 C L1 8 0相 比， C L 2 2 0和 C L 2 6 0两个 配 合 比的轴 心抗 压强 度 ， 2 8 d的降低 幅度分别 为 2 7 1 和 4 2 5 ， 9 0 d的下降幅度分别为 3 1 1 和 3 7 6 ； 5 6 d龄期的轴心抗压 强度 C L 2 6 0比C L 2 2 0下降2 2 2 ； 用强度降低率与黏土比率增 幅相 比较来反 映黏土对轴心抗压强度 的显著影响 ； 3 组 配合 比 的黏土比率分别为 0 4 9 、 0 5 4 、 0 5 8 ， 增幅分别为 5 和 4 ， 对应 的 2 8 d龄期 的轴心 抗压 强度 降低 率分 别为 2 7 1 和 2 1 2 ， 5 6 d的降低率为 2 2 2 ， 9 0 d的降低率分别为 3 1 1 和1 0 7 ， 这样以上强度降低率与对应黏土 比率增加幅度率相比， 比值 分别 为 5 4 2 、 5 3 、 5 5 5 、 6 2 2 、 2 6 8 ， 可见黏土对轴 心抗 压强度 的 影响相当显著， 但影响程度高于水胶比和水泥用量。 基于以上 分析， 塑性混凝土轴心抗压强度在水胶比、 砂率 、 水泥用量 、 膨 润土用量等因素不变的情况下 ， 随黏土用量增加而减小； 5 6 d 矗 、 魑 撂 3 0 O 黏 土用量 k g 图 2黏土用量与轴心抗压强度 的关 系 87 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的轴心抗压强度 与 9 0 d的轴 心抗压强度相 差不大 ， 5 6 d以后 强度增长缓慢。黏土对轴心抗压强度的影响相当显著且影响 程度高于水泥用量。 3 2 机理 分析 黏土是塑性混凝土的主要组分之一 ， 它是黏土矿物组成的 ， 其中影响最大的是蒙脱石和高岭石。这些吸水性强的黏土矿物 遇水膨胀 ， 会导致塑性 混凝 土的强度降低 ， 即所谓 “ 塑性化 ” 作 用【3 。此外 ， 黏土用量的增加 ， 使得单位胶凝浆体 中的黏土颗粒 增多， 相对于水泥浆来说相当于引入了不利杂质， 进而降低了 胶凝浆体凝结硬化后的强度， 而塑性混凝土的破坏多发生于骨 料界面或胶凝砂浆体内，因此会引发轴心抗压强度的降低， 本 次试验的数据也很好的证明这一点。 4 膨润土 用量 对塑性混凝土轴心抗压 强度的 影响机理 分析 4 1 试验结 果分析 龄期 为 2 8 、 5 6 d以及 9 0 d的轴 心抗压强度 与膨润土用量 之间的关系如图3所示， 从中可以看出塑性混凝土轴心抗压强 度在其他 因素用量不变的情况下 ， 以黏土用量 7 0 为界 ， 在此 之前呈现随膨润土用量增 加而增加 的趋势 ； 在此之后呈现随膨 润土用量增加而减小的趋势 ， 就某一配合比而 言随龄期增长轴 心抗压强度都基本呈现增长态势， 只不过对于 B 4 0配合比， 5 6 d 和 9 0 d 两个龄期的轴心抗压强度相差不明显。B 4 0和B1 0 0相 比， 两者 9 0 d轴心抗压强度差别不大， 均远低于 B 7 0 。龄期为 2 8 d的轴心抗压强度的增长率( 负值为下降) 分别为 4 0 和 一 3 1 4 ， 龄期为 9 0 d的轴心抗压强度的增长率( 负值为下降) 分别为 1 8 0 和一 2 O 9 ， 而膨润 土比率( 膨润土用量 与水泥用 量、 黏土用量及膨润土用量之和的比值) 分别为 O 1 2 、 0 1 9和0 2 5 ， 膨润土比率的增幅分别为 7 和 6 ， 这样轴心抗压强度的增长 率( 负值为下降) 的绝对值膨润土比率的增幅的比值分别为0 5 7 、 5 2 3 、 2 5 7 、 3 4 8 ， 除其中一个小于 1 外均大于 2 5 ， 由此可见膨润 土对轴心抗压强度的影响也 比较显著 。由此可见膨润土对轴心 抗压强度的影响也比较显著。 3 0 2 5 誉 o 暴 0 5 持续时间比较长。此外， 本试验中， 轴心抗压强度并不像文献 4 】 那样 ： 随膨润土用量的增加而一直呈下降趋势 ； 而是以黏土用 量 7 0 k g 为界， 在此之前呈现随膨润土用量增加而增加的趋势； 在此之后呈现随膨润土用量增加而减小的趋势， 这是因为本次 试验采用的膨润土吸水率 比较大 ， 会使胶凝材料 的实 际水胶 比 减小 ， 而水胶 比减小会明显使轴心抗压强度增加 。因此膨润土 的引入使得拌合物凝结硬化过程中， 一方面随着膨润土的掺入 ， 塑性混凝土的抗 压强度有很大损失 ； 另一方面， 膨润土的引入会 使得胶凝材料的实际水胶 比较小 ， 即膨润土的引入对轴心抗压强 度有双刃剑的作用， 存在有利于不利两方面的抗衡。 当膨润土用 量较小时， 对水胶比的影响而导致强度提高的有利影响高于本 身材料特性对强度造成的不利影响， 因此轴心抗压强度呈现了 随膨润土用量增加而增加的现象； 但是当膨润土用量增加到一 定值后， 对水胶比的影响而导致强度提高的有利影响低于本身 材料特性对强度造成的不利影响， 因此轴心抗压强度会呈现出 下降的趋势。 5结 论 通过一系列的试验 ， 研究 了水泥用量 、 黏土用量 、 膨润土用 量及龄期等因素对塑性混凝土轴心抗压强度的影响规律， 并就 其影响机理进行 了分析 ， 得出了以下主要结论 ： ( 1 ) 塑性混凝土轴心抗压强度在其他因素用量不变的情况 下 ， 随水泥用量 的增加而增加 ， 但是增 长的幅度逐渐放慢 ， 考虑 到经济性， 本次试验的最佳水泥用量为 1 2 0 k g 。 ( 2 ) 塑性混凝土轴心抗压强度在其他因素用量不变的情况 下 ， 随黏土用量增加而减小 ， 黏土对轴心抗压强度的影响相当 显著且影响程度高于水泥用量。 ( 3 ) 膨润 土 的引人 对轴 心抗 压 强度 有双 刃剑 的作用 ， 存 在有利与不利两方面的抗衡。当膨润土用量较小时， 对水胶 比的影响而导致强度提高的有利影响高于本身材料特性对 强度 造成 的不利影 响 ， 因此轴心抗 压强度呈 现了随膨 润土用 量增加而增加的现象； 但是当膨润土用量增加到一定值后， 对 水胶 比的影响而导致强度提高的有利影响低于本身材料特 性对强度造成的不利影响， 因此轴心抗压强度会呈现出下降 的趋势 。 参考文献： 1 D IJ T 5 1 4 4 2 0 0 1 ， 水工混凝土施工规范 s 】 北京： 中国电力出版社， 2 o o 2 2 陈志源 ， 李启令 土木工程材料 M 武汉 ： 武汉工业大学出版社 ， 2 O oo： 3 6 【 3 朱冠美 三峡二期围堰防渗墙塑性混凝土性能试验研究【 J 1 人民长 江。 1 9 9 8 ( 4 ) ： 1 4 1 5 【 4 】罗季英塑性混凝土配合E 十 的研究册 浙江水利科技， 2 o o 1 ( 增q ： t 1 ) ： 7 9 -8 1 作者简介： 宋帅奇( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 讲师， 在读博士， 主要从事复合建筑材 料及其结构性能的研究 。 单位地址 ： 河南省平顶山 联 系电话 ： l 5 0 0 3 7 5 9 8 5 8 程系( 4 6 7 0 4 4 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m