超高强高性能混凝土的配制研究.pdf

2 0 1 3年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NC RE T E AND CE ME NT P R ODUC T S 2 01 3 No 1 1 No v e mb e r 超高强高性能混凝土的配制研究 王 军 ， 程宝军， 贾丽莉 ， 刘 通 ( 中建商品混凝土有限公司， 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 研 究了复合水泥粉体压实体 空隙率 的变化规律 ， 优化 了混凝土胶材 组分， 并研究 了胶料总量 、 水胶 比对 超 高强混凝土工作性 能和抗压强度的影响。在 以上研 究基础上 开展 了沸石粉配制超 高强高性能混凝 土的试验研 究。结果表明 ， 微 珠掺 2 2 ， 硅 灰掺 8 ， 复合粉体 空隙率最低 ， 堆积密度最 大； 胶凝材料总量 7 0 0 k g m ， 水胶 比 0 1 6 时，混凝土抗压强度最 高， 6 0 d和 9 0 d抗压强度分别达 1 4 6 5 MP a 和 1 5 9 7 MP a ；掺 4 沸石粉 配制的超 高强混凝 土 6 0 d和 9 0 d抗 压 强度 分 别为 1 3 6 7 MP a和 1 4 8 1 MP a ， 比不掺 沸 石粉 的 混 凝 土 抗 压 强 度 分 别 降 低 约 4 7 和 6 0 降 幅 较小 ；混凝 土 3 d和 7 d自收 缩值 分别 为万分之 O 9 1和 万分之 1 8 2 ，比不掺沸石粉 的混凝土分 别降低约 2 1 6 和 1 1 7 ， 降低 混凝 土 的 自收 缩 作 用明 显 。 关 键 词 ： 微 珠 ； 沸 石粉 ； 超 高 强 混凝 土 ； 抗 压 强度 ； 自收 缩 Ab s t r a c t ： e c o mp a c t i n g v o i d a g e o f c o mp o s i t e p o wd e r p r e s s u r e e n t i t i e s i s s t u d i e d a n d t h e c o mp o n e n t s o f c o n c r e t e c e me n t i n g ma t e ri a l s a r e o p t i mi z e d ，a n d t h e i n f l u e n c e s o f c e me n t i n g ma t e r i a l c o n t e n t ，w a t e r b i n d e r r a t i o o n t h e wo r k i n g p e r f o r ma n c e a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e u l t r a h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a r e r e s e a r c h e d Ba s e d o n t h e a b o v e s t u d y ，t h e e x p e ri me n t a l s t u d y o n p r e p a r a t i o n o f u l t r a h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b y z e o l i t e p o wd e r i s c a r r i e d o u t T h e r e s u l t s s h o w t h a t wh e n t h e c o n t e n t o f mi c r o s p h e r e a n d s i l i c a f u me a r e 2 2 a n d 8 s e p a r a t e l y t h e s y s t e m o f mi e ms p h e r e - s i l i c a f u me - e e me n t c o mp o s i t e a c h i e v e s t h e d e n s e s t p a c k i n g d e n s i t y W h e n t h e t o t a l a mo u n t o f c e me n t i t i o u s ma t e ri a l i s 7 0 0 k g m ， a n d t h e wa t e r c e me n t r a t i o i s 0 1 6 ，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c u r i n g f o r 6 0 d a n d 9 0 d a r e 1 4 6 5 MP a a n d 1 5 9 7 MP a r e s p e c t i v e l y Wh e n a d d i n g w i t h 4 z e o l i t e p o wd e r t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o n c r e t e c u ri n g f o r 6 0 d a n d 9 0 d a r e 1 3 6 7 MP a a n d 1 4 8 1 MP a r e s p e c t i v e l y wi t h a s ma l l e r d e c l i n e o f 4 7 a n d 6 0 c o mp a r e d w i t h c o n c r e t e wi t h o u t z e o l i t e p o w d e r At the s a l T l e t i me t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w tha t t h e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f c o n c r e t e a d d e d wi t h 4 z e o l i t e p o w d e r c u rin g f o r 3 d a n d 7 d a r e 9 1 p p m a n d 1 8 2 p p m r e s p e c t i v e l y r e d u c e d b y 2 1 6 a n d 1 1 7 t h a n c o n c ret e wi t h o u t z e o l i t e p o wd e r ， w h i c h s i g n i f i c a n t l y red u c e d t h e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ：Mi c r o s p h e r e ； Z e o l i t e p o w d e r ； U l t r a h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ； Co mp r e s s i v e s t r e n g t h ； Au t o g e n o u s s h ri n k a g e 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 1 1 1 8 0 5 0前 言 随着社会和科学技术的进步 ，一些高层大跨 、 有特殊功能要求的重要建筑不断 出现 ，如高层建 筑 、 大跨或超大跨径 的桥梁等 ， 要求混凝土必须朝 着有更高的强度 、 更好的耐久性 、 更优的可靠性方 向发展， 这些需求促成 了高强高性能混凝土乃至超 高强高性能混凝土的出现和发展口 - 2 。目前 ， 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 向之一3 。配制高强超高强混凝土 ， 最常用也最 现实的技术手段为 ：高强度等级高掺量水泥+ 高效 减水剂十 高效掺合料 ： 然而 ， 较高水泥用量和较低水 胶 比配制的高强混凝土水化温升高 、自收缩大 易 导致高强混凝土的开裂 。 严重制约了高强混凝土的 发展及工程应用 5 - 6 1 。为此 ， 设计配合比时必须在保 基金项 目： 中建股份科技资助( C S C E C 一 2 0 1 3 一 Z 一 3 1 ) 。 一 1 8一 持混凝土拌合物具有足够和易性 和力学性能 的前 提下 。 一方面 优化胶材粉体级配和提高胶材堆积 密度 ， 降低胶材总量和水 泥用量 ， 降低 混凝 土水化 温升 ： 另一 方 面 ， 掺 加对 混 凝 土 微 结 构 和宏 观性 能 影 响较 小 的 自养 护材 料 。改 善 混凝 土 内部 湿 度 变 化 。 降低混凝土的 自收缩。 由于矿物微粉粒径小于水泥颗粒粒径 ， 掺人后 能置 换一 部分 水 泥 。 填充 在水 泥及 其 水化 产 物 的微 小空隙里 ， 提 高水泥石的密实度 从而提高混凝土 的强度及其它性能。沸石粉是一种多孔结构材料 ， 自然状态下 ， 其 吸附大量的水分与空气 ； 在混凝土 拌合过程 中、 由于沸石粉的亲水作用 ， 水分迅速进 入沸石粉 内部 ， 原来的气体被排放到混凝土拌合物 中 ： 在混 凝 土 硬 化 过 程 中 ， 沸 石 粉 内部 吸 附 的水 分 又可逐渐排放 出来 ，以改善混凝土内部湿环境 ， 降 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王军 ， 程宝军 ， 贾丽莉 ， 等 超高强高性能混凝土的配制研究 低 混 凝土 的 自收缩嘲 。 本文并通过调整不 同细度粉体的比例 ，优化胶 凝材料粉体最紧密堆积 并在此基础上系统研究 了 胶材用量和水胶比对混凝土工作性能和抗压强度的 影 响：同时开展了多孔粉体材料沸石粉配制超 高强混凝土的试验研究 。以期为超高强高性能混凝 土配制及沸石粉在超高强高性能混凝土 中的应用提 供借鉴。 1 原 材料 和试 验 方法 1 1 原 材 料 1 1 1 水 泥 、 粉煤 灰与 硅灰 试验 采用 水 泥为湖 北某 水 泥厂生 产 的 P 5 2 5级水泥 ， 其基本性能如表 1 所示 ； 微珠为天津某 新材料科技有限公司生产 ：矿粉为湖北武新 $ 9 5矿 粉 ； 硅灰为艾肯硅灰 ； 沸石粉为湖北鄂州生产 ， 其基 本性能指标如表 2所示 ：水泥和矿物掺合料的粒径 分布如表 3所示 ， P 1 1 5 2 5级水泥 、 $ 9 5矿粉、沸石 粉 D 5 0 分 别 为 1 5 O 0 1 m、 1 6 O 0 1 L m、 1 6 1 9 t L m，细 度 相 近 ， 在本文中将它们视为 同一细度的粉体 ， 其 比例变 化视为不影响胶凝材料粉体的堆积密度 。 图 1 、图 2分别为微珠和沸石粉扫描电子显微 图片。 由图 1 可以看出， 微珠多为微小光滑的球体颗 粒 ； 由图 2可 知 ， 沸石 粉是 一种 多孔 结构 颗粒 。 1 1 2 集料 试 验采用湖南岳 阳河砂 ， 细度模数 2 7 ， 泥块 含量 0 ， 含泥量 0 8 ， 表观密度 2 6 2 0 k g m ， 堆积密度 1 5 3 0 k g m 。 ；采用 重 庆卵 碎 石 ， 5 1 6 mm全 级 配 碎石 ， 泥块含量 0， 含泥量 0 5 ， 压碎值 3 0 ， 针片状 颗 粒含量 4 ， 表观密度 2 6 7 0 k g m ， 堆积密度 1 5 5 0 k m 3 。 1 1 3 外加 剂 高效减水 剂选用 聚羧 酸高效减水剂 。固含量 2 5 ， 减水率 2 8 。 1 2 试验方法 1 2 1 原材 料粒 径分 布测 试 采用 L S C ( I I I ) 型干湿二合一激光粒度仪测试 水泥和矿物掺合料的粒径分布。 1 2 2 压 实体堆 积 密度测 试 本试验采用机械压力法制备复合水泥干粉压 实体 7 - 8 。 并测试压实体空隙率来反映初始颗粒 的堆 积情 况 。 1 2 _ 3 新 拌混凝 土 工作性 能 按照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 进行测试 ； 采用简易粘度计法( 用 倒置 的坍落 度筒 测 定混 凝 土 的排 空 时间 ) 检 i 见 4 混 凝 土粘 聚性 ： 同时按照 J G 】 仃 2 8 3 -2 0 1 2 自密实混凝 土应用技术规程 中 U型箱法检测混凝土的 自密实 效果 。 1 2 4 混 凝土抗 压 强度测 试 混凝土强度试验按照 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 。本文混凝土 试件 尺 寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 1 0 0 m m。 1 2 5 混凝土 自收缩测试 按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能 表 1 水泥 的基本性能 原材 料 密度 ( g ， c m ) 比表, ( m 2 k g ) 需水比 流动度比 S i O 2 含量 2 8 d 抗 压强 度 M P a 2 8 d抗 压强度 比 一 1 9 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 王军， 程宝军 ， 贾丽莉 ， 等 超高强高性能混凝土的配制研究 着水胶 比的降低 ，混凝土外加剂掺量大幅增加 ， 混 凝土坍落扩展度逐渐降低 、 倒筒时间逐渐增加。 同时 。还 可 看 出 。当水 胶 比在 0 2 O 0 1 6范 围 时 ， 随着水胶 比降低 ， 混凝土 的抗压强度呈增加趋 势 ； 当水胶 比由 0 1 6降低至 0 1 4时 ， 超高强混凝土 抗压 强度没有继续增加 ，反而在一定程度上降低 了。当水胶 比由 0 2 0降至 0 1 8时 ，超高强混凝土 6 0 d和 9 0 d抗压 强度分别增 加 4 7 MP a和 7 7 MP a ： 当水胶 比由 O 1 8降至 0 1 6时 ，超 高强混凝 土 6 0 d 和 9 0 d抗压强度分别增加 8 2 MP a和 1 2 6 MP a ： 当水 胶 比由 0 1 6降至 0 1 4时 超高强混凝土 6 0 d和 9 0 d 抗压强度分别降低 3 1 MP a和 4 0 MP a 。当胶凝材料 总量 7 0 0 k g m 。 、水胶 比O 1 6时 ，超高强混凝土 6 0 d 和 9 0 d抗 压强 度分 别 为 1 4 6 5 MP a和 1 5 9 7 MP a 。 4沸 石粉 配制 超 高强混 凝 土 4 1 沸石粉掺量对混凝土工作性能和抗压强度 的 影 响 沸石粉超高强混凝土配合 比及混凝 土工作性 能 和抗 压 强度 分 别 如表 8和表 9所 示 。可 以看 出 ， 随着沸石粉取代矿粉质量的增加 ， 混凝 土坍落扩展 度呈降低趋势 ， 倒筒时间呈增加趋势 。由于沸石粉 的蓄水作用 ， 导致相 同水胶 比下混凝土拌合物需水 量增加 ， 混凝土工作性能降低9 1 。 同时 ， 分析表 6和表 7 ， 当沸石粉掺量为 4 时 ， 混 凝 土 6 0 d和 9 0 d抗 压 强 度 分 别 为 1 3 6 7 MP a 、 1 4 8 1 MP a ， 同比抗压强度分别 降低 4 7 和 6 O ， 抗 压强度降幅较小 ；当沸石粉掺量为 6 时 ，混凝土 6 0 d和 9 0 d抗压 强度 分别 为 1 2 8 9 MP a 、 1 3 5 8 MP a ， 同比分别降低 1 0 2 和 1 5 0 ， 降幅较高。 4 2 沸石粉掺量对混凝土 自收缩性能的影响 图 4显示 沸 石 粉超 高 强混 凝 土 自收 缩 的规 律 。 可以看 出 。 未掺沸石粉时 ， 混凝 土 3 d和 7 d自收缩 值分别为万分之 1 1 6和万分之 2 0 6 ： 沸石粉掺量为 4 时， 混凝土 3 d和 7 d自收缩值分别为万分之 0 9 1 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 l l 期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 1 期 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 l U 龄 期， d 图 4 沸石粉超高强混凝土的 自收缩 和万分之 1 8 2 ： 沸石粉掺量为 6 时 。 混凝土 3 d和 7 d自收缩值分别为万分之 0 5 3和万分之 1 5 1 。由 于沸石粉孔穴内部的电场和极性作用 ， 使沸石粉具 有较高吸附容量 的特点嘲 ； 水是极性很强的分子 ， 故 在混凝土拌合过程中很容易被沸石粉吸收 、 随着水 化龄期的延长 被沸石粉吸收的水会不断释放出来 补充混凝土内部的毛细管水 。 改善混凝土 内部毛细 管水分和相对湿度 ， 降低 毛细管负压 ， 从 而降低混 凝土的 自收缩。 同时 当沸石粉掺量为 4 时 。 混凝 土的 3 d和 7 d自收缩分别降低 了约 2 1 6 和 1 1 7 ；当沸石粉 掺量为 6 时 。混凝土 3 d和 7 d自收缩分别降低 了 约 5 4 3 和 2 6 7 。可见 ， 沸石粉可以降低超高强混 凝土的自收缩 。 这种降低作用在早期尤为明显。 5结论 ( 1 ) 在硅灰一 微珠一 水泥三元粉体 中， 微珠 和硅 灰总掺量 3 0 、 硅灰掺量在 0 1 0 范围内 ， 随着掺 量 的增加 ， 复合粉体空隙率呈现先降低后增长 的趋 势 ： 硅灰掺量为 8 时 ， 复合粉体的压实体空隙率达 到最低 ， 堆积密实度最大。 ( 2 ) 在砂石 骨料用量 1 7 3 0 k m3 砂率 4 0 和水 胶 比 0 2 0的相 同条件下 。胶材总量在 6 0 0 一 l O 0 0 k g m a 范 围时 。 随着胶材总量 的增加 ， 混凝土工作性能 逐渐提高 ，抗压强度呈现先增加后降低的变化规 律 ： 胶凝材料用量在 6 5 0 7 5 0 k g m 范围时 ， 混凝土 工作性能和抗压强度较优 。 一 2 2一 ( 3 ) 当砂石骨料总量 1 7 3 0 k g m 、 砂率 4 0 、 胶 材总量 7 0 0 k m 3 , 水胶比在 0 2 0 0 1 4范围时 。 随着 水胶 比的降低 ， 混凝土的抗压强度呈现先增加后降 低趋势 ： 当水胶 比为 0 1 6时 ， 混凝土强度最高 ， 6 0 d 和 9 0 d抗压 强度 分别为 1 4 6 5 MP a和 1 5 9 7 MP a 。 ( 4 ) 当胶凝材料总量 7 0 0 k m3 , 水胶为 0 1 6时， 掺 4 沸 石 粉 混 凝 土 比不 掺 沸 石 粉 混 凝 土 6 0 d和 9 0 d抗压强度分别降低约 4 7 和 6 0 ，降幅较小 ； 3 d和 7 d自收缩值分别降低约 2 1 6 和 1 1 7 ， 降低 自收缩 效果 明显 。 参考文献 ： 1 】Mi c h a e l S e h mi d t U l t r a - h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e - h i g h t e c h ma t e r i a l o f t h e f u t u r e J B e t o n w e r k + F e r t i g t e i l ， 2 0 0 4 ， 7 0 ( 2 ) ： 9 0 91 【 2 P c A i t c i n C e m e n t o f y e s t e r d a y a n d t o d a y ，c o n c r e t e o f t o m o n 0 w J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 6 ) ：1 3 4 9 1 3 5 9 3 】 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 o 8 ( 2 ) ： 1 - 5 f 4 s R a h ma n ， T Mo l y n e a u x ， I P a t n a i k u n 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 e r 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 t r a l i a n J o u rna l of 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 0 【 5 】 万朝均 高强超 高强高性能混 凝土配合 比设计经验探 讨 f J 1 混凝 土， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 4 1 4 3 【 6 徐根洪 天然沸石粉作为混凝 土掺合料 的作 用机 理 J 西 部探矿工程， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 1 6 4 1 6 5 【 7 】 沈业 青 水泥压 实体结构 的评 价与其硬化 体的孔结 构及 性能【 D 】 南京： 南京工业大学， 2 0 1 0 8 】 杨文， 程宝军， 刘小琴 微珠 对水泥基胶凝材料 性能的影 响研究 J 1 混凝土， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 1 0 9 1 1 1 【 9 】 刑锋， 冯乃谦 掺天然 沸石粉水 泥及其 混凝 土的性质 J 低温建筑技术， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 3 - 5 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 3 0 通 讯 作 者 ： 程 宝 军 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕 士 。 通讯地址 ： 湖北省武汉市洪 山区珞狮南路 2 4 8号技术 中 心办公楼 2 1 7室 联 系 电话 ： 1 3 6 5 9 8 5 4 9 1 1 E -ma i l ： p 2 0 0 4 0 1 1 01 1 1 6 3 c o m O 3 2 2 l 1 1 gd d 、 褂姆 皿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m