较好韧性的超高强混凝土的制备及性能.pdf

第 1 3卷第 3 期 2 0 1 0年 6月 建筑材料学报 J 0URNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 3，No 3 J u n ， 2 0 1 0 文章编号 ： 1 0 o 7 9 6 2 9 ( 2 O 1 O ) O 3 0 3 1 O O 5 较好韧性 的超高强混凝土的制备及性能 佘伟， 张云升， 张文华， 李 欣 ( 东 南大学 江苏省 土木工程 材料 重点 实验室 ， 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘 要 ：通过二 元 、 三元复合 工业废 渣 大掺 量取 代 水泥 ， 普 通砂 取代 磨 细石 英 砂 ， 掺 短 切 钢 纤维 等优 化 基体组 成 工艺制备 出了抗 压 、 抗折 强度 分别 为 2 2 0 ， 7 0 MP a的超 高 强混凝 土 ( UHS C ) ； 系统研 究 了矿物掺和料掺加 方式对 UHS C动 态力 学行 为的影响 规律； 通过压 汞分析 ( MI P) 、 扫描 电镜 ( S E M) 、 X射线能谱分析( E DAX) 、 X射线衍射分析( X R D) ， 研究了 UHS C的孔结构、 界面、 显微 结 构 和水化 产物 结果表 明 ： 复掺 矿物 掺和 料 改善 了 UHS C的界 面结 构 ， 促 进 了水化 产物 的 形成 ， 从 而提 高 了 UHS C的抗 冲击和 耐撞磨 性能 关键 词 ：超 高强混凝 土 ； 矿 物掺 和料 ； 韧性 ； 抗 冲 击 ；耐撞 磨 ；机理 中图分类 号 ： TQ 5 2 8 3 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 0 0 3 0 0 8 Pr e p a r a t i o n a n d Pe r f o r ma n c e o f Ul t r a - hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e wi t h SH E W e i， ZHAN G Yu n s h e n g， ZHA NG W e n h ua，LJ Xi n ( 1 J i a n g s u Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s Ke y La b o r a t o r y。 S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， Na n j i n g 2 1 1 1 8 9 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：A n e w t y p e 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 ( UHS C)wi t h c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 2 2 0 M P a a n d f l e x ur a l s t r e n gt h o f 7 0 M Pa wa s p r e p a r e d b y u t i l i z i n g c omp o s i t e mi ne r a l a d mi xt u r e s ， na t u r a l f i ne a gg r e ga t e s ， a n d s ho r t a nd f i ne s t e e l f i b e r s i n t he no r ma l s h a p i ng a n d c ur i ng c o nd i t i on The dy na m i c me c ha ni c a l b e h a v i o r of UH SC wi t h di f f e r e n t mi n e r a l c omp os i t i on we r e i nv e s t i g a t e d M e a n whi l e t h e po r e - s t r u c t ur e ， i n t e r f a c i a l z on e a n d hy dr a t i o n pr o d uc t s we r e i n v e s t i g a t e d b y me r c u r y i nt r us i o n p or os i m e t r y( M I P)， s c a nn i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ( S EM ) ， e n e r g y d i s p e r s i o n X r a y a n a l y s i s ( EDAX)a n d X r a y d i f f r a c t i o n ( XRD) Th e e x pe r i me n t a l r e s ul t s s ho w t h a t m i n e r a l a dmi x t ur e s c a n e f f e c t i v e l y op t i m i z e t he mi c r o - s t r u c t u r e o f I TZ a nd i m pr ov e t h e f o r ma t i o n o f C- S H g e l ， a n d c ons e qu e n t l y i mp r ov e t h e i mpa c t a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e Ke y wo r d s：U HSC；mi ne r al a d mi xt ur e；t o ug hn e s s；a nt i i m p a c t ；a br a s i o n r e s i s t a nc e；me c h a n i s m 超 高性 能混 凝 土是 一 种强 度 大 于 1 0 0 MP a ， 具 有 良好流 动性 能 、 力 学性 能和 耐久 性 能 的水 泥 基 复 合材 料 活 性 粉 末 混 凝 土 ( r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ， R P C ) 是超高性能水泥基材料中的代表， 由于 其具有超高强度 、 优异耐久性 、 良好工作性等特点 ， 在高层建筑 、 大跨 径 桥 梁 、 大型 隧 道 、 核 电 防护 以及 核废料处理 等工程 中具 有广 阔的应用前 景 2 目前 ， 由于 RP C普遍使 用磨 细石英 砂取代 普通 骨料 、 硅灰 掺量大、 价格昂贵以及特殊的成型和养护制度( 压力 成型和高温养护) 等限制 了其广泛使用 3 本文在 国外 R P C研究 的基 础上 ， 采用多 重复合 技术 和超 细 微粉技术 ， 用天然砂大掺量取代硅灰及磨细石英粉， 在标准养护条件下制备出了具有较好韧性的超高强 混凝土( UHS C ) ， 并通过落锤冲击试验和洛杉矶磨 耗法研究 了矿物掺和料掺加方式对 UHS C的抗 冲 击性能和耐撞 磨性能 的影响规 律 ， 通过压 汞分析 ( MI P) 、扫 描 电 镜 ( S E M ) 、X 射 线 能 谱 分 析 ( E D AX) 、 X射线衍射分析 ( x R D) ， 研究 了其孔结 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 2 8 ；修订 日期 ： 2 0 0 9 - 1 1 - 2 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( NS F 5 0 7 0 2 0 1 4 ) ； 国防基础科研“ 十一五” 项 目( A1 4 2 0 0 6 0 1 8 6 ) 第一作者 ： 佘伟 ( 1 9 8 5 一) ， 男， 江苏如皋人 ， 东南大学博士生 E - ma i l ： s w1 3 1 4 2 6 5 9 y a h o o c o rn c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 佘伟 ， 等 ： 较好韧性 的超高强混凝土的制备及性能 构 、 水化产 物和显微结 构 1 试 验 1 1 原材 料 南京江南小野田水泥厂 P5 2 5硅酸盐水 泥( C ) ； 上 海 埃 肯 国际 贸 易公 司生 产 硅 灰 ( S F ) ， 其 比表面积为 1 7 6 0 0 m k g ； 南京华能热电厂 I 级粉 煤 灰( F A) ， 其 比表面 积 为 3 1 0 m k g ；粒化 高 炉 矿 渣粉( S L ) ， 其比表面积为 4 3 6 m k g ；普通砂， 其细 度模数 为 2 5 ； 上海 贝尔卡特生 产 的特 细钢纤维 ， 长 度为 2 c m， 长径 比为 4 O：l ， 抗 拉强度 2 8 0 0 MP a ； 聚羧酸 类高效减 水剂 ， 其 减水率 4 0 ( 质量分数 ) ； 普通 自来水。 1 2 配合 比 通过矿物掺和料 的不同掺加方式 ， 制备了 6个 系列 的 UHS C， 试验 配合 比如表 1 所示 表 1 U I i S C基体配合比 T a b l e 1 Co mp o s i t i o n s o f UHS C ma t r i c e s M i x p r o p o r t i o n ( b y ma s s ) , Co de ， n w b C S F FA SL S u p e r p l a s t i c iz e r S t e e l f i b e r c o n t e n t ( b y v o l u me ) Ra t i o o f s a nd t O b i n d e r 1 3试验 方法 1 3 1 试件 制备 先将超 细混合 材 、 水 泥 、 砂 干拌 均匀 ， 然后 在 搅 拌 过程 中将 混合均 匀的水 和外加剂缓 慢倒 入搅拌 机 内 ， 湿拌 2 3 rai n 当混 合料进 入黏流状 态后 ， 均匀 撒入钢纤 维 ， 继续搅 拌 2 3 rai n后 ， 浇 筑 并振 动 3 O S 成 型 试件标 准 养护 1 d后 拆模 ， 在 ( 2 0 2 ) ， 相对湿度 大于 9 5 9 ， 6 的标 准养 护 室 中养护 2 8 d后 进 行性能测试 1 3 2 静 、 动态力学 性能 和微观性 能试验 抗压 、 抗 弯强度试 件 尺 寸为 4 0 mm4 0 mm 1 6 0 mm， 按 G B 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 水 泥胶 砂强度 检验 方 法 进行测试 ； 按 照 A C I 一 5 4 4委员 会 推荐 的 方法 ( 即 落锤 试验 ) 进 行抗 冲击试验 ； 参 考粗集 料磨 耗试验 方 法( 洛杉矶法 ) 进 行耐撞 磨 试 验 ； 从 试 件 中心部 位 取 出数 个 约 1 c m。的颗粒 ， 然 后浸 泡 在无 水 乙醇 中终 止其 水化 ， 经 烘干处 理后 进行 S E M ， MI P试验 ； 从 水泥净浆( 其配合比与水泥砂浆相同) 试件中取出约 1 c m。 的颗粒终 止水化， 经研 磨、 真 空干燥后进行 XR D试验 ； 采 用 荷 兰 F E I 生 产 的 S i r i o n场 发 射 扫 描 电镜 进 行 S E M 试 验 ； 采 用 美 国麦 克 公 司 生 产 的 Au t o P o r e 9 5 0 0压 汞仪 进 行 孔 结 构 试 验 ； 采 用 德 国 B r u k e r 公 司 生 产 的 D 8 一 AD VANC E D 型 X 射 线 衍 射仪进行 X R D试验 2 结果与分析 2 1抗压和 抗折强度 图 1为矿 物掺 和 料掺 加 方式 对 UHS C抗 压 和 抗折强 度 的影 响 由 图 1可 以看 出 ， 复 掺矿 物 掺 和 料以后 ， UHS C 2 8 d抗 压和抗折强度大大提高， 其 中三掺矿物掺和料试件 E 5的抗压 、 抗折强度分别 为 2 2 0 ， 7 0 MP a ， 比纯水 泥 试 件 E 1的抗 压 、 抗 折 强 度( 1 5 2 ， 4 7 MP a ) 分别提高了 4 4 ， 4 8 这是由于 硅灰作 为一种活 性微集料 掺人 UHS C后 ， 在 水泥 水 化早期 便与 C H 发生 火 山灰 反应 ， 降低 了水 化 产 物 C S _ H 中的钙硅 比 ， 从 而使 强度 提 高 另外 ， 多 元 复 合矿物掺和料使胶凝材料颗粒形成 良好的级配， 能 够相互 紧密填充 ， 有效降 低浆体 空隙率 ， 从 而改善 了 硬化浆 体的宏观 力学性 能 一 El E 2 E 3 E 4 E 5 E6 - I - - El E 2 E 3 E 4 E 5 E 6 图 1 矿物掺和料掺加方式对抗压 、 抗折强度 的影响 Fi g 1 Co mpr e s s i ve an d f l e x ur a l s t r e ngt h o f va r i ou s U HS C 7 7 7 7 7 7 0 O O 0 O O _ 5 5 5 5 5 2 2 2 2 2 o 0 0 0 O 2 3 1 0 O 0 2 l l O O 0 O O i 1 1 加 加 加 1 2 3 4 5 6 E E E E E E 加 = I I 口 暑 IE 】 j * 芝 皂 g 占 兰 砷 2 口 暑 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 3卷 2 2 抗 冲击性能 矿物 掺和料 掺加方式 对试件 初裂 冲击 次数 N。 ， 破 坏冲击 次 数 N 和 冲击 韧性 W 的影 响见 图 2 ， 3 由图 2 ， 3可 以看 出： ( 1 ) 不同配合 比试件的 N ， N 呈现相同变化规律 ， 而且掺矿物掺和料试件的 N ， N： 均 大 于 纯 水 泥 试 件 E 1 ， 其 中 E 2的 N。 ( 9 6 0 0 次) ， N。 ( 1 4 0 0 0次 ) 最 大 ， 比纯 水 泥试 件 E 1的 N ( 8 5 0 0 次) ， N2 ( 1 1 7 0 0次) 分别高出 1 3 ， 1 9 7 ( 2 ) 掺矿 物掺和料 试件 的 w 大予 纯水 泥试 件 E 1 ， 其 中三掺矿 物 掺 和料 试 件 E 5的 W 达 最 大 ( 9 1 2 k N m) ， 比纯水泥试件 E 1 ( 6 4 6 k N m) 大 4 1 ( 3 ) 掺矿物掺和料 3 O ( 质量分数) 时， 试件 E 2 ， E 3 ， E 4 的 为 E 2 E 3 E 4 ， 说 明增 韧效 果硅 灰 粉煤 灰 矿渣粉 图 2 矿物掺和料掺加方式对 Nl ， Nz的影 响 F i g 2 I mp a c t t i me s o f v a r i o u s UHS C 图 3 矿 物掺 和料掺加方式对 w 的影响 Fi g 3 I mpa c t t ou ghn e s s of v a r i o us U HS C 耐撞磨能力 ， Q越小 ， 说明其耐撞磨性能越好 图 4 为 矿物掺 和料 掺 加 方 式 对 Q 的 影 响 试 验 发 现 ， 撞 磨 次数小 于 3 0 0时 ， 试 件主要 表现 为表面砂 浆磨损 ， 撞 磨次数 大于 5 0 0时 ， 试件砂 浆和纤 维均 被磨损 ， 部 分纤维与砂浆脱黏 由图 4可以看 出： ( 1 ) 随着撞磨 次数的增加， UHS C的 Q越来越大 ( 2 ) 掺矿物掺和 料 的 UHS C的 Q在相 同撞 磨 次 数 下均 小 于 纯水 泥 试件 E 1 ， 说明掺矿物掺和料可提高 UHS C的耐撞 磨 性能 ， 而且 随着 撞 磨 次 数 的增 加 ， 提 高 幅 度 越 明 显 ， 如撞 磨 3 0 0 0次 后 ， E 2的 Q( 8 3 ) 最 小 ， 比纯 水 泥 E1的 Q( 1 5 0 ) 降低 了 4 5 ( 3 ) 掺矿物掺和料 3 O 时 ， 试 件 E 2 ， E 3 ， E 4的 Q为 E 4 E 3 E 2 ， 即提 高耐撞磨性能的大小顺序为硅灰粉煤灰矿渣， 这 与文 献E s 的研究 结果一 致 图 4 矿物掺和料掺加方式对 质量损失 的影响 Fi g 4 M a s s l o s e r a t e o f v ar i ou s UH S C i n i mpa c t a nd a br a s i o n t e s t 2 4微观分 析 2 4 1 UHS C的孔结 构 孑 L 隙是水 泥 基微 观 材料 的重要 组 成部 分 ， 总 孔 隙率 和孔径 分布对 材料 的宏观 力学性 能 和耐久性 有 极大 的影 响 表 2为 UHS C硬化 浆 体 的孔 径 分 布 由表 2可见 ， 复掺硅灰 、 粉煤粉和矿渣的混凝土体系 能有 效降低 水泥 石的孔 隙率 ， 细化孔 的结构 ， 与纯 水 泥试 件 E 1 相 比 ， 试件 E 3 ， E 5的孔隙率 降为 8 3 2 ， 2 3 耐撞磨 性能 5 3 4 Z， 平均 孔径分 别下 降到 1 4 5 ， 1 2 1 n m 同 时 ， 用li il 次后 的质量损失 Q( ) 来表征试件的 各级孔径分布也发生 了变化 ： z k 42 8 d后， 纯水泥 表 2 U H S C硬化浆体 的孔径分布 T a b l e 2 P o r e s iz e d i s t r i b u t i o n o f v a r i o u s UHS C ma t r i c e s 咖 咖 咖 咖 咖 咖 4 3 2 1 O 9 8 7 帕 暑 l 】 I 。 再 a若 一 ； 。 暑 圣 蹿等 j 0 ：冀 盘 旨一 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