不同掺合料对高性能混凝土工作性能影响的试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第 1期 (总 第 2 6 7 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助 物料 M ATE RI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 1 0 1 8 不同掺合料对高性能混凝土工作性能影响的试验研究 李清富。薛延信。张海洋 ( 郑州大学 水利与环境学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 通过在 C 5 0 高性能混凝土中以等量取代水泥用量的方法单掺粉煤灰 、 硅粉， 双掺粉煤灰硅粉及同时掺粉煤灰、 硅粉和聚丙烯纤 维 ， 研究了不同掺合料及不同掺量对 H P C拌合物工作性的影响。 结果表明： 在高性能混凝土中加入粉煤灰， 能使混凝土具有更好的工作性 能， 使拌合物黏聚陛和可塑性提高； 在 6 硅粉掺量内， 硅粉的加入提高了高性能混凝土的工作性能， 但随着掺量进一步增大后， 硅粉高性 能混凝土的流动性将降低 ， 稠度增大， 整体工作性能降低， 需要提高高性能减水剂的用量； 双掺粉煤灰和硅粉后， 粉煤灰高性能混凝土的 工作性能随着硅粉掺量的增加而呈降低趋势； 聚丙烯纤维对高性能混凝土的工作性能影响不明显 ， 但聚丙烯纤维的掺入 ， 提高了混凝土 黏聚性， 能抑制拌合物的离析和泌水。 关键词 ： 掺合料 ；高性能混凝土 ；拌合物 ；工作性能 ；聚丙烯纤维 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 5 8 0 4 Exp er i men t al s t ud y of t he e ffe c t On t he p er f or m a n c e of HP C w it h differ en t mi x t ur e L I Q i n g - f u ， XU E Y a n - x i n ， Z HAN GH a i - y a n g ( C o l l e g e o f Wa t e r Co n s e r v a n c y a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o uU n i v e r s it y ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： S t u d i e s t h e i n fl ue n c e s o f p e r f o r ma n c e o fHP C wi t h d i ffe r e n t a d mi x tur e a n d di f f e r e n t c o n t e n t b y e q u i v a l e n t r e p l a c e me n t o fc e me n t b y s i n g l e fly a s ho r s i l i c af u m e 、 d o u b l e mi x t u r e wim fl y a s han d s i l i c af ume、 t r i p l e d o p e dwit hfl y a s h、 s i l i c af ume a n dp o l y pr o p y l e nefib e r Th e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p e r f o r manc e o f h i gh- p e r f o r ma n c e c o n c r e t e i s i mp r o v e d ， me a n wh i l e ， t h e c o h e s i v e n e s s a n d p l a s t i c it y i s a l s o r e f o r me d b y a d d i n g fl y a s h i n t o t h e HPC T h e p e r f o rm a n c e o f HP C i s i mp r o v e d wi t h t h e a d d i t i o n o f s i l i c a f u me wh e n t h e c o n t e n t o fs i l i c a f u me i s l e s s t h a n 6 Ho we v e r wi t h t h e h e r i n c r e a s e o f t h e s i l i c a fume d o s a g e， t h e c o n s i s t e n c y o f HP C i n c r e a s e d wh i l e t h e l i q u i d i t y a nd t h e o v e r a l l p e rfo rm a n c e de g r a d e d I n t h i s c o n d i t i o n i t i S o fn e c e s s i t y t O i n c r e a s e t h e a mo u n t o fs u p e r - p l a s t i c i z e r T h e p e r f o rm a n c e o f HP C wh i c h i S a d d e d wi t h fl y a s h i S d e c r e a s e d wi t h i n c r e a s e o f s i l i c a f u me a d d e d t o HP CTh e pe r f o rm a n c e o fHPC i s n o t s e n s i t i v e t o t h e s i n g l e d o p e d po l y p r o p y l e n e fi be r ， Bu t i t s c o h e s ive n e s s C an b e i mp r o v e d s i g n i fic an t l y， m e an wh i l e， the i s o l a t i o n a n d bl e e d i n g o f t h e m i x t u r e C an b e b e t t e r i n h i b i t e d Ke y wor ds ： a d mi x t ur e s ； hi g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e； mi x tur e ； p e rfo r ma n c e； po l y p r o p y l e n e fi b e r 0 引 言 普通混凝土拌合物的工作性包括流动性、 黏聚l生和保水性， 通常用坍落度法和维勃稠度仪来评定混凝土的流动性， 而黏聚 性和保水性采用目测观察的方法来评价。 这种评价方法既简单 又便于现场操作， 对于普通混凝土非常适用。 HP C由于采用了高 性能减水剂和矿物掺合料， 使得拌合物具有很大的流动性 ， 坍落 度值一般超过 2 0 c m， 拌合物的黏性也很大 ， 变形需要的时间比 普通混凝土要长。 对于不同配合比的混凝土， 即使坍落度值相同， 其坍落速度往往呈现较大的差别【 l_ 。 高性能混凝土的工作性， 既 包括普通混凝土的工作性指标 ， 还包括填充性 、 可泵性和稳定 性等口 。 所以用单一坍落度值不能全面地反映 H P C的工作性。 高性能混凝土拌合物是介于弹性 、 塑性和黏性之间， 其流 变特性与宾汉姆体近似 3 。 需用屈服剪切应力和塑性黏度两个 参数来表达其流变特性 ， 而在实际工程中， 高性能混凝土的工 作性常用变形能力和变形速度两个指标来评价H 。 许多学者提 出了一些评价高性能混凝土工作性的建议方法嘲 ， 其中包括坍 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 7 1 6 基金项目： 河南省交通运输厅科技计划项目( 2 0 0 9 P 2 2 8 ) 58 落度与坍落度流动度、 v型漏斗试验、 u形填充性试验 、 O r i me t 试验 、 J 环试验和L形流动仪试验M等。 本文采用坍落度与扩 展度试验方法， 研究不同掺合料及掺量对高性能混凝土工作性 的影响。 1 试验概述 1 1 试验 方案 H P C的配合比设计采用陈建奎等提出的全计算法5 。 该方 法首先建立普遍适用的混凝土体积模型， 经科学推导求得 H P C 用水量和砂率计算公式， 再结合传统的水胶比定则 ， 即可全面 定量地确定混凝土各组成材料用量。 然后进行试拌 ， 再进行微调 ， 最后确定 C 5 0 高性能混凝土的具体材料用量。 在此基准配合比 上， 选取 4 种粉煤灰掺量 ： ( 1 0 ， 1 5 ， 2 0 ， 2 5 ) ， 4种硅灰掺量 ： ( 3 ， 6 ， 9 ， 1 2 ) ， 4种聚丙烯纤维掺量 ： ( 0 5 ， 0 7 ， 0 9 ， 1 1 k g m3 ) 来进行试验 ， 试验方案见表 l 。 1 2 试验材料 水泥采用河南孟电P O4 2 5 级水泥， 比表面积为3 7 4 m2 k g ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 混凝 土各材料用量 2 8 d平均抗压强度为 4 7 5 MP a ； 粉煤灰采用山西长治易天粉煤 灰有限公司生产的 I 级粉煤灰， 需水比为 9 2 ， 烧失量为2 1 5 ； 硅粉的S i O ： 含量为9 2 ； 水为饮用水； 细集料为中粗河砂， 表观密 度为2 6 1 9 g c m3 , 含泥量为 1 O ， 细度模数为2 8 2 ， 颗粒级配满足 二区要求； 粗集料为石灰岩碎石， 颗粒级配符合 4 7 5 1 9 5 mm的 连续级配， 最大粒径为 2 0 mm， 其中粒径为 4 7 5 9 5 1T U T I 的碎 石占 3 0 ， 粒径为 9 5 1 9 5 mm的碎石占 7 0 ； 聚丙烯纤维采 用江苏丹阳合成纤维厂生产的“ C X” 系列“ 丹强丝” ； 高效减水 剂为山西黄河新型化工有限公司生产的 H J S X A聚羧酸高效 减水剂， 减水率为 2 2 0 。 1 3 坍 落度和扩展度试验方法 用坍落度方法评价高性能混凝土工作性时， 一般除了测量 下坍高度， 还要测量下坍扩展度， 即拌合物坍落度稳定时所铺 展的直径。 坍落度指标反映拌合物的流变性能， 扩展度指标反映 拌合物的稠度性能。 从坍落度扩展的过程中还可以判断混凝土 的抗离析能力。 扩展度量化了混凝土在自重作用下克服屈服应 力、 黏度和摩擦后的流动状态， 扩展度越接近圆形则表明拌合 物均质， 变形能力良好。 坍落度和扩展度试验是 用标准坍落度圆 锥筒测定， 该筒为钢皮 制成， 高度 H = 3 0 0 n l n q ， 上口直径 d = 1 0 0 r n lT l ， 下底直径D = 2 0 0 m l n 。 试验时， 将坍落度筒置于平板上 ， 然后将混凝土拌合物分三层 装入筒内， 每层用弹头棒均匀地捣 2 5 次。 多余试样用镘刀刮平 ， 然后垂直提起坍落度筒， 将坍落度筒与混合料并排放于平板上， 测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高差即为新拌混 凝土坍落度 ， 用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小 直径， 在这两个直径之差小于 5 0 m m的条件下， 其算术平均值 作为扩展度值。 本研究坍落度和扩展度试验结果见表 2 。 2 试验结果分析 2 1 粉煤灰对 HP C工作性能的影响 由表 2和图 1 可知， HP C中加入粉煤灰 ， 坍落度和扩展度都 增大了， 工作性能提高了。 随着粉煤灰掺量的增加 ， H P C的坍落 度和扩展度先增大后减小。 在 1 5 粉煤灰掺量时， 混凝土的坍落 表 2 H P C工作性能的试验结果 - 圜 ： 一 一 粉煤灰掺 量 ， 图1 不同粉煤灰：掺量对高性能混凝土工作性能的影响 度和扩展度达到最大。 坍落度与扩展度比值都小于 0 4 ， 说明粉 煤灰的掺人提高了混凝土的流动性能； 并且密度随着粉煤灰掺 量的增大呈增大趋势。 I 级粉煤灰的需水量比在 9 0 左右， 粉煤灰的加入， 相当于 增加了混凝土的用水量， 增大了混凝土的流变性能。 粉煤灰密度 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和粒径都比水泥的要小， 增加了混凝土中浆体的体积， 大量的 浆体填充集料的孔隙， 润滑了集料颗粒， 减少了集料流动时的 阻力， 使混凝土具有更好的黏聚 和可塑性。 并且粉煤灰主要是 由海绵玻璃体和铝硅酸盐玻璃微珠组成， 这些球形玻璃体表面 光滑， 在混凝土中能起到滚珠效应 ， 也能大大提高混凝土的流 动性 。 粉煤灰颗粒均匀分布在水泥颗粒之中， 防止了水泥颗粒 的黏聚， 使混凝土不离析泌水， 提高了混凝土的黏聚性和可泵 性。 粉煤灰掺量较大时， 坍落度和扩展度有减小的趋势。 因为粉 煤灰细度高于水泥， 比表面积较大， 掺量过多时， 则粉煤灰颗粒 大量增大， 会使颗粒的滚珠效应降低 ， 并且 由于其 自身比表面 积的增加使需水量增加， 使混凝土流动性降低， 稠度增大。 2 2 硅粉 对 HP C工作 性 能的影 响 由表 2和图2可知， 在硅粉小掺量情况下 ， HP C的坍落度和 扩展度都比基准配合 比s 1的有所增大。 随着硅粉掺量的变化 ， 高性能混凝土的坍落度减小不明显， 但扩展度先增大后减小。 坍落度与扩展度的比值是随着硅粉掺量的增加而增大 ， 9 和 1 2 硅粉掺量时新拌混凝土的坍落度与扩展度的比值分别达到 O 4 7和 0 5 3 ， 说明硅粉在一定掺量以后将降低混凝土的流动性 能。 硅粉 H P C的密度随着硅粉掺量的增大而增大。 硅粉的颗粒极小 ， 比表面积很大 ， 颗粒表面湿润需要大量 水分， 使得混凝土拌合物中的大量自由水被硅粉粒子所约束 ， 混 凝土很难有多余的水分溢出， 有利于阻止混凝土泌水， 提高混 凝土的黏聚性和保水性 。 在硅粉小掺量的情况下， 硅粉的颗粒 数 目相对较少 ， 颗粒的滚珠效应明显 ， 能提高混凝土的坍落度 和扩展度； 但在硅粉掺量大于 6 时， 硅粉颗粒大量增加， 不仅 使需水量变大 ， 而且降低了颗粒的滚珠效应， 导致了扩展度大 大降低。 从硅粉 HP C的工作性试验结果可以看出采用单一的 坍落度值是不能全面的反映混凝土的工作性能指标的， 坍落度 和扩展度相结合可以很好的反映混凝土流变性能。研究认为， 要保持硅粉混凝土流动性不变， 需要增加用水量或高性能减水 剂用量 1 2 - 1 4 】 。 因此 ， 为了保证硅粉 H P C的强度和良好的工作性， 在 HP C中掺入硅粉的同时必须加大高性能减水剂的掺量。 硅 灰掺量 ， 图 2 不 同硅粉掺量对高性 能混凝土工作性能的影响 2 3 双掺粉煤灰和硅粉对 H P C工作性能的影响 为了研究同时掺加粉煤灰和硅粉对 H P C工作性能的影 响， 本研究以掺 1 5 粉煤灰 H P c ( 配合比 S 3 ) 为基准， 变化硅粉 掺量， 得到了硅粉不同掺量时粉煤灰 H P C工作性能的变化情况。 由表 2和图 3可知， 随着硅粉掺量的增加 ， 粉煤灰 HP C的 坍落度减少的幅度很小， 扩展度减小明显。 和图2比较后， 在硅 粉相同掺量时， 双掺粉煤灰和硅粉的H P C的扩展度比单掺硅粉 的要大一点。 粉煤灰 H P C的坍落度与扩展度的比值是随着硅 粉掺量的增加而增大， 在 1 2 硅粉掺量时达到 0 4 8 ， 硅粉掺人 粉煤灰 HP C后使混凝土流动性能有所降低。 粉煤灰 H P C的密 度随着硅粉掺量的增大而增大。 6 0 粉煤灰和硅粉的总掺量越大， 则细小颗粒越多， 需水量将 增大， 并且颗粒的滚珠效应将降低 ， 导致流变性能降低， 稠度增 加。 由上节可知硅粉用量增加需要提高高性能减水剂用量 ， 但 这样会大大加速水泥早期的水化， 同时也加大了混凝土出现早 期裂缝的风险【 I5 。 由图2 、 3比较可知， 双掺粉煤灰和硅粉后相对 于单掺硅粉的 H P C提高了流变性能。 因为粉煤灰的需水量比 在 9 0 左右， 比硅粉的低得多； 另外粉煤灰颗粒粒径要比硅粉颗 粒的大一个数量级， 优化了颗粒级配， 提高了颗粒的滚珠效应。 。 一 。圜 、 硅灰掺 量 图 3 不同硅粉掺量对粉煤灰高性 能混凝土工作性能的影响 2 4 聚丙烯纤维对 HP C工作性能的影响 为了研究聚丙烯纤维对双掺粉煤灰和硅粉的 H P C工作性能 的影响， 本研究以掺 1 5 粉煤灰和6 硅粉的HP C ( 配合比S 1 1 ) 为基准， 变化纤维掺量 ， 得到了纤维不同掺量时双掺粉煤灰和 硅粉的H P C工作性能的变化情况。 由表 2和图4可知， 聚丙烯纤维的掺入对 H P C的坍落度和 扩展度影响效果不明显； 随着纤维掺量的增加， 坍落度和扩展 度总体上有降低的趋势。 但是聚丙烯纤维 HP C的坍落度与扩 展度的比值没有明显变化， 都在 0 4 左右， 表明工作性能良好。 聚丙烯纤维 H P C的密度随着纤维掺量的增大而减小， 因为纤维 的加入使混凝土的孔隙率增大。 混凝土中掺入聚丙烯纤维后， 由于聚丙烯纤维表面吸附了 一 定的水分， 相当于用水量减少了， 从而导致混凝土的坍落度 和扩展度有所降低 ， 使混凝土拌合物黏聚性增大， 但是有利于 抑制混凝土拌合物的离析( 大集料下沉) 和泌水( 层面出现析出 水) 的倾向， 使混凝土整体工作性得到改善口 6 - 1 9 。 纤维掺量 ( k g m ) 图 4 不同聚丙烯纤维掺量对高性能混凝土工作性能的影响 3结论 ( 1 ) 从试验过程和结果中可以得出， 坍落度和扩展度试验 方法操作简单， 具有很好的重复性 ， 能较好的评价 HP C的工作 性能。 ( 2 ) 在高性能混凝土中加人粉煤灰， 能使混凝土具有更好 的工作性能， 使拌合物黏聚性和可塑性提高。 ( 3 ) 在 6 硅粉掺量内， 硅粉的加入提高了高性能混凝土的 工作性能。 随着掺量进一步增大后， 硅粉高性能混凝土的流动性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将降低 ， 稠度增大， 整体工作性能降低， 需要提高高性能减水剂 的用量 。 ( 4 ) 双掺粉煤灰和硅粉后 ， 粉煤灰高性能混凝土的工作性 能随着硅粉掺量的增加而呈降低趋势。 ( 5 ) 聚丙烯纤维对高性能混凝土的工作性能影响不明显， 但聚丙烯纤维的掺入， 提高了混凝土黏聚性 ， 能抑制拌合物的 离析和泌水。 参 考文献 ： 1 】 王鹏轶 滨州黄河大桥高新能混凝土带 0 备与性能研究 D 】 长春： 吉林 大学， 2 0 0 7 【 2 吴中伟， 廉慧珍 商f生 能混凝土l M 】 E 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 ： 6 2 - 7 3 3 】黄大能， 沈威 新拌混凝土的结构和流变特征 M 】 E 京： 中国建筑工 业出版社， 1 9 8 3 【 4 杨静， 覃维祖， 吕剑锋 关于高性能混凝土工作性评价方法的研究 J J 工业建筑， 1 9 9 8 。 2 8 ( 4 ) ： 5 - 9 5 5 K OE H L E R E P ， F O WL E R D WS u m ma r y o f c o n c r e t e w o r k a b i l i t y t e s t m e t h o d s ： r e s e a r c h r e p o r t I C A R 一 1 0 5 1 ， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 1 - 6 6 6 J 覃维祖 高强与高性能混凝土工作度评价 J 】 混凝土， 1 9 9 7 ( 3 ) ： 3 - 9 7 7 C H O G H， D E L A R R AR D F T h e r h e o l o g y o f f r e s h h i g h p e rf o r m a n c e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 6 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 8 3 2 9 4 【 8 陈建奎， 王栋民 高性能混凝土配合比设计新法一全计算法 J 硅酸 盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 4 ) ： 1 9 4 1 9 8 上接第 5 4页 【 5 金雁南 混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理 J 1 _华东交通大学学 报， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 5 ) 6 梁咏宁 硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐蚀破坏的机理【 j 1 圭 酸盐学 报， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) 7 胡明玉碳硫硅钙石型硫酸盐腐蚀研究综述 J 1 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 6 ) 【 8 】 G B 7 4 9 6 5 ， 水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法【 S 北京 ： 中国标准出版 社 ， 1 9 6 6 9 G B T 2 4 2 0 - - 1 9 8 1 ， 水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法 s E 京 ： 中国 标准出版社， 1 9 8 1 1 0 G B T 7 4 9 -2 0 0 8 ， 水泥硫酸盐侵蚀试验方法 s E 京 ： 中国标准出版 社 ， 2 0 0 8 1 l l T h e A m e ri c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g a n d Ma t e ri a l s A S T M C 4 5 2 9 5 ， S t a n d a r d t e s t for p o t e n t i a l e x p a n s i o n o f Po rta n d c e me n t mo r t a r s e x p o s e d t o s u f a t e S A n m u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s ， 1 9 9 5 ， 4 ( 2 ) ： 2 2 0 2 2 1 1 2 T h e Am e ri c a n S o c i e t y f o r T e s ti n g a n d Ma t e ria l s AS T M C 1 O 】 2 9 5 ， S t a n d ard t e s t me t h o d for l e n g t h c h a n g e o f h y d r a u l i c - c e me n t mo rtars e x p o s e d t o a s u l f a t e s o l u t i o n S A n m u al B o o k o f AS T M S t a n d ard s ， 1 9 9 5 ， 4 ( 2 ) ： 4 5 _ 4 53 【 1 3 A C I 2 0 1 2 R - _ 0 8 ， A me ri c a n c o n c r e t e i n s t i t u t e s G u i d e t o D u r a b l e C o n c r e t e ， 2 0 0 8 【 1 4 】 乔宏霞 混凝土抗硫酸盐腐蚀，性的参数评价 J 粉煤灰综合利用 ， 2 o o 8 ( 5 ) 【 1 5 T I XI E R RMo d e l i n g o f d a m a g e i n c e me n t b a s e d me ri als s u b j e c t e d t o e x t e r n a l s u l p h a t e a t t a c k I I ： e o mp a r i s i o n w i t h e x p e ri m e n t s J J o u rnal o f a t e ri als i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ： 3 1 4 - 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