超高强混凝土的制备及抗压强度影响因素研究.pdf

浙 江建 筑 ， 第 3 2卷 ， 第 8期 ， 2 0 1 5年 8月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 3 2，No 8，Au g 2 0 1 5 超 高强混凝土 的制备及抗压 强度影 响 因素研究 S t u d y o n t h e P r e p a r a t i o n o f a n d t h e I n f l u e n c i n g F a c t o r o f Co mp r e s s io n S t r e n g t h f o r t h e Ul t r a Hi g h St r e n g t h Co n c r e t e 尹 国英 YI N Gu o y i n g ( 辽宁城市建设职业技术学院 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 2 2 ) 摘要 ： 以硅酸盐水泥 和多种工业废渣 为胶凝体 系 ， 制 备出抗 压强度 大于 1 5 0MP a的混凝土。在前期优选 的配合 比之上 ， 掺加 砂子 、 钢纤维 、 粗集料等增强项 ， 系 统研 究砂 胶 比、 纤维 掺量 、 粗集 料 、 持 荷 时间对抗 压 强度 的影响 规律 。确 定最 终的砂 胶 比为 1 2 ： 1 。 纤维 掺量为 3 ， 选 定铁 矿石为粗集料 ， 并确定成型过程中的最佳持荷时间为 4 h 。 关麓词 ： 超高强混凝土 ； 制备方法 ； 抗压强度 ； 抗析 强度 ； 影 响因素 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 0 4 90 4 水 泥基 复合 材 料是 人类 社会 所采 用 的重要 建 筑 材料 之 一 ， 进入 2 1 世 纪 以来 ， 高强 、 超 高强 混 凝土 在 实际工程 中得 到了越来越 广泛 的应用 。高强混 凝 土对 减少 材料 用 量 、 节 约 资 源 和保 护 环 境 等 方 面 均具 有 重要 的意 义 ， 是混 凝 土发展 的必然 趋势 之 一 。 国内外广大科研人员在超高强混凝土方面作了大量 有益的探索 ， 取得 了许多宝贵 经验 ， 概 括起来 主要 有 ： ( 1 ) 使 用 高强度 等级 水泥 ， 如 4 2 5 、 5 2 5甚 至 6 2 5级硅酸盐水泥或高性能水泥 ； ( 2 ) 掺用活性的 超细掺合料 ， 如硅灰 、 偏高岭土、 超细矿渣 、 超细粉煤 灰等材料 。 ； ( 3 ) 使用优质高效减水剂 ， 其减水 率至少在 2 5 以上 ； ( 4 ) 水胶 比通常在 0 2 6以下； ( 5 ) 使用优质 高强粗集料 等 ， 以达 到尽 量降低水 胶 比之 目的 ， 从 而实 现更 高 的强 度 。 本文以硅酸盐水 泥和多种 工业废 渣为胶凝体 系 ， 以高 强 粗 细集 料 和 钢 纤 维 为增 强 项 ， 制 备 抗 压 强度大于 1 5 0 MP a ， 同时具 有 良好 流动 性能 、 力学 性 能 和 耐久 性 能 的 低 能耗 生 态 型 绿 色 环 保 建 筑 材 料。本文选 取硅灰 、 粉 煤灰 与 矿粉 做为 矿物 掺合 料 ， 系统 研 究 各 增 强 项 对 超 高 强 混 凝 土 抗 压 强 度 的影 响 。 1 实 验 1 1原材料 水泥 ： 江南小野田水泥厂 5 2 5级普通硅酸盐水 泥 ， 密度 为 3 1 3 g c m ， 比表 面积 为 3 5 0 m k g ， 初凝 时间 2 h 5 6 mi n ， 终凝 时 间 3 h 5 6 mi n 。实 测水 泥 3 d 抗 压强 度为 2 5 2 MP a ， 3 d抗折 强度 为 5 7 MP a ， 2 8 d 抗 压强 度为 5 3 MP a ， 2 8 d抗折 强度 为 7 2 MP a 。 硅灰 ： 海埃肯 国际贸易公司生产的硅灰 ， 密度为 2 3 g c m ， S i O ：含 量 为 9 5 4 ， 平 均 粒 径 为 0 1 Ix m， 比表 面积为 1 7 6 0 0 0 m k g 。 粉煤灰 ： 南京华能热 电厂生成 的低钙分选 I 级 灰 ( J G J 2 8 8 6) ， 比 表 面 积 为 3 6 1 m k g ， 密 度 为 2 8 2 g c m 。 矿粉 ： 南京江南水泥有限公司生产的矿渣 ， 密度 2 9 0 g c m ， 比表面积为 4 3 6 m k g 。水 泥、 粉煤灰 和矿粉 的 主要 化 学组成 见表 1 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 50 42 O 作 者简介 ： 尹国英( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 辽宁大连人 ， 高级 工程 师 ， 从 事建筑 材料研 究及检测工作 。 浙江建筑 2 0 1 5年第 3 2卷 表 1 水泥 、 粉煤灰和 矿粉 的主要化学组成单位： 细 集料 采用南 京 地 区河 沙 ， 细度 模 数 2 5 ， 含 泥 量 为 0 4 3 ， 表 观密 度为 2 6 3 0 g e m 。 粗集 料 采 用 南 京 地 区 产 玄 武 岩 、 铁 矿 石 、 钢 块 ( 粒 径 1 0 m m) 。 钢纤 维 选用 的是 由贝尔 卡 特生产 的镀 铜超 细钢 纤 维 ， 长 度 2 0 m m， 长 径 比 4 0： 1 ， 抗 拉 强 度 2 8 0 0 MPa 。 外加 剂 采用 江苏 苏博特 建筑 材料 有 限公 司生产 的 聚羧 酸高效 减水 剂 ， 固含 量 4 0 。 水 为普通 自来 水 。 1 2配 合 比 设 计 经 过前 期 的研究 分 析 工作 ， 确定 以下 最 优基 准 配合 比， 见表 2 。在优选的 E l至 E 6配 比中掺加砂 子 、 钢纤 维 、 粗 集料 等增 强项 ， 系 统研究 砂胶 比 、 纤 维 掺量 、 粗 集料 、 持荷 时 间对抗 压强 度 的影 响规律 。 表 2基准配合 比 试件编号 水 泥 硅灰 粉煤灰 矿粉 水胶 比 减水剂 E1 7 0 3 0 一 一0 1 7 2 5 E2 7 0 l 0 2 0 0 1 7 2 5 ( 1 ) 采 用 三 种 不 同 的砂 胶 比 ( 质 量 比 ) ， 1 ： 1 、 1 2 ： 1 、 1 5 ： 1 ， 分 别 对 6个 配 比进 行搅 拌 后 测量 流 动 性 ， 成 型并 养护 。 ( 2 ) 确定砂 胶 比后， 采用三种不 同的纤 维体积 含 量 ， 1 、 2 、 3 分 别对 6个 配 比进 行搅 拌后 测 量 流动 性 ， 成 型并 养护 。 ( 3 ) 确定砂胶 比和钢纤维体积含量后 ， 确定砂 石 比为 1 ： 1 ， 选用 三种 不 同种 类 的 粗集 料 ( 玄 武 岩 碎 石 、 铁矿石碎石 、 钢碎粒) ， 考虑到拌合物 的流动性 ， 纤维掺量采用 2 ， 分别对 6个 配 比进行搅 拌后测 量 流 动性 ， 成 型养护 。 1 3 制备 工 艺 ( 1 ) 按 照不 同 的配 比称 量 ， 将 水 泥 、 掺 合料 、 砂 、 石放 人搅 拌机 ， 搅拌 均匀 。 ( 2 ) 按 照上 述所 采用 的水 胶 比和 减 水 剂用 量 称 量水和减水 剂 的重 量 ， 一起倾 倒入搅 拌 机 中搅拌 2 mi no ( 3 ) 采 用 最 后 添 加 钢 纤 维 的方 法 ， 在 湿 拌 后 逐 渐撒人 纤 维 ， 使 纤维 均 匀分 布 ， 启 动搅 拌 机搅 拌 3 mi n； ( 4 ) 装入准备好的模具 ， 先手动插捣密实 ， 最后 采用振动密实的方法使试件进一步密实； ( 5 ) 采用高压成型时， 需要将原材料搅拌后 ， 装 入 自制 的高压 成 型模 具 中 ， 用 铁 棍 插 捣使 材 料 初 步 均匀 密实 并且 上表 面呈 平面 ， 放上 挤压 活塞 ， 然后 放 到压 力机 上 ， 分别进 行不 同压 力 和持荷 时 间成型 。 1 4 实验 方 法 考虑到超高强水泥基复合材料强度非常高 ， 因 此试 件采 用 4 0 m m 4 0 m m 1 6 0 m m 尺 寸 进 行 制 作， 试件到达养护龄期后先进行抗折试验 ， 将破坏后 试 件 在压力 机 上进行 抗 压试验 。由于 目前还 没有 关 于超高性能纤维增强水泥基复合材料 的国家标准 ， 因此具体的试验过程参照 普通混凝土力学性能试 验方法标准( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 。 2 试 验结果与分析 2 1砂胶 比 的影响 由 图 1可 知 E lE 6随 着 砂 胶 比 的增 加 ， 抗 压 强度均呈线下降趋势 ， 其 中 E 2 、 E 3 、 E 4的下降趋势 很 明显 。这 可 能是 由于 砂 的平 均 粒 径 较 大 ， 混 凝 土 内部会产生空隙， 降低体系的致密性 ， 从而导致强度 的降低 。此 外 ， 砂 胶 比的增 加 对 E 6几 乎 没有 影 响 。 尽 管 随着砂 胶 比的增 加 ， E 1一 E 6的抗 压 强度变 化 趋 势各不相同， 但是 E 1 和 E 6的抗压强度始终是最高 的 。但 考虑 到砂 掺量 的增 加可 以减 少胶凝 材料 的用 量 ， 进而降低制备成本 ， 同时结合前 期的流动性 试 验 ， 确 定最适 宜 的砂胶 比为 1 2 ： 1 。 砂胶 比 图 1 砂胶 比对 抗压强度的影响 5 5 5 5 2 2 2 2 7 7 7 7 ；l O O O O O O O O 2 4 3 l 一 一 m O O O 0 ；l O O O O 7 5 5 7 3 4 5 6 E E E E 重 骥 辖 第 8期 尹国英： 超高强混凝土的制备及抗压强度影响因素研究 5 1 2 2纤维体 积含 量 的影 响 在 E l E 6六组基 准配合 比的基础 上 ， 确定砂 胶 比均 为 1 2 ： 1 ， 研究不 同的纤维体 积含量 ( 1 、 2 、 3 ) 对抗 压 强 度 的影 响 ， 最 终 结 果 见 图 2 。 由 图 2可 知 ， 随 着 纤 维 体 积 分 量 的 逐 渐 增 加 ， E 1一E 6 的 2 8 d和 9 0 d抗 压 强度 都 呈 增 加 的趋 势 。 当纤 维 纤 维体积含 量 体积 分量 为 3 时 ， 配 合 比 E 1无 法 成 型 ； 2 8 d抗 压 强度 E 6最高 ， 达到 1 6 5 6 MP a ； 9 0 d抗压强度 E 5最 高 ， 达到 2 0 5 MP a 。考虑到 E 5配合 比中的水泥掺量 较低 ， 可 以降低 成 本 ， 因此 选 择 E 5为下 一 步 试 验 的 基准 配合 比。 图 2纤 维 体 积 分 量 对 抗压 强 度 的 影 响 纤 维体 积 率对 抗压 强 度 的影 响 规律 与普 通混 凝 土 有所 不 同 ， 通 常普 通 钢纤 维混 凝 土 的抗 压 强度 ， 因 在 受 力过 程 中纤 维 的 增 强 效 果 与 界 面 区 的疏 松 薄 弱 ， 正 、 负效 应 相抵 ， 故 在宏 观上 对 抗 压 强 度 几 乎 没 有 什 么影 响 。而对 钢 纤 维 高 强 混 凝 土 ， 尤 其 在 掺 人 硅灰、 粉煤灰、 矿粉等矿物掺合料后 ， 因界面 区强化 的原故 ， 钢 纤维 的增 强效 应 得 以发挥 ， 故抗 压 强度 也 有 明显 提高 ， 而 且 随着养 护 制度 的延 长 ， 二次 水化 效 应 发展 ， 三 掺配 比强 度后 期 大幅 上升 。 2 3粗 集料 的 影响 在 E 4 、 E 5两 组 基 准 配 合 比 的 基 础 上 ， 砂 胶 比 粗集料种 类 纤维体积含量 均为 1 2 ： 1 ， 纤维体积含量均为 3 ， 研究掺入不 同 粗集 料 对 抗压 强 度 的影 响 规 律 ， 最 终 结 果 见 图 3 。 由图 3可 知 ， E 4、 E 5掺 各 种 粗 集 料 9 0 d的抗 压 强 度均 大 于 2 8 d的抗 压 强 度 ； 掺 人 的 不 同粗 集 料 对 应试块的强度顺序是铁矿石 玄武 岩 钢块 。在 掺 不 同 粗 集 料 的 条 件 下 ， E 5的 抗 压 强 度 均 高 于 E 4， 说 明复合掺入方式 可 以发 挥三种 矿物掺合 料 间的协同增 强作用 ； 此外 ， 钢块 的 自身强度 虽高 ， 但 混 凝 土 的强 度 明 显 较 低 ， 这 是 因 为 钢 块 的表 面 形 貌 不 好 ， 颗 粒 比较 大 ， 在 混 凝 土 内 分 布 不 均 匀 ， 容 易 产 生 缺 陷 。 E5 玄武岩 图 3 粗集料总类对抗压强度的影响 铁矿石 钢块 粗集料种类 日 龟 嚼趟辖 0 暖趟 口 舳加 加0 酋苣 骥蹬 口 0 骥 5 2 浙江建筑 2 0 1 5年第 3 2卷 2 4压 力成 型持荷 时间的 影响 该 实验 选 取 配 合 比 E 5 ， 水 胶 比 0 1 7 ， 砂 胶 比 1 2 ： I ， 纤 维体 积含 量 3 ， 粗集 料 为 51 0 mm 的铁 矿石 ， 压 力荷 载 为 6 0 MP a ； 压 力 成 型 后 试 件 标 准 养 护 1 d ， 然后拆模在 9 0 C的热水 中养 护。图 4描述 了压 力 成型过 程 中的持 荷 时 间对 抗 压 强度 的影 响 。 通过分析对 比可知 ， 经过 9 0 热水 养护后 ， 随着持 荷增加 ， 试块的抗压强度明显的上升 ； 当持荷时间超 过 4 h后 ， 抗压 强度 趋 于平稳 ( 2 2 0 MP a 左 右 ) 。 图 4持荷时 间对抗压强度的影 响 实验 结果 表 明 ， 采 用 压 力成 型 的方 法 可 明显 改 善 试块 的抗 压强 度 ， 这 是 由于 压力 成 型 使 得 浆 体 材 料与粗集料之间紧密粘结， 排挤出多余 的 自由水和 气泡。降低的实际水胶 比， 有效地削弱 了由于粗集 料 加 入所带 来 的 明显 的 界 面效 应 ， 而且 最 优 持 荷 时 间为 4 h 3 结 语 ( 1 ) 随着砂胶比的增加， 试块的抗压强度不断降 低， 综合经济因素与流动性试验 ， 确定了三种矿物掺合 料的掺人方式下可选 的最适宜的砂胶 比为 1 2 ： 1 。 ( 2 ) 纤维体积掺量越大 ， 试块 的抗压拉强度不 断增 大 ， 结合 成型 ， 确定 3 的纤 维掺 量 。 ( 3 ) 通过对 比玄武 岩 、 铁 矿石 、 钢块 这三 种粗集 料 的掺人对试块抗压度的影响， 选定铁矿石为粗集料。 ( 4 ) 通过分析改变压力成型过程中的持荷时间 对试块抗压强度 的影响 ， 发现其抗压 强度开始 ( 4 h 以内) 随持荷时间的增加而增加 ， 然后趋 于稳定 ， 且 抗压 强度 高达 2 2 0 MP a 。 参 考 文 献 1 R u s s e l l H GA C I d e fi n e s h i g h - p e rf o r ma n c e c o n c r e t e J C o n - c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 65 7 2 R o s s i P ，A r c a A，P a r a n t E， e t a 1 B e n d i n g a n d c o mp r e s s i v e b e h a v i o u r s o f a n e w c e m e n t c o m p o s i t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 )： 2 73 3 3 Y a z i e i HT h e e ff e c t o f c u ri n g c o n d i t io n s o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 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 wi t h h i g h v o l u me mi n e r a l a d mi x t u r e s J B u i l d i n g a n d e n v i r o n m e n t ， 2 0 0 7， 4 2 ( 5 ) ： 2 0 8 32 0 8 9 4 Mo r i n V，T e n o u d j i F C，F e y l e s s o u fi A，e t a 1 S u p e r p l a s t i c i z e r e ffe c t s o n s e t t i n g a n d s t r u c t u r a t i o n me c h a n i s ms o f 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 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 1 ， 3 1 ( 1 ) ： 6 37 1 5 B e s h r H， A l m u s a l l a m A A，Ma s l e h u d d i n ME f f e c t o f c o a r s e a g g r e g a t e q u a l i t y o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h s t ren g t h C O I l c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 3 ， 1 7( 2 )： 9 7 103 浙江建筑 网站更改启事 自2 0 1 3年 2月份起 ， 浙江建筑 杂志社新 网址改为 h t t p ： w w w z j j s c o m c n z j j z q k ， 原 网址 已停用 ， 特此敬告读者 。 B d 馘慧