高性能混凝土的影响因素研究.pdf

2 0 1 5年 第 2期 (总 第 3 0 4 期) Nu mb e r 2 in 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED CoNCRETE d o i ： 1 0 3 9 6 9 1 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 2 0 2 6 高性能混凝土 的影响 因素研 究 王军委 ，李秋义 ， 齐秀山 ， 岳公冰 ( 1 蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ； 2 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 现代建筑工程对混凝土的要求 日益提高， 促进了高性能混凝 土的发展。 采用正交试 验， 探究 了砂胶 比、 水胶比、 硅灰掺 量、 钢纤维掺量以及砂粒径范围对高性能混凝土的影响。 结果表明 ， 随砂胶 比的增大 ， 高性能混凝土流动度减小 ， 抗折、 抗压强度 均先增大后减小 ； 随水胶 比的增大， 流动度增大， 抗折 、 抗压强度都是先增加后降低 ； 随硅灰掺量的增大 ， 流动度及抗折、 抗压强度 都先增大后减小 ； 随钢纤维掺量增大 ， 流动度减小 ， 抗折 、 抗压强度增加到一定程度后变化不大； 砂粒径范围对流动度影响明显 ， 对高性能混凝土后期强度影响不大。 关键词： 高性能混凝土； 砂胶 比； 水胶 比； 钢纤维 ； 流动度 中图分类号： T U 5 2 8 - 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) O 2 0 0 9 4 一 o 4 I nf l u enc e f ac t or s of hi gh per f or ma nce conc r et e WANG J u nwe i 。 ，L J Q ， Xi u s h a n ， YU E Go n g b i n g 。 ( 1 Co l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n Ce n t e r o f E n g i n e e r i n g Co n s t r u c t i o n a n d S a f e t y i n S h a n d o n g B l u e E c o n o mi c Zo n e ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3， Ch i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i ty， Qi n g d a t 2 6 6 0 3 3， C h i n a ) Abs t r a c t： Th e i n c r e a s i n g r e qu i r e me n t s f o r c o n c r e t e i n mod e m a r c hi t e c t u r a l e n g i n e e r i n g a c c e l e r a t e t h e d e ve l o pme n t o f h i g h p r e f o r ma n c e c o n c r e t e Ad o p t s o r t ho g on a l t e s t i n o r d e r t O e x p l o r e the e f f e c t t o h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e b y t h e s e a s pe c t s i n c l u d i n g s a n db i n d e r r a tio， wa t e rbi n d e r r a t i o t h e v o l u me p e r c e n t a g e o f s i l i c a f u me a n d s t e e l fib e r a s we l l a s t h e r a n g o f s a nd d i a me t e r Th e r e s u l t s h o ws， wi t h the i n c r e a s e of t he s a n db i n d e r r a t i o， t h e flu i d i t y o f HPC d e c r e a s e s whi l e the c o mp r e s s i v e s t r e n g th a n d f l e x u r a l s tre ng t h i n c r e a s e fir s t ， a n d t h e n d e c r e a s e： wi t h t h e i n c r e a s e o f wa t e rb i n d e r r a t i o the flu i d i t y o f HPC i n c r e a s e s wh i l e the s t r e n g t h fir s t i n c r e a s e s t h e n d e c r e a s e s ； wi t h t h e i n c r e a s e of the v o l u me p e r c e n t a g e of s i l i c a f u me， t h e flu i d i t y a n d s t r e n g t h f i r s t i n c r e a s e t h e n de c r e a s e； wi t h the i n c r e a s e o f the v o l u me p e r c e n ta ge o f s t e e l fib e r， t h e f l u i d i t y d e c r e a s e s wh i l e t h e s e n g t h c h a n g e l i t t l e wh e n r e a c h i n g t o the c r i tic a l p oi n t Th e r ang e o f s a n d d i a me t e r h a s a n o b v i o u s e f f e c t o n the flu i d i t y o f HP C b u t i t h a s 1 i tt l e i n flu e n c e o n the l o n gt e r m s e ng th o f HPC Key wor ds： hi g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e； s a n db i n d e r r a ti o； wa t e rbi n d e r r a t i o； s t e e l fi be r ； flu i d i t y 0 引 言 现代建筑施工方便快速 ， 结构强度大 ， 结构体系多样 ， 使用环境复杂多变 ， 建筑物呈现出了高层化 、 大跨化 、 轻量 化 、 地下化和使用环境严酷化等特点 ， 迫切要求在建筑 工 程 中应用的混凝土强度 E t 益提高 ， 耐久性 、 可靠性 、 流动性 良好 ， 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 ， 研究高性能的水泥基复合材料 已 相 当迫切。 因此 ， 研究和开发高性能混凝土具有极其 重要 的意义 ， 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 。 。 1 试 验 1 1 原材料 试验所采用原材料及其品质如下 ： 水泥 ： 普通硅酸盐水泥( P 0 5 2 5级) ； 硅灰 ： 山东六福微硅粉有限公司产 的硅灰 ； 钢纤维 ： 表面镀铜 ， 长为 1 3 mm， 直径为 0 2 m m； 减水剂 ： 聚羧酸系高效减水剂 ， 减水率为 2 5 ， 含 固量 2 0 ； 水 ： 普通 自来水 ， 符合 J G J 6 3 - _ 2 O 0 6 要求。 水泥 、 硅灰 的化学成分见表 1 。 表 1 水泥和硅灰掺合料 X R F分析结果 1 2试验 配 合 比 为最终得到砂胶 比 、 水胶 比、 硅灰 掺量 、 钢纤维掺 量 、 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 2 8 基金 项 目 ： 国家“ 十一 五” 科技支撑计划重点课题( 2 0 0 6 B A J 0 2 B 0 5 04 ) 94 砂粒径对高性能混凝土工作性能及力学性能 的影响 ， 采用 聚羧酸高效减水剂 ， 各组使 用量统 一为胶 凝材 料总量 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 ， 本试验利用正交试验法设计配合 比， 如表 2所示。 表 2混凝土配合比 注： 硅灰掺量和减水剂均为占胶凝材料的 比例， 钢纤维掺量为 体积掺量。 1 3试 验 方 法 根 据 G B T 2 4 1 9 -2 0 0 5 水 泥 胶 砂 流 动 度 测 定 方 法 的要求 ， 采用跳桌法测定新拌混合物 的流动度 ； 根据 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂 强度检验方法 ( I S O法 ) ， 将水泥胶砂试块标准养护至预定龄期 ， 测试 试件抗折强度 和抗压强度 。 2 试验 结果与分析 2 1试 验 结 果 根据规范要求制作高性能混凝 土试件 ， 在标准养护室 内分别养护 3 、 1 4 、 2 8 d取 出， 参照 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水 泥胶砂强度 检验 方法 ( I S O法 ) 进 行 ， 分 别测 试 试件 3 、 1 4 、 2 8 d的抗折强度和抗压强度 。 2 2试 验 分 析 五个因素 ( 砂胶 比 A、 水 胶 比 B、 硅灰掺 量 C、 钢纤维 掺量 D和砂粒径范 围 E ) 对混凝 土的流动度 、 2 8 d抗折强 度 、 2 8 d 抗压强度影响的直观极差分析见表 3 。 表 3各因素对 H P C影响的直观分析表 2 2 1 各影响因素对 H P C流动度 的影响 由表 3 可 以看出 ， 五个 因素对流 动度影响程 度 ： 水胶 比 钢纤维掺量 砂粒径范 围 硅灰掺量 砂胶 比。 胶凝材料能很好 的包裹骨料并填充其空 隙， 减小颗粒 之间的摩擦。 砂胶比大， 平均浆体厚度减小， 很难将骨料颗 粒完全隔离开来， 骨料之间的摩擦阻力 ， 影响浆体的流动， 所 以高性能混凝土的流动性变小。 水胶 比大 ， 即拌合物 中含 水量大 ， 一部 分水进行 水化 反应 ， 但大部分水是 以游离形式存在 ， 拌合物被稀释 ， 流动 度： 穴； 反之 ， 拌合物 的流动性差。 硅灰可 以提高流动度 ， 一方面硅灰 的表面被一层表面 活性物质所覆盖 ， 硅灰在水泥颗粒之 间产生 “ 滚珠 ” 作用 ， 使拌合物流动性增加 ； 另一方面硅灰 能够将水泥颗粒空隙 中的填充水置换 出来 ， 使之成为 自由水 ， 从而改善新拌 混 凝土的工作性 。 硅灰的活性高， 当掺量过大使浆体的黏 度： 噌加 ， 流动度降低。 钢纤维的长径 比大 ， 自身流动性较差 ， 比表面积大 ， 使 包裹骨料和钢纤维的水泥浆层变薄， 润滑作用减弱； 钢纤 维惨量大容易产生交叉搭接现象 ， 在拌合物 中形成网络结 构， 使高性能混凝土流动度明显降低。 砂 的比表面积小需水量 大 ， 不利于流 动性 ； 砂 的颗粒 大不容易悬浮在浆体中， 同样不利于流动性。 砂粒径范围 为 0 - 2 3 6和 0 3 - 2 3 6时， 小粒径砂 比例大 ， 砂整体 比表面 积大， 用于润滑砂浆表 面及填充空 隙的水 泥浆量增大 ， 砂 粒之间的接触几率高 ， 摩擦力增大 ， 流动性变差。 砂粒径范 围为 1 1 8 2 。 3 6时 ， 大粒径颗粒 比例大 ， 不能悬浮在浆体中 的砂粒多 ， 流动性差。 图 1 是五个因素对流动性 的影响分析图 ， 随着砂胶 比 和钢纤维掺量 的增 大 ， 流 动度呈下降趋势 ， 水胶 比对流动 度影响呈现正相关关系 ， 而随着硅灰掺量的增大流动度先 上升后下降 ， 存在最佳掺 量为 1 5 ， 砂 粒径范 围对流动度 影 响亦是如此 ， 粒径范 围最佳 为 0 6 2 3 6 。 2 2 2 各影响因素对 H P C抗折强度研究 由表 3可 以看出 ， 五个 因素 对抗 折强度影 响程度 ： 钢 纤维掺量 砂粒径范围 砂胶 比 水胶 比 硅灰掺量。 砂胶比对水泥胶砂试块 的抗折 强度 的影 响与拌合物 的密实程度有关 ， 砂胶 比小 ， 平均浆体厚度增加 ， 整个拌合 物连接为一个有效 的整体 ， 砂粒与浆体问的黏结力 大大增 加 ， 抗折强度 就会 明显增 大。 反之 ， 砂 胶 比大 ， 抗 折 强度 小。 但这并不意味着砂胶 比愈小抗 折强度 愈高 ， 在混凝土 中砂 、 石可 以起到很好的骨架作用 ， 并传递应力 ， 故砂胶 比 过小也会影 响抗折强度 。 水胶比小 ， 即用水量少 ， 没有多余 的游离水 ， 但拌合物 的黏性大 ， 在振捣过程 中不易振捣密实 ， 折断后 可 明显看 到断面处存在大量孔 洞， 这对截面 的削弱作用 非常 明显 ， 大大降低了抗折强度 ； 水 胶 比过大 ， 拌合物 中会 存在大量 多余的游离水 ， 在水泥硬化的过程 中多余的游离水逐渐蒸 发 ， 混凝土中存在大量气孔 ， 这些孔隙 的存在 ， 减少 了抵抗 荷载作用的有效面积 ， 降低了抗折强度。 硅灰可填充 于水泥浆体 的孔 隙问和水 泥颗粒 的空 隙 间， 微观上 ， 增加了商陛能混凝土的密实度 ， 从而提高了强度， 这就是硅灰的“ 填充效应” 。 此外 ， 硅灰的火山灰效应可以将对 强度不利的氢氧化钙转化成 C S - H凝胶 ， 并填充在水泥水化 产物之问， 有力地促进了强度的增长。 颗粒最紧密堆积时， 相 对密度达到了最大值。 而硅灰掺量进一步增大时， 由于硅灰的 比表面积大 ， 多余的硅灰表面会吸附大量水分 ， 导致需水量增 尢 水化反应多余部分的水分存在于 昆 凝土密闭孔隙中， 从而 9S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 砂胶 比 ( a ) 钢纤 维掺量 ， ( d ) 水 胶 比 ( b ) 至 趟 幅 媛 硅 灰掺 量 ， ( c ) 图1 各 因素对流动度的影响 会导致其相对密度 的降低 ， 影响抗折强度 。 钢纤维可以很好 的限制水泥基材料在 外力作用下 的 裂缝扩展 ， 随着荷载 的逐渐增大 ， 开始 出现裂缝 ， 水泥基体 逐渐退出工作 ， 由于钢纤维 的抗拉 强度远 远强 于水泥 基 体 ， 延缓了裂缝的扩大速度 ， 此时横跨裂缝 的钢纤维就成 了主要的受力对象 ， 跨越裂缝 的钢纤维越多 ， 则裂缝稳 定 扩展的持续时间就会越长 ， 最终达到的峰值拉应力也就越 高 ， 即高性能 昆 凝土的抗折强度越大。 但 当钢纤维掺量大 。 皇 2 c L0 豢 z 一 一 薹 z n 叶巨 三亟二至回 二= = = = 砂 胶 比 皤 坻 砂粒径 范围 m m ( e ) 于2 后， 混凝土内部大量的钢纤维互相搭接， 使试块内部 形成大量孔洞 ， 对强度产生不 良影响 ， 故钢纤维 的体 积掺 量 由 2 增加到 3 时其强度提高不 明显。 砂最大粒径确定 ， 粒径范 围越大 ， 所 含小颗粒砂 比例 越大 ， 形成的拌合物填充效果更好 ， 抗折 强度增大 ， 当粒径 为 0 2 3 6 m m时 ， 抗折强度最小 ， 是因为砂中含泥量大 ， 导 致骨料之问的拉 力减 小 ， 且 由于空隙率增大 ， 强度 薄弱 区 域增加 ， 最终导致抗折强度降低。 越 囊 2l 21 2 0 越 矍 2 0 辖 1 9 1 9 0 0 5 1 0 0 1 25 l 5 0 1 7 5 2 O 0 硅灰掺量 ， ( C ) 钏 纤 维掺 量 ， 砂粒径范围 mm ( d ) ( e ) 图2 各因素对抗折强度白 勺 影响 图 2是五个因素对抗折强度 的影响分析图 ， 随着钢纤 1 0 、 0 1 8 、 1 5 ， 砂粒径 范围对混凝 土的影 响亦 是如此 ， 粒 维掺量的增大， 高性能混凝土的抗折强度呈上升趋势， 考 径范围最佳为0 3 2 3 6 。 虑 到其对抗折强 度 的影 响和经 济性 等因素 ， 最佳掺 量为 2 2 3 各影响因素对 H P C抗压强度研究 2 ， 而随着砂胶比 、 水胶 比， 硅灰掺量的变化 ， 混凝土抗折 正交试验极差分析见 图 3 ， 高性能混凝土抗压 强度 的 强度均 先上 升后 下 降， 综合 考 虑 ， 故存 在 最佳值 分 别为 影响程度钢纤维掺量 水胶 比 硅灰掺量 砂胶 比 粒 9 6 g m 臀薅 B d 骥辖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 径范 围。 砂胶 比和粒径 范围对高性能混凝 土抗压 强度 的影 响 与抗折 强度 的影 响机理一样 ， 如 2 2 2影 响机 理分析。 水 胶 比对高性能混凝土强度的影 响存在两面性 ， 即水胶 比 过小时 ， 在振捣过程 中不 易振捣密实 ， 导致抗 压强度 的降 低 ； 水胶 比过大时 ， 虽然能使拌合物振捣密实 ， 但体系 中存 在较 多的游离水 ， 在水泥浆体硬化过程 中多余的游离水蒸 发 ， 而在水泥砂浆 体 内留有 大量孔洞 ， 降低 了水 泥胶砂试 块的抗压强度。 硅灰具有相 当高 的活性 ， 可 以快速 与水 泥 的水化产物 C a ( O H) ： 反应生成 C S H凝胶 ， 加快水 泥的 水化反应速度。 此外 ， 硅灰 的火山灰效应 、 微粒充填效应和 砂胶 比 ( a ) O 界面效应 ， 都能使强度得 以提高 。 过高掺量反而会 降低 抗 压强度 ， 一方面可 以从密实度角度 进行解释 ( 硅灰掺 量对 抗折强度影响已有解 释， 不再 赘述 ) ， 另外 ， 硅灰加入 量过 多时由于其没有水硬性 ， 其强度也会相应降低 。 钢纤维 ， 一 方面使混凝土在受压过程中的横向膨胀受到约束， 延缓破 坏进程 ， 从而提高 了抗压强度 ； 另一方 面 ， 界面特性决定 了 钢纤维对高性 能混凝土抗压强度 的影 响程度 ， 硅灰会 强化 钢纤维与基体 间的界面层 ， 因此在一 定的掺量范 围内 ， 钢 纤维的掺入不会使界面破坏 ， 而是对抗压强度 的增加是有 利的。 但是 ， 钢纤维掺量过大 ， 界面上会 出现很多微小 的裂 缝 ， 使混凝土中产生 内部缺 陷， 抗压强度增大趋势变缓 。 硅 灰掺量 【 c ) l 一 2 8 d 1 4d - l r _ l I _ - I - 一 一 l _ 钢 纤 维 掺 量 砂 粒 径 范 围 mm ( d ) ( e ) 图 3 各因素对抗压强度的影响 图 3是五个因素对抗压强度 的影 响分析 图， 随着钢纤 ( 4 ) 砂粒径 范围对高性能混凝 土流动度影响是很 明显 维掺量的增大 ， 高性能混 凝土 的抗压 强度呈上升 趋势 ， 考 的， 粒径范 围在 0 3 2 3 6 ， 流动度最好 ； 砂粒径范围对高性 虑到其对抗 压强度 的影 响和 经济性 等 因素 ， 最 佳掺 量为 能混凝土的强度是有一定影响， 但强度波动范 围不大。 2 ， 而随着砂胶 比、 水胶 比、 硅灰掺量 的变 化 ， 混凝 土抗折 强度 均先 上 升后 下 降， 综合 考 虑 ， 故 存在 最佳 值 分别 为 1 1 、 0 1 8 、 1 0 ， 砂粒径范 围对混凝土 的影 响亦是 如此 ， 粒 径范围最佳为 0 3 2 3 6。 3 结语 ( 1 ) 基于高性能混凝土 的配合 比设计思 想 ， 通过正交 试验 ， 探讨 了砂胶 比、 水胶 比、 硅灰掺量 、 钢纤维掺 量以及 砂粒径范围对高性能混凝土工作性及强度 的影响规律 。 ( 2 ) 掺入钢纤维 ， 可 以有效地提高高性能混凝 土 的抗 折和抗压强度， 但也降低了工作性； 砂胶比增大， 工作性降 低 ， 抗折强度和抗压 强度取得最大 最大值时砂胶 比不 同， 所以高性能 配合比设计要综合考虑各个性能的要求。 ( 3 ) 水胶 比太小 ， 虽然没有多余 的游离水 ， 但是水胶 比 较低时拌合物的黏性很大， 在振捣过程中不容易密实， 降 低 了的抗折强度和抗压强度 。 因此 ， 在配制 高性 能混凝土 时应该综合考虑水胶比对高性能混凝土工作性 的影响。 参考文献： 1 蒲心诚， 王冲， 刘芳， 等 特超强高性能混凝土的研制与展望E J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 5 E 2 R A H MA N S ， MO L Y N E A U X T， P A T N A I K U N I 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 r e t 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 J a n J o u rna l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5， 2 ( 1 )： 1 3 2 O 3 3 G B T 2 4 1 9 -2 0 0 5 ， 水泥胶砂流动度测定方法 s 北京 ： 中国 标准出版 社， 2 0 0 5 ， E 4 G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 ， 水泥胶砂 强度检验方法( I S O法) s 北 京 ： 中国标准出版社 ， 1 9 9 9 5 袁润章 工程材料学 胶凝材料学 M 武汉 ： 武汉工业大 学出 版社 ， 1 9 9 6 6 梁咏亍， 陈宝春 ， 庄一舟 ， 等 砂胶 比， 水胶比和钢纤维掺量对 R P C性能的影B E J 福州大学学报， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 5 ) ： 作者简介 ： 王军委( 1 9 8 8一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 结构工程方向。 联 系地址 ： 青岛市市北区抚顺路 1 1 号 青岛理工大学( 2 6 6 0 3 3 ) 联 系电话 ： 1 5 1 5 4 2 9 9 6 9 5 97 ：兮 舳 加 ：3 0 酉 5 憩 B d 酿嶝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m