干硬性混凝土力学及吸水性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 期 (总 第 3 0 6 期) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 1 1 干硬 性混凝土 力学及 吸水性 能研 究 郭傲，赵铁军， 刘洪珠 ， 张益杰 ( 青岛理工大学 土木工程学院， 山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 ： 为研究干硬性混凝土的力学及吸水性能， 以砂率 、 胶凝材料用量 、 矿物掺合料用量 、 复掺比例作为四种不同因素 ， 运用正 交试验方法对配合 比进行设计 ， 主要对不同龄期下干硬性混凝土的抗压强度和单位面积吸水量两个评价指标进行 了测试。 试验 结果表明： 砂率为 4 5 ， 胶凝材料用量 4 2 5 k g m ， 粉煤灰和矿粉复掺比例为 2 ： 1 其力学及吸水性能最佳 。 由于 昆 凝土用水量少 ， 矿物掺合料水化作用受到限制 ， 其最佳掺量仍需进一步的试验研究 。 关键词 ： 干硬性混凝土； 正交试验 ； 力学性能 ； 吸水性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 4 1 0 3 Re s e a r c h o n me c h a n i c a l p r o p e r t ie s a n d h y g r 0 s c O p i c i t y o f d r y c o n c r e t e GUO Ao， ZH AO T i e j u n， L I U Ho n g z h u， Z HANG Y ij i e ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o s t u d y t h e me c h a n i c s a n d h y g r o s c o p i c i t y o f d r y c o n c r e t e ， t r e a t t h e s a n d r a t i o， d o s a g e o f c e me n t i t i o u s ma t e ri a l ， d o s a g e o f m i n e r a l a d mi x t u r e s ， m i x e d p r o p o r t i o n a s f o u r d i f f e r e n t f a c t o r s ， i n t h e m e t h o d o f o r t h o g o na l e x p e rim e n t t O d e s i g n mi xe s， ma i n l y t e s t 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 m a n d wa t e r a b s o r b i n g c a p a c i t y p e r u n i t a r e a ， wh i c h we r e t r e a t e d a s e v a l u a t i o n i n d e x e s E x p e r i me n t a l re s u i t s s h o w s a n d r a t e i s 4 5 ， t he d os a g e o f c e me n t i t i o u s ma t e ria l 42 5 k g m ， the r a t i o o f fly a s h a n d mi n e r a l p owd e r i s 2： 1 Du e t o l o w wa t e r c o n t e n t i n d r y c o n c r e ， h y d r a t i o n o f mi n e r a l a d mi x tur e i s r e s tr i c t e d， a n d t h e b e s t d os a g e s t i l l n e e d f u rthe r s tudy Key wor ds： d r y c o n c r e ； o rth o g on a l t e s t ； me c ha n i c a l p r o p e r t y； h yg r os c o p i c i t y 0 引言 随着建筑行业的蓬勃发展 ， 对建筑材料功 能与性质 的 要求也随之提高 。 目前 ， 干硬 性混凝土广泛应用 于多种工 程领域 ， 如路 面工程 、 大坝工程等大体积工程 。 干硬性混凝 土是指坍落度小于 1 0 m n ， 维勃稠度值在 1 0 4 0 S 范 围内 的混凝土。 具有水灰 比小 ， 快硬 ， 早强 的特点 ， 水灰 比小可 以降低水化热 ， 减少大体积混凝土因水化热过 高而引起 的 温度裂缝。 早期强度提高快 ， 可制备成型后立即脱模 ， 加快 模具周转速度 ， 减少工程成本 。 目前 ， 已有不少学者对干硬性混凝 土的多方 面性 能展 开了研究。 李家和 研 究 了蒸养制度对抗压 强度 的影 响； 陈式华 研究了振动次数对抗压强度 的影 响； 何锦云等 研究 了砂率对混 凝土 和易性 和强度 的影 响 ， 得 出 了对于 普通混凝土 ， 砂率是影 响和易性 的主要 因素 ， 但对 于强度 影 响不大 ； 翁兴 中 等人 研究 了砂 率对 到道 面混凝 土工 作性 、 强度 、 耐 磨性 、 抗 水 渗 透性 和 抗 冻性 的影 响 ； 杜道 军 提 出了高频 内振动工艺 ； 陈式华 提出了用振动挤压 的方式生产干硬 性混凝 土预 制块 。 此外 ， 雷 团结 、 宋功 业 等人也有相关制备 干硬性混凝土装置的专利。 本研 究 运用 了正交试验方 法对 混凝 土配合 比进行 了设 计 ， 分别 以砂率 、 胶 凝材料 用量 、 矿物掺合 料用 量、 复掺 比例为 不 同因素 ， 研究其对 干 硬性混 凝土 力学性 能及 吸水性 能 的 影响 。 1 试验概 况 1 1 原材料与 配合 比 试验采用 的原材料均来 自青岛本地 ， 水泥为青岛山水 水泥厂生产的 P 0 4 2 5级水泥 ， 矿物掺合料采用 的 I I 级 粉煤灰 ， S 1 0 5级矿粉 。 粗骨料选用粒径为 5 1 0 mm 和1 0 2 0 mm 两种连续级配 的玄武岩碎石 ， 其 质量 比为 7 ： 3 ； 细 骨料为最大粒径 5 m m 的河砂 ， 细度模数 2 9 ； 拌 和水为普 通 自来水。 1 2试 验 方案 试验选取砂率 、 胶凝材料用量 、 矿物掺合料用量 、 复掺 ( 粉煤灰： 矿粉) 比例作为考察因素， 每种因素均选取 4个 水平 ， 各因素 的水平取值 见表 1 。 根 据选择 的因素和水平 情况 ， 选用 L ( 4 ) 正交表 ， 其正交配合 比见表 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 8 基 金项 目： 国家 9 7 3基金项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3) ； 青岛市基础研究一联合基金计划项 目( 1 3141 1 5一j c h ) ； 蓝 色经济 区工程建设 与安全协 同创 新 中心 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 因素水 平表 1 3 试件成型与养护 本试验制备干硬性混凝土试件的过程如下： ( 1 ) 将碎石 、 砂子 、 水泥依次倒入搅拌机 中， 搅拌1 m i n ， 使之混合均匀 ； ( 2 ) 将称量好 的 自来水缓慢加入搅拌 机中 ， 直至混凝 土拌合物满足工作性要求， 停止加水。 总搅拌时间为 3 m i n ； ( 3 ) 新拌混凝 土搅拌完成后 ， 将其 装入设 计 的专用模 具中 ； ( 4 ) 将专用模具置于振动台振动加压 2 mi n ； ( 5 ) 振动完毕后立 即拆模 ， 取 出试件并移入标准养护 室进行养护 ； ( 6 ) 养护至相应龄期 ， 取 出试件 ， 进行测试。 1 4毛 细吸 水 试 验 首 件i 蕴 行切割( 切割试件尺寸 1 0 0 m m 1 0 0 r n r n 5 0 m m) 后烘干至恒重 ， 将试件 中除 了与水接 触的面及 与 其相对面之外 的其余 四个侧面用密封材料进行密封 ， 确保 试件沿一维方 向吸水 ； 然后将 试件放入容器 中， 缓慢倒入 自来水 ， 直至液面高出试块底面 ( 4 1 ) m m； 从水溶液与试 块底部接触时刻开始计时 ， 分别在吸水时 间为 0 、 0 5 、 1 、 2 、 4 、 8 、 1 2 、 2 4 h时取 出试块 ， 将其表面液态水用湿布擦 拭干 净 ， 用电子天平称取试件质量 ， 再立即放回容器 中， 计算试 件毛细吸水量 ， 同时绘制 出毛细吸水量随时间变化曲线 。 2 结果分析与讨论 2 1 砂率对干硬性混凝土力学及吸水性能的影响 由图 1 、 2数据可以看出 ， 干硬性混凝 土的强度随砂率 的增大先升高后降低 ， 单位面积吸水量随砂率 的增大不断 42 减少 。 砂率为 4 5 时， 混凝 土抗压 强度值达 到峰值 ， 砂率 由 3 5 增大到 4 5 ， 2 8 、 5 6 d抗压强度随之提高 了 4 5 9 、 4 4 6 2 ， 砂率由4 5 增大到 5 0 ， 2 8 、 5 6 d 抗压强度随之降 低 了 1 9 4 、 1 1 7 9 。 砂率较低时， 混凝土 内部 空隙不能得 到良好的填 充。 随着砂率 的增 大 ， 空 隙率减 小 ， 密实性 提 高， 干硬性混凝土强度随之提高， 单位面积吸水量减小 。 当 砂率超过一定界限 ， 骨料 比表面积过大 ， 由于胶凝材 料不 变， 故不能将骨料完全包裹 ， 骨料的间浆体提供 的胶 结力 不 足以抵抗外界破坏 ， 故抗压强度降低。 但 由于混凝 土的 致 密性进一步提高， 单位面积吸水量持续减少 。 薯 皿 曙 苌 谊 ：母 L 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O 龄 期 d 图 1 干硬性混凝土龄期与强度 曲线 0 1 2 3 4 5 时 间 h 。 图 2干硬 性 混凝 土砂 率 与毛细 吸水 曲线 2 2 胶凝材料用量对干硬性混凝土力学及吸水性 能的影 响 由图 3 、 4数据可以看出 ， 干硬性混凝 土的强度随胶凝 材料用量的增大先升高后降低 ， 且在胶凝材料为 4 2 5 k g m 时达到峰值 ， 同时， 单位面积吸水量降低至最小 。 胶凝材料 由 3 2 5 k g m 增 大 到 4 2 5 k g m ， 2 8 、 5 6 d抗压 强度 随之 提高了 1 8 6 4 、 1 2 8 2 ， 胶凝 材料 由 4 2 5 k g m 增 大 到 4 7 5 k g m ， 2 8 、 5 6 d 抗压强度随之 降低 了 1 0 7 3 、 4 3 6 。 前期胶凝材料的填充作用使得混凝土内部结构更为致密 。 到了反应后期 ， 随着水泥水化反应 的不断进行 ， 越来 越多 的水化产物生成 ， 增强了骨料间的黏结 力 ， 使 混凝 土内部 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 龄 期 ， d 图 3 干硬性混凝土龄期与强度曲线 如 5 日 d I 苣 髓魑 湖 如 加 B d 圣 慧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m r g 删 * 旧 ：丑 L 0 1 2 3 4 5 时 间 ， h 。 图4干硬性混凝土胶凝材料用量与毛细吸水曲线 形成 良好 的嵌 固体 。 胶凝材料低 ， 水泥水 化产物较少 ， 导致 骨料表层包裹的浆 体厚度小 ， 黏结力不足导致抗压强度较 低。 胶凝材料用量不断增大 ， 界面区厚度超过一定限值 ， 降低 了骨料与基体之间的黏结， 干硬性混凝土吸水性亦随之降低。 2 3 矿物掺合料用量对干硬性混凝土力学及吸水 性 能 的影 响 由图 5 、 6 数据可 以看出 ， 干硬性混凝土强度随矿物掺 合料用量 的增 大而降低 ， 同时， 单位面积吸水量随之增大。 混凝土 中矿物掺合料 由粉煤灰和矿粉组成 ， 其作为连续级 配的颗粒堆积体系 ， 用 以填充 水泥颗粒 的间隙 ， 发挥微集 料填充效应 ， 改善孔结构 ， 有效提高混凝土的密实性 。 从数 据显示 出未掺矿物掺合料 的混凝土试件强 度和吸水性 均 优于掺加矿物掺合料 的试 件 ， 原因为在养护 初期 ， 混凝 土 内部首先进行 水泥水化反应 ， 快速提高混凝 土早期强度 ， 而矿物掺合料 的水化是 一个长 期缓慢 的过 程。 在养 护后 期 ， 随着水化反应 的不断进行 ， 更 多的水化产物用 以提高 混凝土 的致密性和强度 。 干硬性混凝土含水 量较少 ， 由于 受到水 的限制 ， 延缓 了矿物掺合料 的火 山灰反应 。 总 的来 说 ， 水泥的水化 反应大 于掺合 料 的填充作 用 和火 山灰作 用 ， 矿物掺合料改善混凝土力学及耐久性 能的作用未得到 良好 的发挥 。 4。 3 0 螽 z 。 暇 1。 管 、 面 嘲 * 暄 ： 噩 L o l O 2 0 3 O 4 0 5 o 6 O 龄期 ， d 图5干硬性混凝土龄期与强度曲线 o 1 2 3 4 5 时 间 ， h 。 图 6干硬性混凝土掺合料用量与毛细吸水曲线 2 4 复掺 比例 对干硬 性混凝土力学及吸水性能影响 由图 7 、 8数据 可 以看 出 ， 复掺粉煤 灰和矿 粉 比例 为 2 ： 1 对混凝 土强度的发展有着明显的优势 。 复掺 比例为2 ： 1 时 ， 3 d抗压强度分别较复 掺掺量 比例 为 1 ： 1 、 1 ： 2和 3 ： 1 时提高了 5 5 0 5 、 3 0 8 6 、 2 8 4 2 。 2 8 d 抗 压强度提高率 为 1 4 2 9 、 3 0 8 6 、 3 5 0 5 。 混 凝 土抗 压 强 度 随粉 煤 灰 所 占比例的增大先提高后降低 ， 并在粉煤灰与矿粉 比例为 2 ： 1 时达到最大。 粉煤灰不利于干硬性混凝土早期强度的 发展 ， 而矿粉对早期 强度影响不 大， 二者 经过适 当比例 的 复合 ， 可 以在混凝 土强度不 同发 展时期发挥各 自优势 ， 使 混凝 土既 有 较 高 的早 期 强 度 ， 后 期 强度 也 有 较 好 的 发 展 。 从强度提高 比值可 以看出， 复掺 比例 比例为 2 ： 1 的 混凝 土强度均高于其他掺加 比例的混凝土强度。 g 暄 ：母 L O l 0 2 O 3o 4 0 5o 6 O 龄期 ， d 图 7干硬 性 混凝土 龄期 与强 度 曲线 o 1 2 3 4 5 时间 h 。 图 8干硬 眭混凝土复掺比例与毛细吸水曲线 3 结论 ( 1 ) 砂率对干硬性混凝 土强度影 响较大 ， 两者呈非线 性关系。 砂率的适 当提高 ， 可 以提高混凝土内部的密实性 ， 有利于强度 的发展 。 砂率过高影 响后期 强度发展 ， 但吸水 性呈略微增长的趋势 。由试验结果看 出， 本试 验较为适宜 的砂率为 4 5 。 ( 2 ) 胶凝材料用量影 响骨料界 面的稳定性 ， 胶凝材料 用量增大 ， 骨料颗粒包裹 的浆体 层变厚 ， 影响颗粒 间相互 咬合力 ， 进而降低 了混凝土强度 ， 且对混凝土吸水性不利 。 试验表明胶凝材料用量宜控制在 4 2 5 k g m 。 ( 3 ) 矿物掺合料的填充作用和水化作用有利于增强早 期混凝土 内部致 密性和后期强度发展 ， 但 由于干硬性混凝 土用水量小 ， 在测试龄期中其对混凝土的有利作用 尚未得 到很好 的发挥 ， 对于此方面仍需延长龄期 ， 继续试验分析 。 试验结果得到粉煤灰和矿粉 的掺加 比例宜为 2 ： 1 。 下转第 4 8页 4 3 O O O O O O O 0 如 如 如 如 加 想 咖 0 0 O 0 0 0 O 0 如 如 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 昆 凝土棱柱体试件进行抗压力学性能试验研究 ， 主要得到 以下结论 ： ( 1 ) 在较短的腐蚀时间( 仅为 1 2 d ) 内， 受侵蚀混凝土 试件表面未发生明显的剥落现象 ， 试 件的破坏形态未发生 显著变化 ， 其最终破 坏形式 并非瞬间 的压溃 ， 而表现 出较 大 的塑性变形。 ( 2 ) 低温海水环境下受腐蚀混凝土试件质量表现出先 增加后减小的趋势 ， 且变化范 围较小 ， 受腐蚀后 昆 凝 土试 件轴心抗压强度随着侵蚀时间的延长逐渐降低 ， 而其静力 抗压弹性模量变化不显著且波动较大， 吸能能力损失率随 着腐蚀 时问的延长呈逐渐上升 的趋势 。 ( 3 ) 在质量损失率 、 抗压强度损失率 、 弹性模量损失率 以及吸能能力损失率 等四个损伤指标 中能较好地反 映混 凝土力学性能劣化过程 的是 D ( 抗压强度损失 率) 和 D ( 吸能能力损失率 ) 。 参考 文献 ： 1 B A D E R M A P e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e i n a c o a s t a l e n v i r o n me n t E J C e m e n t &C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 ) ： 5 3 9 5 4 8 2 杨全兵， 吴学礼， 黄士元 去冰盐引起的混凝土的盐冻剥蚀破 坏 J 混凝土， 1 9 9 5 ( 6 ) ： 2 9 3 5 3 覃丽坤， 宋玉普， 于长江， 等 双轴压混凝土在冻融循环后的力 学性能及其破坏准 U E J 工程力学， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 8 8 1 9 3 上接第 4 0页 6 唐明述 碱硅 酸反应与碱碳酸反应 J 中国工程科学 ， 2 0 0 0 ( 1 )： 3 44 O 7 谢振国 我国混凝土潜在碱骨料反应危险性分析 J 重庆科技 学院学报， 2 0 0 9 ， 1 1 ( 2 ) ： 5 6 5 8 8 刘晨霞 混凝 土碱 一骨 料反应的抑 制及膨胀预 测的试验研 究 D 北京： 中国水利水电科学研究院， 2 0 0 6 9 喻乐华 ， 程海根， 相斌辉 在役 桥梁混凝土碱 一集料反应检 测 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 1 1 9 1 2 5 1 0 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t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 4 0 7 1 4 2 0 r 7 C H O T P r e d i c t i o n o f c y c l i c f r e e z et h a w d a ma g e i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s b a s e d o n r e s p o n s e s u rf a c e me tho d 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 r i a l s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 1 2 ) ： 2 0 3 1 2 0 4 0 8 冯乃谦 实用混凝土大全 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 1 9 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验方 法 s ， 北京： 中国建筑工业出版社 1 0 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试睑方法标准 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 1 1 李金玉， 曹建 国 混凝土冻融破坏机理的研究 J 水利学报， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 4 1 4 9 1 2 Y A N D o n g m i n g ， L I N G a o D y n a m i c T e n s i l e P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e u n d e r D i f f e r e n t E n v i r o n me n t s I 3 J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma t e r S c i E d ， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 6 3 1 6 8 作者 简介 联系地址 联系电话 张英姿( 1 9 7 9 一) ， 女 ， 副教授， 从事混凝土结构耐久性 及抗震性能研究。 哈尔滨工业大学土木工程系( 2 6 4 2 0 9 ) 1 8 7 6 9 1 9 6 0 5 2 国建筑工业出版社， 2 0 0 8 1 2 C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7 ， 混凝土结构 耐久性评定标准 s 北京 ： 中国 建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 1 3 3 C E C S 5 3 ： 9 3 ， 混凝土碱含量限值标准 s 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 3 作者简介 ： 孙彬( 1 9 7 8一) ， 男， 博士 ， 副研究员， 研究方向 ： 主要从 事混凝土结构耐久， 性与既有结构可靠性研究。 联系地址： 北京币北三环东路 3 0 号 中国建筑科学研究院建筑工 程检测中I B ( 1 0 0 0 1 3 ) 联系电话 ： 1 3 9 1 1 0 8 6 1 1 9 具I- P 安徽 C N 2 0 2 7 8 1 3 7 2 U 2 0 1 3 0 3 1 3 9 宋功业 一种干硬性混凝土试块留置设备 P 江苏 C N 2 0 1 8 0 3 8 8 4 U 2 01 10 42 0 1 O 马志鸣， 赵铁军 ， 王鹏刚， 等 矿物掺合料对混凝土毛细吸收作 用影响的试验研究f J - I 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 3 ) ： 8 7 8 9 1 1 徐方， 朱婧， 陈建平， 等 矿物掺合料对聚合物改性多孔水泥混 凝土的性能影响研究 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 4 1 4 4 1 2 1J 数华， 冷发光， 李丽华 混凝土辅助胶凝材料E M 北京： 中国 建材工业出版社， 2 0 1 0 作者简介 ： 郭傲( 1 9 8 9一) ， 女， 在读硕士研究生 ， 研究方向 ： 混凝 土耐久性。 联系地址 联 系电话 山东省 青岛市四方 区抚顺路 1 1号 青岛理工 大学 ( 2 6 6 0 3 3 ) 1 5 1 9 2 49 0 1 7 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m