矿物掺合料对C100～C120超高强混凝土基本性能的影响.pdf

2 0 1 2年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 01 2 No 3 Ma r c h 矿物掺合料对 C1 0 0 C1 2 0超高强混凝土 基本性能的影响 王 斌 ， 李晓欢 ， 徐芬莲 ， 苏 华 ( 中建商品混凝土成都有限公 司 6 1 0 0 5 2 ) 摘要 ： 通过正 交试验考 察 了胶 凝材料总量 、 水泥用量及超 细粉 煤灰用量对超 高强混凝土抗压 强度的影响 ， 研 究了硅灰 、 超细粉 煤灰与复合硅材等矿物掺合料对 C1 0 0 C1 2 0超 高强混凝土基本性能的影响。结果表明 ， 对超 高强 混凝土 强度影响最主要的 因素是水泥在胶 凝材料 中所 占的比例 ；超细粉煤灰与硅灰 复掺 对超 高强混凝土工作性能 与强度 改善效果较好 ； 复合硅材对超 高强混凝 土的工作性能与强度均有一定的提 高。 关键词 ： 超 高强混凝土 ； 超 细粉煤灰 ； 硅 灰 ； 复合硅材 ； 正交试验 Ab s t r a c t ：T h e i n fl u e n c e s o f t o t a l a mo u n t c e me n t i t i o u s ma t e ria l ，c e me n t c o n t e n t a n d u l t r a - fi n e fl y a s h d o s a g e o n t h e 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 a r e s t u d i e d b y o r t h o g o n a l t e s t T h e e ff e c t s o f mi n e r al a d mi x t u r e s s u c h a s s i l i c a f u me ， u l t r a - fi n e fl y a s h a n d s i l i c e o u s a d mi x t u r e o n t h e b a s i c p r o p e r t i e s o f C1 0 0 C1 2 0 u l t r a h i g h s tre n g t h c o n c r e t e a r e r e s e a r c h e d T h e r e s u l t s s h o w tha t the ma i n a f f e c t e d f a c t o r o n t h e c o mp r e s s s t r e n gth o f u l t r a - h i g h s tr e n gth c o n c r e t e i s t h e p r o p o r t i o n o f c e me n t i n the c e me n t i t i o u s ma t e r i a 1 Co mp o u n d i n g b o th u l t r a fi n e fl y a s h a n d s i l i c a f u me i s b e t t e r f o r t h e wo r k a b i l i t y a n d s tr e n g t h o f t h e u l tra - h i g h s t r e n gth c o n c r e t e A t the s a me t i me ， s i l i c e o u s a d mi x t u r e als o h a s t h e i mp r o v e me n t o n t h e w o r k a b i l i t y a n d s t r e n gth o f t h e u l t r a h i g h s t r e n gth c o n c r e t e Ke y wo r d s ： Ul t r a - h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ； Ul t r a - fi n e fl y a s h ； S i l i c a f u me ； S i l i c e o u s a d mi x t u r e ； O r t h o g o n a l t e s t 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 1 0 - 0 4 0前 言 2 O世纪混凝土科学与工程技术取得 了重大成 就 ， 高性能混凝土的应用极大地推动 了混凝土科技 的进步 ， 促进了人类社会的发展1 】 。随着 2 l 世纪混 凝土工程的大型化 、 工程环境 的复杂化 以及应用领 域的不断扩 大 ， 人们对其提 出了更高的要求 ， 混凝 土材 料 的 高强 化 和高 性 能化 是 2 l世纪 混 凝 土科 学 和工 程技 术发 展 的重要 方 向闭 。 矿物掺合料 已经成为商 品混凝土 中不可缺少 的一个组分 ， 随着研究工作 的不断深入 ， 以及实 际 工程应用经验 的积累， 对矿物掺合料的认识也发生 了很 大 的变化 。随着 高强 高性 能混 凝土 的研 究与应 用 ， 发 现一 些 工业 废 渣 与天 然矿 物 具 有许 多 优 良的 特性 ， 它可以改善混凝土的许多性质 。这些矿物掺 合料不再作为一种“ 废弃物” 而加 以利用 ， 而是作为 一 种宝贵的资源用于改善混凝土的性能【 3 J 。 矿物掺合料 品种繁多 ， 其组成和性能也各有不 同，在实际使用时应根据工程实际情况合理选择 ， 充分发挥和利用矿物掺合料的优 良特性 ， 尽可能避 免 或减 弱 其所 带来 的不 良影 响 ， 本 文分 析 了超 细 粉 煤灰 、 硅灰与复合硅材等矿物掺合料对超高强混凝 土的工作性能及抗压强度的影响。 1 原 材料 ( 1 ) 水泥 ： 四川某水泥厂生产 的 P 0 4 2 5级水 泥， 其物理力学性能检测结果见表 1 。 ( 2 ) 矿物掺合料 ： 超细粉煤灰 ： 密度 2 4 9 g c m 。 ， 表 1 水泥物理力学性能指标 一 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王斌 ， 李晓欢 ， 徐芬莲 ， 等矿物掺合料对 C 1 0 0 C 1 2 0超高强混凝土基本性能的影响 比表面 积 1 2 5 4 0 c m T g ， 烧 失量 1 7 ， 需 水量 比 9 2 ； 硅灰 ： S i O 2 9 0 ， 比表 面积 2 0 0 0 O O c m2 g ； 复合 硅 材 ： 密度 2 6 5 g e ra 3 ， 2 8 d活性指数 8 7 ， 比表面积 6 0 0 0 c m g 。 ( 3 ) 外 加剂 ： 聚羧酸类 高性 能减水剂 ， 减水 率 3 7 ， 固含 量 2 0 4 。 ( 4 ) 石 ： 四川产石灰岩 ， 5 l O mm、 1 0 2 0 m m两级 配 ， 压碎 值 6 。 ( 5 ) 砂 ： 机制砂 ， 细度模数 2 7 3 0 ， 含泥量小于 0 6 。 2试 验结 果 与分 析 考 虑到超高 强混凝土标准试件与非标试 件的 强度换算系数不 同于普通混凝土 ， 因此 ， 本文未 进 行 换 算 ，文 中所 涉 及 到 的 强 度 值 均 为 1 0 0 m mx l O O mm x l O O m m试件的强度值 。 2 1 正 交试 验 本试验 为三因素三水平 正交试 验 ， 但 在“ 三水 平 ” 正交表 中没有三 因素三水平正交表 ， 故选用 L 9 ( 3 4 ) 正交表较合适 ， 通过正交试验主要考察胶凝材料 总量 、 水泥占胶凝材料总量 比例 ( 水泥掺量 ) 及超 细 粉煤灰 占胶凝材料总量 比例 ( 超细粉煤灰掺量 ) 对 超 高强混凝土强度 的影响 ，因素和水平如表 2所 示 ， 正交表及试验结果如表 3所示。 由正交表结果可知 ， 在考虑因素单独作用的条 件下 ， 胶凝材料总量为 6 5 0 k m 时要 比胶凝材料总 量 8 0 0 k m 时抗压强度高 ； 水泥掺量 7 0 的 5 6 d龄 期抗压强度较其他掺量高 ； 超细粉煤灰掺量 1 0 的 5 6 d龄期抗压强度较其他掺量高。因此 ， 综合考虑在 胶凝材料 总量选择 6 5 0 k g m ， 水泥掺量 7 0 ， 超 细 粉 煤灰掺量 1 0 时超 高强混凝土 的 5 6 d龄期抗 压 强 度 最高 。 “ 水泥” 因素 中 k l k 2 R 3 R 1 ， 因此 ， 对超 高 强 混凝土 5 6 d抗压 强度影 响最 显著 的是水泥在胶 凝 材料 中所 占的比例 ，其次为超细粉煤灰掺量 ， 最 后是胶凝材料总量。 表 2 正交试验 因素及水平 1 2 3 6 50 7 2 5 8 0 0 5 0 6 0 7 0 8 l O 1 2 2 2 硅灰对超高强混凝土性能的影响 硅灰 由于颗粒 细小 ， 比表 面积大 ， 具有 S i O z 纯 度高 、 高火 山灰活性等物理化学特点 ， 对高性能混 凝土 的影 响表 现在 物 理 和化 学 两个 方 面 ： 起超 细 填 充料的作用 ； 在早期水化过程 中起晶核作用 ， 并具 有高 的火山灰活性 。因此 ， 硅灰能显著提高混凝土 的早期强度。但其水化放热量大， 需水量大， 在使用 时 ， 要注意其掺量 。不 同硅灰掺量对超高强混凝土 工作性能及抗压强度 的影响分别如图 1 、 图 2所示 。 2 4 0 2 2 0 鑫2 0 0 瓣 1 8 0 1 6 0 1 4 0 4 6 8 1 O l 2 硅灰掺量 图 1 不 同硅灰掺量对工作性能的影 响 6 5 0 6 0 0 5 5 0 盍 5 0 0 4 5 0 4 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 3期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 1 9 1 期 1 3 0 1 2 0 曩 ： 1 1 0 嘎 墨1 0 0 9O 8 0 4 6 8 l 0 l 2 硅灰掺量 图 2 不 同硅灰掺量对抗压强度 的影响 从 图 1 可 以看 出 ， 随着硅灰掺量的增加 ， 超高 强混凝土的扩展度呈直线下降趋势。坍落度在硅灰 掺量小于 8 的情况下与扩展度的变化趋势相 同； 在硅灰掺量大于 8 时，坍落度随硅灰掺量的增加 变化较小 。掺入硅灰后超高强混凝土工作性表现为 流动度降低、 粘度增加。在硅灰掺量小于 8 时可以 通过提高高性能减水剂的掺量来调节工作性 ， 但当 掺量高于 8 之后 ， 增加高性能减水剂的掺量 ， 对工 作性的影 响并不 明显。有研究表明 3 硅灰具有较高 的活性 ， 可以在很短的时间内与水泥水化反应生成 的 C a ( O H ) 发生反应 ， 生成低 钙型 C S - H凝胶 ， 增 加了浆体的粘度 ， 降低了混凝土 的流动性 。硅灰 的 比表面积大 ， 相同的水灰 比， 粉体表面水膜薄 ， 不利 于混 凝 土 的流动性 。 由图 2可知 ， 混凝土的早期强度随硅灰掺量的 增加而增加 ， 但后期强度表现为先增后降。产生这 种变化 的原 因可能为 ：一方面 由于硅灰掺量过高 时 ， 混凝 土 的和易性变差 ， 振捣成 型时 ， 密实性 降 低 ， 从 而影响了混凝土的强度 ； 另一方面 ， 硅灰掺量 过高 ， 需水量增大 ， 自收缩增大 ， 导致在混凝土内部 形成缺陷， 降低 了混凝土 的强度。因此 ， 本试验 中硅 灰的最佳掺量为 8 。 2 3 超细粉煤灰取代硅灰对超高强混凝土性能的 影 响 超细粉煤灰又名微珠 ，其 颗粒粒径为亚微米 级 ， 具有较高的活性。微珠具有 良好 的微集料填充 作用 ， 同时对混凝土的工作性能具有较好 的改善作 用。本试验考察 了超细粉煤灰取代硅灰后对混凝土 性 能 的影 响 ， 试 验 结果如 表 4所示 。 由表 4可知 ，在胶凝材料总量为 7 2 5 k g m。 时 ， 用超细粉煤灰等量取代硅灰后 ， 超高强混凝 土的坍 落度与扩展度均有一定 的增加 ，扩展度变化较大 ， 达到了 7 2 0 m m。 倒塌性能是用倒置的坍落度筒测定 混凝土的排空时间， 用于检验混凝土拌合物粘聚性 的一种方法 ， 可以作为评价混凝土工作性 的一项指 标。由表 4中数据可知 ，胶凝材料总量为 7 2 5 k g m 的超 高强 混凝 土倒 塌 时 间 由 1 4 s 减 少 为 1 0 s 。可 见 掺入 8 超细粉煤灰的超高强混凝土粘聚性有所降 低 ， 工作性能有了一定提高 。 表 4 超细粉煤灰等量取代硅灰试验结果 胶凝材料总量为 7 2 5 k g m 时 ，掺入 8 超细粉 煤灰的超高强混凝土早期强度有所 降低 ， 但是后期 强度较未掺的高 ， 由此可推断双掺超细粉煤灰与硅 灰 比单掺硅灰有较好的增强效果 ， 产生这种效果的 根本原 因是这两种材料 的功能效应 ，即火山灰效 应 、 填充密实效应和微集 料效 应 ， 这些效应在超高 强混凝土结构的形成过程 中相互促进和相互补充 ， 同时这种功能效应有效改善 了混凝土 内部 的孔结 构 ， 不仅使总孔体积随龄期增长而下降 ， 而且混凝 土 中 的无 害孔 增 加 ， 有 害 孔 减 少 ， 使 超 高强 混 凝 土 的 结构 更 加密 实 ， 同时强 度 也得 到 了 一定 程 度 的增 一 1 2 一 加 。 由超高强混凝土拌合物试验发现 ， 用超细粉煤 灰取代硅灰后 ，混凝土的流动性得到了显著提高 ， 降低了混凝土的粘聚性 ， 但保水性变差。因此 ， 从提 高混凝土强度 和改善新拌混凝土工作性 的角度 考 虑 ， 超细粉煤灰不能完全取代硅灰 ， 但 可以进行部 分取代 ， 二者应结合使用 。 2 4 复合硅材对超高强混凝土性能的影响 选用某公司提供的复合硅材进行相关试验 ， 该 复合硅材是由优质的矿石经过超细粉磨 、分级 ， 并 进 行 改性 处 理 而 成 的 ， 其 S i O ： 含 量 大 于 9 2 ， 比表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王斌 ， 李 晓欢 ， 徐芬莲 ， 等矿物掺合料对 C 1 0 0 - C 1 2 0超高强混凝土基本性能的影响 面积 大 于 6 0 0 0 c m2 g 。在 胶 凝 材 料 总 量 不 变 的情 况 下 ，考察复合硅材对超高强混凝土性能的影响 ， 其 对超高强混凝土工作性试验结果如表 5所示 ， 对超 高强混凝土的抗压强度影响如图 3所示。 表 5 掺复合硅材超高强混凝土 的工作性 能试 验结果 山 皇 挂 鲢 憩 1 0 0 9 0 +3 d 一 7 d 5 6 7 8 9 1 O 复合硅 材掺 量， 图 3 不 同掺量 复合 硅材 对超高强混凝土强度的影响 由表 5可知 ， 随着复合硅材掺量 的增加 ， 超 高 强混凝土 的坍落度变化不大 ，在复合硅材掺量 为 1 0 时 ， 其坍落度仅增加 了 l O mm； 扩展度随着复合 硅材掺量 的增加有较 大的变化 ； 同时可知 ， 随着复 合硅材掺量 的增加 ， 超高强混凝土的倒塌时间在逐 渐减少 ，掺 5 复合硅材的倒塌时间要 比掺 1 0 复 合硅材 的多 7 s ， 可见复合硅材对超高强混凝土的工 作性有一定 的改善 ， 使超高强混凝 土的粘聚性有一 定的降低 。复合硅材 的密度 比水泥的密度小 ， 当用 掺合料 等量取代水泥时 ， 所用混凝土掺合料的体积 就有所增加 ， 这样就会为超高强混凝土拌合物提供 更多的浆体 ， 从而使混凝土拌合物的流动性有所改 善 ； 同时 ， 复合硅材的颗粒形态接近球形状态 ， 所 以 颗粒堆积后相互之 间的机械摩擦力就比较小 ， 而且 润湿其表面所需要 的水分就较少 ， 达到相 同润湿度 的用水量就少 ， 有利于提高混凝土拌合物的工作性 能 。 由图 3可知 ， 在胶 凝材料总量不变 时 ， 掺入 复 合硅材 的超 高强混凝 土抗压强度呈现出先 降低后 增长的趋势 ， 掺 8 复合硅材 的混凝土 3 d抗压强度 较 掺 5 复合 硅材 的 降低 约 1 0 ， 随 着龄 期延 长 ， 两 者 的差值逐渐减小 ； 掺 1 0 复合硅材 的超高强混凝 土早期与后期强度均较掺 5 复合硅材的高。 5 6 d龄 期 时抗压强度随着复合硅材掺量 的增加而增加 ， 抗 压强度在 1 4 0 - 1 5 0 M P a之间。复合硅材的掺人使超 高强混凝土胶凝体系中的 S i O 含量增多 ， 水化反应 产物增加 ， 使矿物掺合料在超高强混凝 土中的“ 功 能 效 应 ” 得 到 了进 一步 加 强 。复 合 硅材 的颗粒 粒 径 比超细粉煤灰与硅灰的颗粒粒径均大 ， 而 比水泥的 颗粒粒径要小 ， 使超高强混凝土的胶凝材料体 系的 颗粒分布更加合理 ， 增加了超高强混凝土结构 的密 实 度 ， 提 高 了抗压 强度 。 3结论 ( 1 ) 通过水泥掺量 、 超细粉煤 灰掺量与胶凝材 料总量对机制砂超高强混凝 土性能的影 响进行正 交试验 ， 得出对超高强混凝土 5 6 d抗压强度影响最 显著的是水泥在胶凝材料 中所 占的比例 ， 其次为超 细粉煤灰掺量， 最后是胶凝材料总量。 ( 2 ) 硅灰 的 掺入 使 混 凝 土 的 流 动 性 变 差 ， 粘 度 增加 ， 在掺量为 8 时混凝土的强度最高。当用超细 粉煤灰等量取代硅灰后 ， 混凝土的流动性得到 了显 著提高 ， 粘聚性明显降低 ， 但保水性变差 ， 超细粉煤 灰与硅灰复掺可使超高强混 凝土获得较佳 的工作 性 能与强 度 。 ( 3 ) 复合硅材掺量在 1 0 以内时 ， 超高 强混凝 土的抗压强度呈现出先 降低后增 大的趋势 ，掺人 1 O 复 合 硅材 的超 高 强混 凝 土 5 6 d抗 压 强 度 在 1 4 0 -1 5 0 MP a之 间 。 参 考 文 献 ： 1 杨久俊 ， 吴科 如 混凝土科学未来发 展的思考 J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 3 - 9 2 王震 宇 ， 陈松来 ， 袁杰 活性粉末 混凝土 的研 究与应 用进 展 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 3 9 - 4 1 3 张承志 商 品混凝土 M 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 f 4 】 潘钢华 ， 甘元 玉 ， 等 超 细粉煤灰 与硅灰 复合 对高性 能混 凝土强度的影响l J 1 混凝土 ， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 2 1 2 7 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 1 3 0 作者简介 ： 王斌 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 硕士 。 通讯地址 ： 成都 市成 华区龙潭 寺建设村 5 组 联 系电话 ： 1 3 4 3 8 1 0 1 7 6 3 E- ma il ： wb 2 0 0 5 - 2 1 2 6 c o m 一 1 3一 印 加 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m