冻结深井用C100高强高性能混凝土基本力学牲能及机理研究.pdf

全 国中文核心期刊 新 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 冻结深井用 C 1 0 0离强离性能混凝土 基本力学牲能及机理研究 蒋林华， 熊传胜 ， 储洪强， 徐宁 ( 河海大学 力学与材料学院， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 从混凝土拌合物和硬化混凝土2 个方面研究了C 1 0 0 高强高性能混凝土的力学性能， 采用 X R D 、 S E M以及M I P等微观研 究方法 ， 分析 了 CI O 0高强高性能混凝土与普通混凝 土相比力学性 能得到 改善 的微观机制 。 结果表 明： 矿物掺合料对 C1 0 0混凝土的 力学性能有较大 影响， 原因是掺合料 与水 泥水化产物发生 了“ 二次水化 ” 反应， 增加 了混凝土 中 c s H凝胶 的含 量； C1 0 0混凝土 的 泊松 比为 0 2 0 0 2 4 ， 抗压弹性模量约为 5 0 G P a ， 抗拉弹性模量约为 1 1 0 G P a 。 关键 词： C 1 0 0 高强高性能混凝土； 拌合物工作性； 力学性能； 微观机理 中图分类号： T U 5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 6 7 0 5 Re s e a r c h o n b a s i c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d m e c h a nis m o f CI O 0 h i g h s t r e n g t h a nd h i g h p e r f o r ma n c e c o nc r e t e f or f r o z en s ha f t J l ANG Li n h u a ， XI ONG C h u a n s h e n g ， C HU Ho n g q i a n g ， XU N讯g ( C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， Ho h a i U n i v e r s i t y ， N a mi n g 2 1 0 0 9 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f C1 0 0 h i g h s t r e n g t h a n d h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e a r e r e s e a r c h e d i n b o t h a s p e c t s o f c o n c r e t e mi x t u r e an d h a r d e n e d c o n c r e t e An a l y s i s i s pe rfo r me d o n i mp r o v i n g me c ha n i s m o f me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f C1 0 0 h J g h s t r e n gth a nd hi g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e d i f f e r e n t t o o r d i n a r y c o n c r e t e b y s o me mi c r o s c o p i c me t h o d s of XRD， S EM a n d MI PTh e r e s ui t s s h o we d t h a t ： Mi x e d mi n e r als h a v e g r e a t i n fl u e n c e o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s of C1 0 0 h i g h s t r e n gth a n d h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e 。 b e c a u s e o f t h e “ S e c o n d h y dr a t i o n ” be t we e n mi x e d mi n e r a l s a n d hy d r a t e d c e me nt ， w hi c h i n c r e a s e d t h e c o n t e n t of C S H g e 1 T h e Po i s s o n r a t i o o f C1 0 0 c o n c r e t e i s 0 2 0 - 02 4， t h e mo d u l u s o f t h e e l a s t i c i t y i n c o mp r e s s i o n i s a b o u t 5 0 GP a， a n d t h e t e n s i o n al mo d u l u s of t h e e l a s tic i t y i s 1 1 0 GP a o r s o Ke y wo r d s ： C 1 0 0 h i g h s t r e n gth a n d h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ； w o r k a b i l i t y o f c o n c r e t e m i x t u r e ； me c h a n i c a l p r o p e rt i e s ； mi c r o - s c o p i c me c h a n i s m 随着混凝土技术的发展，高强高性能混凝土在实际工程 中得到了越来越广泛的应用。高强高性能混凝土不仅具有力 学稳定性、早期强度高等特性，而且还具有韧性和体积稳定 性， 特别适用于高层建筑桥梁、 深井以及暴露在严酷环境下建 筑物的混凝土 i - 2 。 山东郓城煤矿深约9 0 0 m ， 井筒采用冻结法 施工， 井壁为双层钢筋混凝土结构。 井壁不仅要承受巨大的地 基 金项 目： 国家 自然 科学基金项 目( 5 0 9 7 8 0 8 5 ， 5 0 8 0 8 0 6 6 ) ； “ 十一 五” 国家科技支撑计划重大项 目( 2 0 0 6 B A B 0 4 A 0 5 ) ； 江 苏省六 大人才 高峰项 目( 2 0 0 9年 A类) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 一 O 8 作者简 介： 蒋林华 ， 男 ， 1 9 6 3年 生， 江苏苏州人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主 要从事水工混凝土材料及其耐久性方 面的研究。通讯作者 ： 熊传胜 ， 地址 ： 南京市西康路 1 号 ， E ma i l ： x c s 1 9 8 7 0 6 1 7 1 6 3 e o m。 压、 井筒使用期间的竖向附加力， 冻结法施工时还要承受建井 时期的冻结压力， 而且深厚表土层往往含水丰富、 地压大、 水 头高， 所建的井筒存在渗水、 漏水以及地下水中有害离子的腐 蚀问题。若采用普通混凝土， 井壁体积和厚度均加大， 而且抗 渗等耐久性能远不如高性能混凝土，不仅增加了混凝土的用 量和岩土的开挖量， 而且对后期使用造成很大的影响。因此， 为了克服普通混凝土的不足，在该结构中采用 C 1 0 0 高强高 性能混凝土。 实践表明， 采用C 1 0 0 高强高性能混凝土可以降 低井壁厚度， 减轻结构自重， 减少材料和能源消耗， 节省工程 投资l3 1 。 C I O 0 高强高性能混凝土在冻结深井建筑上的应用取 得了很好的效果， 社会经济效益和意义重大。 混凝土的力学性能主要包括混凝土拌合物的性能及硬化 混凝土的力学性能，混凝土的力学性能是工程设计和质量控 制的重要依据。 因此， 本文对C 1 0 0 高强高性能混凝土的拌合 NE W BUI L DI NG MATE RI AL S 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋林华， 等： 冻结深并用 C 1 0 0高强高性能混凝土基本力学性能及机理研究 物性质、 抗压强度、 抗拉强度、 轴心抗压强度等主要力学性能 进行了研究， 并采用X R D 、 S E M、 M I P等微观分析方法对高强 高性能混凝土的改善机理进行了分析。 1 试验 1 1 原材料 水泥： 山东水泥厂生产的P 0 4 2 5 水泥( 郓城煤矿施工用 材) ， 其性能指标见表 l ； 粗骨料： 5 1 6 fi l m碎石( 郓城煤矿施 工用材) ， 压碎指标7 6 5 ， 性能指标见表2 ； 细集料： 河砂( 郓 城煤矿施工用材) ， 颗粒级配合格， 性能指标见表2 ； 硅粉： 上 海生产， 平均粒径0 1 5 0 2 0 m ， 比表面积 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 m 2 妇， 具有极强的表面活性； 粉煤灰： 南京产 I 级F 级灰， 化学组 成见表 3 ； 矿粉： 南京产$ 9 5 矿粉， 比表面积4 3 6 0 c m 2 g ， 化学 组成见表3 ；外加剂：江苏博特新材料有限公司生产的J M P C A ( I ) 型聚羧酸系减水剂。 表 1 水 泥的性能指标 表 2 碎石和砂的性 能指标 表观密度 堆积密度 紧密密度 含泥量泥块针片状细度 ， ( k g m3) ， ( k g m ) ， ( k g m ) ， 含量 含量， 模数 碎石 2 6 2 0 1 5 1 0 1 5 7 0 0 2 0 2 砂 2 6 2 0 1 4 9 0 1 6 4 0 0 0 3 0 表 3 粉煤灰和矿粉 的化 学成分 项 目S i O z A I 2 0 3 F e 2 O 3 C a O Mg O S O 3 K z O N a 2 O P z O 5 F e O L OI 粉煤灰 5 0 9 9 3 1 3 4 5 9 3 3 9 0 1 2 7 1 4 5 1 5 0 0 1 9 2 5 2 矿粉3 2 4 0 1 6 2 1 5 9 3 3 6 3 5 1 0 5 9 1 4 5 1 2 7 0 6 8 0 7 5 1 2 试验方案 参考已有的研究成果 o l ， 初步确定高强高性能混凝土中 胶凝材料总量为6 0 0 k g m 、 砂率为4 0 ， 混凝土的密度为 2 4 5 0 k g m 。 。设计的试验配合比见表4 。 表 4 高强高性能混凝土试验配合 比 注 ： 掺合料及外加剂掺量按 占胶凝材料总量计。 - 6 8新型建筑材料 2 0 1 2 7 2 试验结果与讨论 2 1 拌合物性能 新拌混凝土作为一种介于流体和含水粒子堆聚物之间的 中间体， 其流动性、 黏聚性及保水性的好坏体现了混凝土很重 要的一个性能， 即工作性。 新拌混凝土的工作性( 也称和易性) 是指新拌混凝土易于施工操作( 拌合、 运输、 浇筑、 振捣) 并质 量均匀、 成型密实的性能。 为了使生产的混凝土达到所要求的 强度和耐久性，选择特定的原材料和配合比的同时还必须保 证新拌混凝土有良好的工作性能。如果新拌混凝土的工作性 能达不到要求， 在一定的施工条件下， 就不能生产出密实和匀 质的混凝土。 因此， 新拌混凝土工作性能的好坏直接影响到混 凝土的应用和推广。 表5 为混凝土拌合物的工作性能，试验过程中观察发现 拌合物的保水性和黏聚性均良好， 无泌水现象发生。 表 5 混凝土拌合物 的工作性能 试样 CI O I O C 1 5 1 5 C 1 0 2 0 C 2 0 0 0 C 0 0 2 0 C1 0 2 0 初始坍落度 c m 1 5 5 1 8 5 1 7 5 1 2 9 1 0 6 1 7 0 1 h坍落度 c m 1 2 8 1 9 1 1 9 3 1 2 3 1 0 5 1 7 2 表观密度 ( k g m 3 ) 2 4 9 2 2 4 9 7 2 4 3 6 2 4 8 4 2 4 7 5 2 4 8 5 由表5 可以看出，这6 组配合比混凝土拌合物的流动性 较好， 1 h 坍落度损失较小， 有的配比1 h 坍落度还有所增大。 原因是采用聚羧酸系高效减水剂。 现场试验发现， 当减水剂掺 量增至3 0 时， 混凝土拌合物的坍落度均可达到2 0 c m以上， 从而实现C 1 0 0高强高性能混凝土的高流动性和可泵性。 2 2 抗压强度 C 1 0 0高强高性能混凝土破坏后剥除表面碎屑，试件呈2 个倒四面体形状，和普通混凝土破坏后的形状相似。由于 C 1 0 0 混凝土的强度较高， 在破坏时会发出很大的爆裂声， 并伴 有混凝土碎片飞出， 在此过程中还可以观察到混凝土破坏时倒 四面体表面骨料也发生了断裂。 抗压强度试验结果见图1 。 l 40 1 2 O 星 1 0 0 越8 0 置6 0 4 O 2 0 0 C 1 0 1 0 C 1 5 1 5 C 1 0 2 0 C 2 0 0 0 C 0 0 2 0 C1 0 2 0 编号 口 l d 3 d 口 7 d 2 8 d 图 1 混凝土抗压强度试验结果 从图1 可以看出，养护龄期对不同配合比的C 1 0 0 混凝 土抗压强度的影响几乎相同， 总的趋势是早期( 3 d内) 强度增 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋林华， 等： 冻结深井用 C I O 0高强高性能混凝土基本力学性能及机理研究 释了C 1 0 0 混凝土的高抗渗及高抗氯离子侵蚀能力。 4 结语 ( 1 ) 胶凝材料用量为5 7 0 k C m 的混凝土2 8 d 抗压强度只 有1 0 4 5 M P a ， 低于 C 1 0 0的要求； 掺4 0 掺合料混凝土的早 期( 3 d ) 强度要低于3 0 掺合料混凝土， 但随着龄期的增长 其强度逐渐接近3 0 掺合料混凝土， 最终超过3 0 掺合料混 凝土。 ( 2 ) 掺 1 5 粉煤灰和 1 5 矿粉的高强高性能混凝土拉压 比最小， 而掺 1 0 粉煤灰和1 0 矿粉的拉压比最大。 ( 3 )C 1 0 0 混凝土的泊松比为0 2 0 0 2 4 ，抗压弹性模量 约为5 0 G P a ， 抗拉弹性模量约为 l 1 0 G P a 。 ( 4 ) 掺合料与水泥水化产物发生了 “ 二次水化” 反应， 有利 于增加混凝土中c s H凝胶的含量， 有利于进一步提高超高 强混凝土的强度和稳定性； 2 8 d时混凝土中含有大量未水化 颗粒， 这些未水化颗粒与水化产物以及粗细集料的颗粒搭配， 使得混凝土更加密实； C 1 0 0 混凝土凝胶孔含量增加，大孔减 少， 与C 7 0 相比孔隙明显细化。 参考文献： 1 Me h t a P KP r o c e e d i n g s I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n H i g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e C H Hi g h p e rf o r m a n c e c o n c r e t e f o r t h e f u t u r e Br a z i l Un i v e r s i t y o f S a n t a Ca t a r i n a , 1 99 6 ： 2 2 5 2 42 2 Me h t a P KDu r a b i l i t y - c r i t i c a l I s s u e s for t h e F u t u r e 叨 C o n c r e t e I nt e r n a t i o n a l ， 1 9 9 7( 7 )： 2 7 3 3 3 河海大学材料科学与工程学院， 中煤七十一工程有 限公司 冻结 深井高性能混凝土试验研究报告 R J 2 0 0 6 4 4 陈景 高性 能混凝 土制备 与力学性 能研 究【 D 南京 ： 河海 大学 ， 2 0 0 6 5 崔鹏飞 南水北调 中线工程 高性能混凝土抗碳化性能研究 DJ 南 京 ： 河海大学 ， 2 0 0 4 6 】 A b d u l R a z a k H， Wo n g H S S t r e n g t h e s t i ma t i o n m o d e l f o r h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g me t a k a o l i n a n d s i l i c a f u me J l_ C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 5 ， 3 5 ： 6 8 8 6 9 5 7 B h a r a t k u m a r B H， N a r a y a n a n R， R a g h u p r a s a d B K， e t Mi x p r o p o r t i o n i n g o f h i g h p e r f 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 C o mp o s t i e s ， 2 0 01 ， 23 ： 71 8 O 8 】 陈建奎 ， 王栋 民 高性能混凝土 ( HP C ) 配 合比设计新法全计 算法 J 硅 酸盐 学报 ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 4 1 9 8 9 】 冯 乃谦 高 性 能混凝 土 M 北京 ： 中国建 筑工 业 出版 社 ， 1 9 9 6 ： 3 61 3 7 4 1 0 王世海 ， 王世 芳， 潘文学 高强免振 C 8 0 C1 0 0级高性 能混凝土 的应用研翘 J 】 山东建材， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 5 0 - 5 3 A ( 上接第 5 2页) 3 结语 ( 1 ) 石膏砌块防水剂以含氢硅油为主要基料， 以0 P 一 1 0 、 T w e e n 一 8 0 和S p a n 一 8 0 为防水剂的乳化体系， 使防水剂的H L B 值为1 0 1 1 ， 通过高剪切乳化机乳化制成稳定的硅油水乳液， 确定含氢硅油含量为2 7 。 ( 2 ) 以丙烯酸乳液和改性胶为成膜物， 在石膏砌块内形成 一 层阻水膜， 降低石膏砌块的吸水率， 提高砌块的防水性能。 乳液和改性胶的适宜添加量为3 0 一 4 0 。 ( 3 ) 以硫酸钾作为防水剂的促凝剂， 可明显调整石膏的凝 结时间， 其添加量为0 3 。 ( 4 ) 采用水乳型含氢硅油作为防潮型石膏砌块的防水剂， 当添加量为3 时， 石膏砌块软化系数可达O 7以上， 且对砌 块的断裂荷载影响很小。 ( 5 ) 根据防水剂的固含量， 实际加水量应减去防水剂中含 水量， 即实际水灰比应减少， 一般水灰比降低5 一 1 0 。 参考文献： 1 张国辉 ， 关瑞芳 ， 李建权 ， 等 复合型石 膏防水 剂的研 制 J 】 _济南大 学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 2 0( 2 ) ： 1 1 7 1 2 0 2 刘晓莉 ， 丁宏 ， 张莉 我 国建筑 防水石 膏的发展 中国建材 ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 6 8 7 0 3 1 刘晓莉 防水空心石 膏砌块 的研 制【 J J 新型建 筑材料 ， 1 9 9 9( 5 ) ： 4 6 4 7 张 向东 ， 陈吉春， 余军 ， 等HL B值在石 膏防水剂 中的应用 J 1 建材 技术与应用， 2 0 0 6( 5 ) ： 5 5 5 6 A N E W BUI L DI NG M ATE RI AL 5 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m