超细水泥活性粉末混凝土的配合比设计.pdf

第 1 7卷第 4期 2 O 1 4年 8月 建筑材料学报 1 0URNAL OF BUI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 1 7 No 4 Aug ， 2 01 4 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 6 5 9 0 7 超 细水泥活性粉末 混凝 土的配合 比设计 邓 宗才 ， 肖 锐 ， 申 臣良 ( 1 北京 工业 大 学 城市 与工 程安 全减 灾省 部共 建教 育部 重点 实验 室 ， 北京 1 0 0 1 2 4 ； 2 北京 正华 混凝 土有 限责任公 司 ， 北 京 1 0 0 0 6 1 ) 摘要 ：为 了使 原材料 来源更 好地 满足 实际 工程 需要 ， 通过 试 验 成 功 制备 了不掺 硅 粉 的 新 型超 高性 能混 凝 土 ， 即超 细水 泥活性 粉 末 混 凝 土 ( S C R P C) ， 并研 究 了水胶 比、 砂 胶 比、 外 加 剂掺 量 、 骨料 粒 径 范 围、 普通 水 泥及矿 物掺 和料 对 S C - R P C砂 浆 体抗 压 强度 、 ( 含 水 ) 孔 隙率 、 拌 和 物流动 度 的影响 试验 结果 表 明 ： 超 细 水 泥 可 单 独 作 为 粉 料 制备 S C R P C； 混 掺 3 O oA ( 质 量 分 数 ) 粒 化 高炉 矿 渣 粉 、 1 0 ( 质量分数) 粉煤灰后材料抗压强度最高， 拌和物流动度最大， 且经济性较好； 采用普通水泥取 代 部 分超 细水 泥 导致材 料 孔 隙率 增 大 ， 抗 压 强度 降低 ； 可针 对 工程 需要 筛 分 出粒 径 范 围合 适 的普 通 河砂 制备 S C R P C； 建议 使 用适 量 消 泡剂 增加 材 料 密 实度 在 试 验基 础 上 建 立 了水胶 比、 孔 隙率 双 因素控 制的 S C RP C砂 浆体抗 压 强度预 测模 型 ， 并 给 出掺 入钢 纤 维后材 料抗 压 强度 的计算 方法 关 键 词 ：超 高性 能混凝 土 ；超 细 水泥 ；配合 比设 计 ；计算模 型 中图分 类 号 ： TU5 2 8 3 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 4 O 1 8 M i x Pr o p o r t i o n De s i g n o f Re a c t i v e Po wd e r Co n c r e t e wi t h S u p e r f i n e Ce m e n t D EN G Zo ngc ai ，X I AO Rui ，SH EN Che nHa ng。 ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f Ur b a n S e c u r i t y a n d Di s a s t e r En g i n e e r i n g ，Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ，B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4，Ch i n a；2 B e i j i n g Z h e n g h u a Co n c r e t e Co ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 0 6 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t：To i mpr o v e t he r a w m a t e r i a l r e s ou r c e s o f ul t r a hi gh p e r f o r ma nc e c on c r e t e( U H PC)f or c o ns t r u c t i o n a n d a p p l i c a t i o n，8 n e w k i n d o f UHP C r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e wi t h s u p e r f i n e c e me n t( S C RP C)wa s p r e pa r e dA n d t he i nf l u e nc e s of wa t e r t o bi nd e r r a t i o，s a n d t o bi n de r r a t i o，d os a g e o f a d di t i v e s，s i z e r a ng e o f a g g r e g a t e o f s a n d，r e p l a c i n g a mo u n t o f s u p e r f i n e c e me n t ( S C)b y o r d i n a r y P o r t l a n d c e me n t ( OP C) ，f l y a s h ( F A)a n d g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e ( GGB FS )o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，v o i d r a t i o a n d f l u i d i t y o f S C RPC m o r t a r we r e i nv e s t i g a t e d Th e t e s t r e s ul t s s ho w t ha t SC c a n be us e d a s t h e b i nde r s ol e l y t o pr e p a r e S C RPCBy u s i n g 3 0 GGBF S a n d 1 0 F A t o r e p l a c e t h e a mo u n t( b y ma s s )o f S C，t h e c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f SC RPC mor t a r i s t h e hi g he s t ，t he f l u i d i t y i s t h e be s t Bl e n di n g wi t h OPC c a u s e d v o i d r a t i o of t h e m a t e r i a l i nc r e a s e a n d c o m p r e s s i v e s t r e ng t h d e c r e a s e To f i t t he r e q ui r e m e nt o f c o ns t r uc t i on p r o j e c t ，o r d i n a r y r i v e r s a n d wi t h s u i t a b l e s i z e r a n g e c a n b e u s e d a s a g g r e g a t e Th e s u i t a b l e d o s a g e o f d e f o a m i n g a ge nt wa s r e c o m me nd e d t o b e a dd e d i nt o t he mi x t ur e t o i nc r e a s e t h e de ns i t y The c ompu t a t i o n mod ul e of t h e c o mpr e s s i v e s t r e n gt h i nf l u e nc e d b y f a c t or s of wa t e r t o bi nd e r r a t i o a nd v oi d r a t i o was e s t a b l i s h e d f o r m i x p r op o r t i on de s i g n o f SC- RPC mo r t a r，a nd t he f a c t or o f s t e e l f i b e r c o n t e nt wa s a l s o c ons i d e r e d t o c a l c u l a t e t he c o m p r e s s i v e s t r e ng t h o f SC RPC Ke y wo r d s：ul 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 ；s u p e r f i n e c e me nt ；mi x p r o po r t i o n d e s i gn；c o mp u t a t i o n mo d ul e 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 2 9 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 2 01 31 1 O 31 1 0 O 1 7) 2 1 ( 5 1 3 7 8 0 3 2 ) ； 北 京 市 自然科 学 基 金 资 助 项 目 ( 8 1 4 2 0 0 5 ) ； 教 育 部 博 士 点 基 金 资 助 项 目 第一作者 ： 邓宗才( 1 9 6 1 一) ， 男 ， 陕西扶风人 ， 北京工业大学教授 ， 博士生导师 ， 博士 E ma i l ： d e n g z c b j u t e d u o i l 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 第 4 期 邓宗才 ， 等 ： 超 细水 泥活性粉末混凝 土的配合比设计 2试 验 结 果 分 析 2 1 水 胶 比、 砂胶 比对 砂 浆性 能的影 响 水胶 比 m m ， 砂胶比 。 对砂浆体抗压强 度 ， 孔隙率及拌和物流动度的影响如图 2 所示 固定 砂 胶 比 1 O 0：1 2 0 ， 减 水 剂 掺 量 2 K 0 ， 消 泡 剂 掺 量 2 当水胶 比由 0 1 5增 至 0 1 8时 ， 拌 和 物 的 流 动 度改善 ， 孔隙率降低 ， 抗压强度保持稳定 水胶 比增 至 0 2 0时 ， 虽 然 拌 和物 流 动 度 继续 增 长 ， 但 孔 隙率 不再 下 降 过量 用水 导致 试件 中 自由水 含量 增加 ， 密 实度 降低 ， 抗 压强 度迅速 下跌 因此 试验 水胶 比不宜 超过 0 1 8 1 0 0： 1 o o 1 o 0： 1 0 5 1 O 0： 1 1 0 1 O 0： 1 1 5 1 o o ： l _2 0 1 O 0 ： 1 2 5 m J mb ( a ) C o mp r e s s i v e s t r e n g t h md mb m Jm b m J mb 图 2 水胶 比、 砂胶 比对砂浆体抗压强度 、 孔隙率及拌和物流动度 的影 响 Fi g 2 I nf l u e nc e of wa t e r t o bi nde r r a t i o a nd s a nd t o bi nd e r r a t i o o n c o mpr e s s i ve s t r e n gt h v o i d r a t i o ( b y ma s s ) a n d s p r e a d v a l u e o f S C RP C mo r t a r 固定 胶 凝 材 料 用 量 ， 水 胶 比为 0 1 7 ， 当砂 胶 比 由 1 O 0： 1 O 0降至 1 O 0：1 2 5时 ， 试件抗压强度 保持稳 定 ， 拌 和物 流动度 逐 渐增 大 故改 变砂 胶 比可 在 一 定范 围 内调 整 拌 和 物 的 流变 性 ， 且 不 会 明显 影 响试件抗压强度 试件孔隙率在砂胶 比 1 O 0：1 O 0 时最高， 且随砂胶比下降有所 回落， 因为砂胶 比的下 降增大了拌和物的流动度 ， 气泡更易排出 考虑到工 作性 和经 济性 ， 将砂 胶 比控 制在 1 O 0： 1 1 O并继 续 试 验 2 2外加 剂掺 量对 砂 浆性 能的影 响 不 同水胶比下消泡剂、 减水剂掺量对砂浆体抗 压强度 、 孔隙率及拌和物流动度 的影响见图 3 由图 3可 知 ， 减 水 剂 掺 量 2 ， 水 胶 比 分 别 为 0 1 6和 0 1 7时 ， 当消 泡剂 掺量从 0 增 加 到 4 时 ， 材 料 抗 压强度增长显著 ， 孔隙率迅速下跌 继续增大消泡剂 掺量 ， 抗压强度和孔隙率保持稳定 ， 说 明 4 消泡剂 掺 量 为充足 用量 2种水 胶 比下消泡 剂 掺量 6 时 拌 和物 流动度 相对 较高 当减水 剂掺 量 由 1 2 增 长至 2 0 时 ， 材 料 的 抗 压强 度 和孔 隙率 未 出现 规 律性 变 化 ， 拌 和物 流 动 度 略 降 故减 水 剂 掺 量 1 2 已满 足 抗 压 强 度 和 流 动度 要求 在 工程 应 用 时 需 考 虑 减水 剂 对 拌 和 物凝 结时间的影响来适 当调整其掺量 随后 的试验中均 使用 1 _ 5 的减水剂掺量 2 3骨料粒 径 范围对 砂浆 性能 的影 晌 为 最大 限度减 小 缺 陷 ， UHP C 的骨 料 通 常选 用 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 第 4期 邓宗才 ， 等 ： 超细水泥活性粉末混凝 土的配合比设计 尾 砂 中 的含 泥会 对 材料 强度 和离 散性 以及 拌 和物 的 流动性 造 成 不 利 影 响 ， 使 骨 料 中含 有 粒 径 小 于 0 1 6 mm尾 砂 的 试 块 抗 压 强 度 低 于 筛 去 尾 砂 的 试 块 ， 前者 抗压 强度 的离散性 也 高于 后者 ， 拌 和物 流 动 度则 低 于后 者 尾 砂 在骨料 中含量越 高 ， 拌 和物 的 流 动度越低 不 同骨料粒径 范围的试块孔隙率均控 制 在 0 9 以 内 另外 ， 粒径 范 围为 0 1 6 0 6 3 ml T l 的 试件 ( 编 号 A1 1 ) 抗 压 强度 最高 ， 为 1 4 8 MP a ， 离 散性 最小 ， 且 拌 和物 流 动 度 最 大 ， 这 是 因 为试 件 A1 1同 时降低了骨料 中粗颗粒缺陷和砂中含泥造成 的不利 影 响 2 4普 通水 泥 、 矿 物 掺和 料对 砂 浆性能 的影 响 分别 采用 普通 水 泥 、 粉煤 灰 和粒 化 高 炉 矿 渣 粉 等质量取代部分超细水 泥， 其取代 量与砂浆体抗压 强度、 孔隙率及拌和物流动度的关 系见表 3 表 中编 号 E 0表 示未 经 取 代 的 配 合 比 ， P， F和 G 分 别 表 示 普 通水 泥 ， 粉煤 灰和 粒化 高炉 矿渣 粉 ， 字母 后 的数 字 对应取代量 ( ) 由表 3可知 ， 当普通水泥取代部分 超细水泥时 ， 材料孔隙率明显提高 ， 密实度下降， 故 抗压强度下降 取代后的拌和物流动度呈下降趋势 表 3 普通水泥 、 矿物掺和料对砂浆体抗压强度 、 孔隙率及拌和物流动度的影响 T a b l e 3 I n f l u e n c e o f OPC。F A a n d GGBF S o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， s p r e a d v a l u e a n d v o i d r a t i o o f S C- RP C mo r t a r S a mp l e No R MP a S ram V 粉煤 灰取 代 2 O 超 细水 泥 时 ， 材 料 抗 压 强 度 与 未取代 时 基本 相 同 ， 4 O 的取 代 量 下抗 压 强 度 略有 下降 拌 和物 的 流动 度 随粉 煤 灰 取 代 量 的增 加 呈 下 降趋 势 2 种 取代 量 下材 料孔 隙率 均 比未取 代 时低 粒 化 高炉 矿渣 粉 分 别 取 代 2 0 和 4 0 超 细水 泥时 ， 材料 抗压 强 度 随取代 量 的增加 而上 升 ， 因 为粒 化 高 炉矿 渣粉 可与 水 泥 水化 产 物 C a ( OH) 反 应 生 成低 密度 的 C S H 凝 胶 ， 它 们更 有 利 于 毛 细孑 L 的填 充 _ 7 _ 8 _ 当取代 量从 2 O 升至 4 0 ， 拌 和物 的 流动 度 减 小 2种 取代 量 下 材 料 孔 隙率 极 低 ， 均 在 0 2 以 下 另外 ， 粉 煤 灰 或 粒 化 高 炉 矿 渣 粉 取 代 量 为 6 0 时 ， 拌和 物凝 结时 间过 长 ， 故 不宜采 用 固定 矿物 掺和 料 总 量 ， 变 化 粒 化 高炉 矿 渣 粉 和 粉煤灰 比例 ， 发现 ， 矿物掺 和料的总取代 量为 4 0 时 ， 采用 4 O 粒化高炉矿渣粉的 G 4 O或 3 O 粒化高炉矿 渣粉 +1 0 粉煤 灰 的 F 1 0 G 3 0的抗 压 强度 较高 ， 分别 为 1 5 8 MP a 和 1 6 0 MP a ， 对应 的拌 和物 流 动 度 也 较 高 ； 矿 物掺 和 料 总 取 代 量 为 5 O 时 ， 各 试 件 抗 压 强 度均 比不 掺矿 物掺 和料 时 低 F 1 0 G3 0相 对 经 济 ， 其 抗压 强度 及拌 和物 流动 度 均 最 高 ， 因此 F L O G3 0为 最佳配合比 2 5钢纤 维用 量对 砂 浆性能 的影 响 在配 合 比 F 1 0 G3 0中掺人 钢纤 维 ， 钢 纤维 用 量对 材料抗压强度、 抗折强度、 孔 隙率及拌和物流动度 的 影 响见 表 4 钢纤 维 体 积 分数 ( ) 从 1 上 升 至 4 时 ， 材料 的抗压强 度 R 、 抗 折 强度 R f 均 明显 增长 ， 且 抗折强度增强效果高于抗压强度 由于钢纤维在砂浆 体中的搭接作用， 拌和物流动度明显下跌 即使钢纤 维 体积分 数为 4 ， S &R P C仍 有 良好 的工作性 ， 此时 孔 隙率 控制在 1 2 左右 表 4 钢纤维体积分数对砂浆体抗压 强度 、 抗折强度 、 孔隙率硬拌和物流动度的影响 T a b l e 4 I n f l u e n c e o f s t e e l f i b e r c o n t e n t ( b y v o l u me ) o n c o mpr e s s i v e s t r e n g t h。f l e x u r a l s t r e n g t h，s p r e a d v al ue and v oi d r at i o n f S R P R MP a R MP a S mm V 3 S C RP C的抗压 强度预测模型 Wi l l e 等 E 对 以水泥 和 硅粉 为 胶凝 材 料 的 UH P C进 行 了试 验研 究 和 分 析 ， 发 现 UHP C 中水 胶 比 和孔 隙率 与砂浆 体抗 压 强度 成 比例 关 系 ， 且 为 UH P C抗压强度的主要影响因素 在文献I- 9 的基础上 ， 结合试 验数 据 和分 析结果 ， 发 现原材 料种 类 、 制 备方 式和养护条件固定时， 水胶 比、 孔隙率对 S C R P C的 抗压 强度 有显 著影 响 对试 验 数 据 进 行 多元 非线 性 回归分 析 ， 建立 如下 公式 ： R 一 a ( mb ) V + c ( 1 ) 式 中 ： a ， b ， C为 回 归 分 析 系 数 ， a一 一 1 0 1 6 ， b一 0 0 6 4。 C 一 3 0 9 模型曲线与试验数据 之 间的关 系见 图 5 回归 O O O 0 O O O ， F F F F 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 第 4 期 邓 宗才 ， 等 ： 超细水泥活性粉末混凝土 的配合 比设计 6 6 5 l 上接第 6 2 2页 ) 1 3 F R ANCO M， RI NAL DI G P o l y - a mi n o p h e n o l i c a d d i t i v e s a c c e l e r a t i n g t h e c a r b o n a t i o n o f h y d r a t e d l i me i n mo r t a r J E n v i r o n En g S e i ， 2 00 2， 1 9 ( 4 )： 2 7 1 - 2 7 6 1 4 1 P AND EY S P ， S HAR MA R L Th e i n f l u e n c e o f mi n e r a l a d d i t i v e s o n t h e s t r e n g t h a n d p o r o s i t y o f O P C mo r t a r J C e me n t a n d Co nc r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0 ( 1 )： 1 9 - 2 3 1 5 L ANAS J ， AL VARE Z J I Ma s o n r y r e p a i r l i me b a s e d mo t t a r s ： F a c t o r s a f f e c t i n g t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r J C e me n t a n d Co nc r e t e Re s e a r e h， 2 0 0 3， 3 3 ( 1 1 )： 1 8 6 7 - 1 87 6 r 1 6 RODRI GUEZ NAVARRO C， CAZALLA O， ELERT KLi e s e g a n g p a t t e r n d e v e l o p me n t i n c a r bo na t i n g t r a d i t i o n a l l i me mo r t a r s C f P r o e R S o c L o n d A Ma t h e ma t i c a l P h y s i c a l a n d En g i ne e r i n g Sc i e n c e s Lo n d o n： Th e Ro y a l So c i e t y， 2 00 2： 2 2 6 1 2 2 7 3 1 7 魏 国锋 ， 方世强 ， 张秉坚 ， 等 传统 糯米灰浆碳化过 程中 L i e s e 1 8 g a n g环的形成 机 理 研究 J 光谱 学 与 光 谱 分 析， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 8 )： 2 1 8 1 - 21 8 4 W E I Gu o f e n g ， F ANG S h i q i a n g ， Z HAN G B i n g j i a n， e t a 1 S t u d y o n t h e m e c h a nis m o f Li e s e g a n g p a t t e r n d e v e l o pme n t d u r i n g c a r b o n a t i n g o f t r a d i t i o n a l s t i c k y r i c e l i me mo r t a r J S p e c t r o s c o p y a nd S p e c t r a l Ana l y s i s ， 2 0 1 2， 3 2( 8)： 21 8 1 2 1 8 4 ( i n Ch i ne s e ) EI TURKI A， BAI L R J， H0I MES S， e t a 1 En v i r o n me nt a l c y c l i n g a nd l a b o r a t o r y t e s t i n g t o e v a l u a t e t he s i g n i f ic a n c e o f mo i s t u r e c o n t r o l f o r l i me mo r t a r s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 0， 2 4 ( 8 )： 1 3 9 2 1 3 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m