含粗骨料的超高性能混凝土抗压强度的影响因素.pdf

第 3 3卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r V0 L 33 No 6 De e 2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 25 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 0 5 0 5 含粗骨料 的超高性能混凝土抗压强度的影响因素 朋改非 ，杨 娟 ，高育欣 ，王 斌 ( 1 北 京交通大学 土木建筑工程 学院， 北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 中建商 品混凝土有 限公 司 成都分公 司， 四川 成都 6 1 0 0 1 7 ) 摘 要 ： 使用普 通原 材料和高性能减水剂成功制备 出抗 压强度值超 过 1 3 0 M P a的超高 性能混凝 土， 并试验 研 究 了其 抗压强度 的影响 因素 包括水胶 比、 粗 骨料的颗粒粒径 、 细骨料 的细度模数 、 胶凝材料 的掺量 、 矿物掺合 料 和钢 纤维 结果显示 ， 各 因素均对超 高性 能混凝土的抗压强度有一定影 响， 尤其是水胶 比和矿物掺合料影响 显著 当水胶 比介 于 0 2 1和 0 2 4之间时 ， 超 高性 能混凝土的抗压强度随着水胶 比的增大而 降低 ， 但水胶 比为 0 1 6的超 高性能 混凝 土抗 压强度 值反 而低 于水 胶 比为 0 1 8的混凝 土的抗 压强 度 硅 灰 、 粉煤 灰和矿 粉 以 1 ： 2 ： 1 的质量 比混掺使用最有利 于提高超高性能混凝土 的抗压强度 ， 2 8 d龄期 时抗压强度值 达到 1 3 8 M P a 关键词 ： 超高性能混凝土 ； 粗骨料 ； 抗压 强度 超高性能混凝土因其超高抗压强度和超高耐久 性等 良好 性 能 越来 越 受 到 国 内外研 究 学 者 的关 注。 超高性能混凝 土包括不含粗骨料 的活性粉 末 混凝 土 ( R e a c t i v e P o w e r C o n c r e t e ， R P C) 和 抗 压 强 度值高于 1 0 0 MP a的含粗骨料超高性能混凝土 ( 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 ， U H P C ) 2种 日本 5 9层两塔建筑使用的超高性能混凝土 的 抗压强度值约为 1 5 0 MP a ， 为第一次抗压强度值达 到 1 5 0 MP a的 超 高 性 能 混 凝 土 的 工 程 应 用 国 内， 蒲心诚团队研究了超高性能混凝土的相关性能 ， 并取得了可观的研究成果 超高性能混凝土在 广州 国 际金融 中心得 到 了工 程 应 用 ， 混 凝 土 的抗 压 强度值高于 1 0 0 MP a 然而， 含粗骨料 的超高性能 混凝土脆性较大 ， 抗高温性能较差 ， 为使超高性能混 凝土更好地应用于实 际工程 中， 超高性能混凝土的 相 关性 能 尚需进 一 步研 究测 定 段 1和 阶段 2完 成 ， 其 中阶段 2仅 为低 水 胶 比 ( W B0 2 0 ) 对 U H P C抗压强度值的影 响， 其他试 验 内容 均属 于 阶段 1 两 阶段 的试 验 材 料来 源 不 同 ， 文中均用上标大写英文字母表示材料类型 1 ) 粗骨料 粗 骨料 为石灰石 和玄武岩 ， 均是 由两 种颗 粒粒 径范 围为 51 0 mm和 1 0 2 0 m m 的 粗骨料以 3 ： 7的质量 比混合 ， 清洗干净并 晾晒至饱 和面干状态 ， 压碎指标值分别为 4 0 和 3 5 2 ) 细骨料 细骨料 采用机制砂 和机制砂。 ， 其 物理性 能 见表 1 表 1 细骨料 的物理性 能 1 试验 一 3 ) 水泥 采用 5 2 5级早强硅酸盐水泥 ， 标号为 1 1 试 验材 料P 5 2 5 R， 即 5 2 5 R 和 5 2 5 R ， 其 性 能见表 2 含粗骨料的超高性能混凝土采用普通原材料制4 ) 矿物掺合料 试 验 中使用多种矿 物掺合料 ， 备 ， 各因素对 U H P C抗压强度 的影响试验研究 由阶 分别为硅灰 ( S i l i c a F u m e ， S F ) ， 包括 s F 。和 S F “ ； 粉 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 2 8 基金项 目 ： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 7 8 0 2 6 ) ； 高等学 校博 士学科 点专项科 研基 金项 目( 2 0 1 0 0 0 0 9 1 1 0 0 1 4 ) ； 北 京交通 大学基 本科研业务费项 目( 2 0 1 1 Y J S 2 9 3 ) 作者简介 ： 朋 改非 ( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 安徽太 湖人 ， 教授 ， 博导 ， 博 士， 主要从事混凝土材料方 面的研究 6 华北水利水 电学 院学报 2 0 1 2年 1 2月 煤灰( F l y A s h ， F A) ， 包括 F A 和 F A ； 矿粉 ( 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 S l a g ， G G B S ) ， 包 括 G G B S 和 G G B S ； 复合硅 材 ( H y b r i d S i l i c a P o w d e r ， HS P ) ， 其 性 能见 表 3 5 ) 钢纤维 采用镀铜钢纤维 ， 长度为 1 3 m m， 直 径为 0 2 0 mm 6 ) 减水剂 采用聚羧酸型高效减水剂 和聚丙 烯酸酯高效减水剂 ， 固含量分别为 2 0 和 4 0 表 2水泥性能 表 3矿物掺合料的物理性能 1 2混凝 土配合 比 试验中制备 了 2 7种不同配合 比的 U H P C ( 见表 4 ) ， 以不同的编号作 为其标记 ， s代 表硅 灰 ， F代表 粉煤灰 ， G代表矿粉 ， H代表复合硅材 其 中， 0 1 8 S F 1 和 0 1 8 S F 2 是两种含有钢 纤维 的 U H P C， 1 和 2 分别表示钢纤维的体积掺量 表 4超高性能混凝土 的配合 比 1 3混凝 土 的制备 与养 护 混凝土搅 拌采用 水泥 裹砂 法 ， 即先 加入 砂 和 2 0 的总用水量 ， 搅拌 2 m i n ； 然后加入水泥、 硅灰等 矿物掺合料 ， 搅拌 6 m i n ； 再加入粗骨料 ， 搅拌 3 mi n ； 最后加入高效减水剂和剩余的水 ， 搅拌 3 5 m i n 若 掺有钢纤维 ， 则在粗骨料搅拌均匀后再加入搅拌 混凝土试块的成型尺寸为 1 0 0 m m1 0 0 mm 1 0 0 mm， 制备完成后立 即用塑料薄膜 覆盖， 并放置 第 3 3卷第 6期 朋改非 ， 等 ： 含 粗骨料的超高性能混凝土抗压强度 的影 响因素 7 于温度为( 2 0 2 ) 、 湿度约为 7 0 的养护室 1 4抗压 强 度值 的测 定 依据 普 通 混 凝 土力 学 性 能 试 验方 法 标 准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 o 0 2 ) ， 超高性能混凝土抗压强度值 测定试验 中加载速率取 1 0 k N s ， 即约 1 MP a s ， 加 载过程中保持速率恒定 结果取 3个试块抗压强度 的平均值 2 结果 与讨论 2 1 水 胶 比 水胶 比对 U HP C抗压强度值的影响试验 由 2部 分组成 ， 即 W B0 2 0和 W B0 2 1 ， 结果分别如 图 1和图 2所示 结果显示 ， 水胶 比显著影响了 U H P C的抗压强度值 W B0 2 1时， U H P C抗压 强度 1 1 4 o 1 3 5 1 3 0 l 2 5 1 2 0 鞑 1 0 0 值随着水 胶 比的增 大而逐 渐降低 ； 而 W B0 2 0 时， 无论 是仅 掺硅灰 ( s F “ ) 的 U H P C ， 或者是 掺 入 S F“，F A 和 G G B S 3种矿物掺合料 的 U H P C， 抗 压 强度值均在水胶 比为 0 1 8时出现最大值 ， 这与普遍 认为的“ 低水胶 比， 高抗压强度” 的混凝土强度规律 不相一致 ， 且 U H P C各龄期抗压强度值 随着水胶 比 的增大( 0 1 4至 0 1 8 ) 而逐渐升高 相似 的试验结 果亦有报道 ， 龄期 为 9 0 d时 ， 水胶 比为 0 1 6的 U H P C的抗压强度值最高 ， 0 1 8其次， 0 1 4最低 ； 而 早龄期时 U H P C抗压强度值随着水胶比的降低而逐 渐升高 可见， 对于低水胶 比下 的 U H P C， 水胶 比对 其抗压强度值的影 响与高水胶 比( 不低于 0 2 1 ) 下 的情况不同， 出现“ 低水胶 比， 低抗压强度值 ” 的现 象 ， 具体原因还需要进一步通过微观测定进行研究 l 2 4 l I I l O 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 O W B ( a )仅掺硅灰 ( S F “ ) 薹一 W B ( b )S F “ 、 F A和 G G B S 混掺 图 璧 些 翌 ! - c 各 图 2水 胶 ( 0 2 0 ) 对 U H P C 各 龄 期 抗 压 强 度 值 的 影 响 龄 期 抗 压 强 度 值 的 影 响 一 。 。 一 一 2 2 粗 骨料 的颗粒 粒 径 测定了粗骨料 的颗粒粒径对仅掺硅灰的 U H P C 抗压强度值的影响， 如图 3所示 51 5 m m粒径范围 的粗骨料 最有利于 U H P C抗压强度值的提高； 其次 是 5 2 0 m m下， U H P C抗压强度值仅降低 2 7 M P a ； 51 0 m m下， U HP C抗压强度值最低， 但相 比最大值 仅降低 7 7 M P a 可见 ， 粗骨料 的粒径范围对 U H P C 抗压强度值有一定的影响， 但效果不显著 喇 想 出 图 3粗骨料的颗粒粒径范 围对 U HP C( 0 2 2 S ) 各龄期抗压强度值的影响 2 3细骨 料 的 细度模 数 细骨料的细度模数对 U H P C抗压强度值 的影 响 如 图 4所示 憩 硝 骥 堰 细度模数 f b 1 0 1 8 S1 F 2 G 1 图 4 细 骨 料 细 度模 数 对 UHP C 抗 压 强度 值 的 影 响 细骨料 的细度模数对 U H P C抗压强度值的影 响不显著 ， 但细骨料 细度模数 为 3 0略高于细度 模数为 2 2的 U H P C抗压强度 则制备含粗骨料的 U HP C应选择中粗砂 ， 细度模数约为 3 0 2 4胶凝 材料 的掺 量 增加胶凝材料掺量是制备 U H P C的关键措施 ， 胶凝材料掺量对 U H P C抗压强度值的影响如图5所 示 3 d龄期时 ， U H P C抗压强度值随着胶凝材 料掺 量 的增大而略有 降低 ， 可忽略 ； 7 d和 2 8 d龄期 时， U HP C的抗压强 度值 随胶 凝材料掺 量 的增 多而 提 高 可见 ， 增加胶凝材料掺量有利于 U H P C抗压强度 嚼坦 华北水利水 电学 院学报 2 0 1 2年 1 2月 的提高 而考虑制备 U H P C的经济性问题， 制备 U H - P C的胶凝 材料 掺量 宜采 用 9 0 0 k g m 删 憩 胶凝材料掺量， ( k g m ) 图 5胶 凝材料掺 量对 U HP C( 0 2 2 B- S ) 各 龄期 抗压 强度值 的影响 2 5矿物掺 合料 矿物掺合料对 U H P C抗压强度值的影响试验包 括 2部分 ： 一是不 同种类 混掺 的矿物 掺合料 ， 其 对 U H P C抗压强度值的影响试验结果如 图 6所示 ； 二 是 3种 以不 同质量比混掺的矿物掺合料对 U HP C抗 压强度值的影响 ， 试验结果如图 7所示 1 2 0 。 1 00 ，。 龃 8 0 7 。 6 O 日 1 4 0 G s G _ F L s G - H s qF k H S q G S q Gr 矿物掺 合料 ( c ) 2 8 d 龄期 图 6 混掺 的不 同种类矿物掺合料 对 UH P C抗压强度值 的影响 为避免 U H P C的流动性差别较大 ， 试验 中 U H P C的水胶 比由其所掺矿物掺合料确定 ， 混凝土坍落 度控制在 2 0 02 4 0 m m， 坍落扩展度控 制在 4 0 0 5 5 0 m m 试验结果显示 ： 3种矿物掺合料( S F ， F A 和 G G B S ) 以1 ： 2 ： 1 的质量 比混掺时 ， U HP C的抗压强度 值最高 ； 其次是 s F 。和 F A 。 混掺 ； 而 复合 硅材 H S P 对 U H P C抗压强度值的提高起负面作用 一 山 慧 l：l：l I：l： 2 I： 2 ：I J： Z ： 2 S F。 ，F A 和GGB S 质量比 图 7 混掺矿物掺合料 的质量 比对 UH P C抗压强度值的影响 2 6钢 纤 维 钢纤 维对 U H P C抗 压 强 度 值 的 影 响如 图 8所 示 钢纤维显著影响了 U H P C的抗压强度值 掺入钢 纤维的 U H P C 5 6 d龄期 的抗压强度值高 于空 白混 凝土( 未掺钢纤维) 约 1 5 M P a 但钢纤维掺量的多少 对 U H P C抗压强度值的影响不显著， 且 U H P C抗压 强度并非随着钢纤维体积掺量的增加而提高 ， 1 钢 纤维体积掺量 的 U HP C 5 6 d龄期 的抗压 强度 值高 于 2 钢纤维体积 掺量的 U H P C抗压强度值 钢纤 维对 U H P C其他力学性能的影响需要进一步研究 一 想 H 刍 图 8钢纤维及 其掺量对 UH P C( 0 1 8 S F) 各龄期抗压强度值 的影响 3 结语 1 ) 水胶 比显著影 响 了 U H P C各龄期 的抗压 强 度 当水胶 比低于 0 1 8时 ， U HP C的抗压强度 随着 水胶 比的降低 逐渐降低 ， 与 “ 低 水胶 比， 高抗压 强 度” 的混凝土 强度规律 不相一致 低水胶 比 U H P C 的力学性能及其微观性能需要进一步测定 2 ) 粗骨料 的颗粒尺寸亦在一定程度上影 响了 U H P C的抗压强度， 51 5 m m 是粗骨料 的最佳颗粒 尺寸范围 细骨料 的细度模数对 U H P C抗压强度的 影响较小 ， 而细度模数 3 0的中粗砂 更有利于提高 U H P C的抗压强度 ， 即制备 U H P C时应使用中粗砂 胶凝材料掺量宜采用 9 0 0 k g m 网 一 r卜 卜 卜rL d 一 团 7 r 口 一 口 川 I立 l 掺 M m 矿 b ( 0 m 第 3 3卷第 6期 朋改非 ， 等 ： 含粗 骨料的超高性能混凝土抗压强度 的影 响因素 9 3 ) 矿物掺合料显著影响了 U HP C的抗压强度 S F ， F A和 G G B S 3种矿物掺合料 以质量 比为 1 ： 2 ： 1 混掺最有利于提高 U HP C的抗压强度 4 ) 钢纤维 的掺 人显著 提高 了 U H P C的抗压 强 度 ， 体积分数为 1 的钢纤维掺量有利于提高 U HP C 的抗 压 强度 2 参 考 文 献 Ra hma n S， Mo l y n e a u x T， Pa t na i k un i I Ul t r a hi g h pe 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 i a n J o u r n a l o f Ci v i l En g i n e e rin g ， 2 0 0 5， 2： 1 32 O Ko i z u mi S， I mo t o H， S ug a ma t a T， e t a 1 A s t u dy o n p o t e n - t i a l s t r e n g t h d e v e l o p me n t a n d t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n 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 C P r o c e e d i n g s o f t h e 8 t h I n - t e r na t i o n a l S y mpo s i um o n Ut i l i z a t i o n o f Hi g h s t r e ng t h a nd Fa c t o r s I nflue n c i n g Co mpr e s s i v e Co n c r e t e wi t h Hi g h p e r f o r ma n c e C o n c r e t e T o k y o ： J a p a n C o n c r e t e I n s t i t u t e， 20 0 8 3 K o j i m a M， Mi t s u i K， Wa c h i M， e t a 1 A p p l i c a t i o n o f 1 5 0 Nmm a dv a n c e d p e r f o r ma nc e c o mp o s i t e s t o hi g h ris e R C b u i l d i n g C P r o c e e d i n g s o f t h e 8 t h I n t e r n a t i o n a l Sy mp o s i u m on Ut i l i z a t i o n o f Hi g hs t r e n g t h a nd Hi g h p e r - f o r ma n c e Co nc r e t e， 2 0 08 4 蒲 心诚 超 高超强 性能 混凝 土 M 重庆 ： 重 庆大 学 出 版社 ， 2 0 0 4 5 Wa n g C h o n g ， Y a n g C h a n g h u i ， L i u F a n g ， e t a 1 P r e p a r a t i o n o f u l t r a hi g h pe rfo r ma n c e c o n c r e t e wi t h c o mmo n t e c hn o l o g y a n d m a t e r i a l s J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 2 ， 3 4( 4)： 5 3 85 4 4 6 高育欣 ， 吴业蛟 ， 王 明月 超 高强高 性能 混凝 土在 我 国 的研究与应用 J 商 品混凝土 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 3 0 3 1 ， 4 7 St r e n gt h o f Ul t r a - h i g h- p e r f o r m a nc e Coa r s e Ag g r e ga t e P ENG Ga i f e i 。 ，YANG J u a n ，GAO Yu x i n ，WANG Bi n ( 1 F a c u l t y o f C i v i l E n g i n e e r i n gA r c h i t e c t u r e ，B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 C h e n g d u C h i n a C o n s t r u c t i o n R e a d y Mi x e d C o n c r e t e C o ，L t d ，C h e n g d u 6 1 0 0 1 7 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： Wi t h a q u i t e l o w w a t e r t o b i n d e r r a t i o( W B) ，u s i n g n o r m a l r a w m a t e r i a l s a n d h i g h - p e rf o r ma n c e s u p e r p l a s t i c i z e r 。u l t r a - h i g h pe rfo rm a n c e c o nc r e t e wi t h c o a r s e a g g r eg a t e c a n be p r e p a r e d wi t h c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o v e r 1 3 0 MP aAn e x p e r i me n t a l i n v e s t i g a - t i o n wa s c o nd u c t e d o n a c o up l e o f f a c t o r s i n f l u e nc i n g c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f UHPC，i n c l ud i n g W B，p a r t i c l e s i z e o f c o a r s e a g g r e g a t e， fi n e mo d u l u s o f fi n e a g g r e g a t e( a rt i fi c i a l s a n d ) ， c o n t e n t o f b i n d e r ma t e r i a l s ， t y p e s a n d c o n t e n t s o f m i n e r a l a d mi x t u r e s ， a n d s t e e l fi b e r T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t a n t h e f a c t o r s t e s t e d mo r e o r l e s s a f f e c t e d 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 - p e rfo r ma n c e c o n c r e t e wi t h c o a r s e a g g r e g a t e Th e WB r a t i o a n d mi ne r a l a d mi xt u r e s i n f l ue n c e d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f UHPC s i g n i fic a n t l yWhe n WB r a t i o wa s be t we e n 0 21 a nd 0 2 4，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f UHPC de c r e a s e d r e ma r k a b l y wi t h t h e i n c r e a s i ng W BHo we v e r，c o mp r e s - s i r e s t r e n g t h o f UHPC a t 0 1 6 W B r a t i o wa s s l i g ht l y l o we r t h a n t h a t a t 0 1 8 WB r a t i o W i t h r e g a r d t o t h e mi ne r a l a d mi x t u r e s，c o rn pr e s s i v e s t r e n g t h o f UHPC i n c o r p o r a t i n g a c o mp o un d o f s i l i c a f ume，fly a s h a n d g r o un d g r a n u l a t e d bl a s t f u r na c e s l a g，wi t h t h e ma s s r a t i o o f 1： 2：1，r e ac he d 1 38 MP a a t t he a g e o f 2 8 d，t h e hi g h e s t c o mpr e s s i v e s t r e n g t h t e s t e d Ke y wo r ds：ul t r a h i g h- p e r f or ma n c e c o n c r e t e；c o a r s e a g g r e g a t e；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ( 责任编辑 ： 蔡洪 涛)