含粗骨料的超高性能混凝土抗压强度的影响因素.pdf

第 33 卷第 6 期2012 年 12 月华北水利水电学院学报Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric PowerVol.33 No.6Dec 2012收稿日期:2012 09 28基金项目:国家自然科学基金项目(50978026);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20100009110014);北京交通大学基本科研业务费项目(2011YJS293)作者简介:朋改非(1966)，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文章编号:1002 5634(2012)06 0005 05含粗骨料的超高性能混凝土抗压强度的影响因素朋改非1，杨娟1，高育欣2，王斌2(1 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;2 中建商品混凝土有限公司 成都分公司，四川 成都 610017)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 130 MPa 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 21 和 0 24 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 16 的超高性能混凝土抗压强度值反而低于水胶比为 0 18 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，28 d 龄期时抗压强度值达到 138 MPa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13 超高性能混凝土包括不含粗骨料的活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete，RPC)和抗压强度值高于 100 MPa 的含粗骨料超高性能混凝土(Ul-tra-High Performance Concrete，UHPC)2 种日本 59 层两塔建筑使用的超高性能混凝土的抗压强度值约为 150 MPa，为第一次抗压强度值达到 150 MPa 的超高性能混凝土的工程应用3 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4 5 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 100 MPa6 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1试验1 1试验材料含粗骨料的超高性能混凝土采用普通原材料制备，各因素对 UHPC 抗压强度的影响试验研究由阶段 1 和阶段 2 完成，其中阶段 2 仅为低水胶比(W/B0 20)对 UHPC 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A和玄武岩B，均是由两种颗粒粒径范围为5 10 mm 和 10 20 mm 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C和机制砂D，其物理性能见表 1表 1细骨料的物理性能性能指标机制砂C机制砂D细度模数2 202 94表观密度/(kg/m3)2 7302 600堆积密度/(kg/m3)1 5901 650含泥量/%4 65 5泥块含量/%0 50 5石粉含量/%4 65 53)水泥 采用 52 5 级早强硅酸盐水泥，标号为P 52 5R，即 52 5RE和 52 5RF，其性能见表 24)矿物掺合料 试验中使用多种矿物掺合料，分别为硅灰(Silica Fume，SF)，包括 SFG和 SFH;粉煤灰(Fly Ash，FA)，包括 FAI和 FAJ;矿粉(GroundGranulated Blast Furnace Slag，GGBS)，包括 GGBSK和 GGBSL;复合硅材(Hybrid Silica Powder，HSP)，其性能见表 35)钢纤维 采用镀铜钢纤维，长度为 13 mm，直径为 0 20 mm6)减水剂 采用聚羧酸型高效减水剂 M 和聚丙烯酸酯高效减水剂 N，固含量分别为 20%和 40%表 2水泥性能性能指标52 5RE52 5RF初凝时间/min155137终凝时间/min195194抗折强度/MPa7 d6 17 428 d9 39 4抗压强度/MPa7 d31 437 428 d57 362 0表 3矿物掺合料的物理性能性能指标SFGSFHFAIFAJGGBSKGGBSLHSP表观密度/(g/cm3)2 092 482 522 902 902 17比表面积/(103cm2/g)251 00222 007 857 4610 20188 00烧失量/%2 803 802 103 300 500 363 801 2混凝土配合比试验中制备了 27 种不同配合比的 UHPC(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 18S-F-1%和 0 18S-F-2%是两种含有钢纤维的 UHPC，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UHPC 类型W/B胶凝材料/(kg/m3)CSFFAGGBSHSP细骨料/(kg/m3)粗骨料/(kg/m3)钢纤维/(kg/m3)减水剂掺量/(kg/m3)0 14S0 14864F96H000620D930B038 4N0 16S0 16864F96H000620D930B028 8N0 18S0 18864F96H000620D930B014 4N0 20S0 20864F96H000620D930B04 8N0 21S0 21810E90G000620D930A036 0M0 22S0 22810E90G000620C930A036 0M0 23S0 23810E90G000620C930A036 0M0 24S0 24810E90G000620C930A036 0M0 18S-F0 18630E90G180I00620C930A036 0M0 14S-F-G0 14576F96H192J96L0620D930B033 6N0 16S-F-G0 16576F96H192J96L0620D930B024 0N0 18S-F-G0 18576F96H192J96L0620D930B019 2N0 22B7-S0 22630E70G000620C930A028 0M0 22B11-S0 22990E110G000620C930A044 0M0 20S-F0 20630E90G180I00620C930A036 0M0 20S-G0 20630E90G0180K0620C930A036 0M0 20S-H0 20630E90G00180620C930A036 0M0 18S-F0 18630E90G180I00620C930A036 0M0 18S-F-H0 18540E90G180I090620C930A036 0M0 18S-G-H0 18540E90G0180K90620C930A036 0M0 18S-F-G-H0 18540E90G90I90K90620C930A036 0M0 18S1F1G10 18630E90G90I90K0620C930A036 0M0 18S1F1G20 18540E90G90I180K0620C930A036 0M0 18S1F2G20 18450E90G180I180K0620C930A036 0M0 18S1F2G10 18540E90G180I90K0620C930A036 0M0 18S-F-1%0 18630E90G180I00620C930A78(1%)36 0M0 18S-F-2%0 18630E90G180I00620C930A156(2%)36 0M1 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20%的总用水量，搅拌2 min;然后加入水泥、硅灰等矿物掺合料，搅拌6 min;再加入粗骨料，搅拌3 min;最后加入高效减水剂和剩余的水，搅拌3 5 min 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 100 mm 100 mm 100 mm，制备完成后立即用塑料薄膜覆盖，并放置6华北水利水电学院学报2012 年 12 月于温度为(20 2)、湿度约为 70%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(GB/T 500812002)，超高性能混凝土抗压强度值测定试验中加载速率取 10 kN/s，即约 1 MPa/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 UHPC 抗压强度值的影响试验由 2 部分组成，即 W/B0 20 和 W/B0 21，结果分别如图 1 和图 2 所示 结果显示，水胶比显著影响了 UH-PC 的抗压强度值 W/B0 21 时，UHPC 抗压强度值随着水胶比的增大而逐渐降低;而 W/B0 20时，无论是仅掺硅灰(SFH)的 UHPC，或者是掺入SFH，FAJ和 GGBSL3 种矿物掺合料的 UHPC，抗压强度值均在水胶比为 0 18 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 UHPC 各龄期抗压强度值随着水胶比的增大(0 14 至 0 18)而逐渐升高 相似的试验结果亦有报道8，龄期为 90 d 时，水胶比为 0 16 的UHPC 的抗压强度值最高，0 18 其次，0 14 最低;而早龄期时 UHPC 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 UHPC，水胶比对其抗压强度值的影响与高水胶比(不低于 0 21)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2 2粗骨料A的颗粒粒径测定了粗骨料A的颗粒粒径对仅掺硅灰的 UHPC抗压强度值的影响，如图3 所示5 15 mm 粒径范围的粗骨料A最有利于 UHPC 抗压强度值的提高;其次是5 20 mm 下，UHPC 抗压强度值仅降低 2 7 MPa;5 10 mm 下，UHPC 抗压强度值最低，但相比最大值仅降低 77 MPa 可见，粗骨料A的粒径范围对 UHPC抗压强度值有一定的影响，但效果不显著图 3粗骨料的颗粒粒径范围对 UHPC(0 22S)各龄期抗压强度值的影响2 3细骨料C的细度模数细骨料的细度模数对 UHPC 抗压强度值的影响如图 4 所示图 4细骨料细度模数对 UHPC 抗压强度值的影响细骨料C的细度模数对 UHPC 抗压强度值的影响不显著，但细骨料C细度模数为 3 0 略高于细度模数为 2 2 的 UHPC 抗压强度 则制备含粗骨料的UHPC 应选择中粗砂，细度模数约为 3 02 4胶凝材料的掺量增加胶凝材料掺量是制备 UHPC 的关键措施，胶凝材料掺量对 UHPC 抗压强度值的影响如图 5 所示 3 d 龄期时，UHPC 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 28 d 龄期时，UHPC 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 UHPC 抗压强度7第 33 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的提高 而考虑制备 UHPC 的经济性问题，制备 UH-PC 的胶凝材料掺量宜采用 900 kg/m3图 5胶凝材料掺量对 UHPC(0 22B-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 UHPC 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UHPC 抗压强度值的影响试验结果如图 6 所示;二是 3 种以