超高性能混凝土的工作性及力学性能影响因素研究.pdf

0引言超高性能混凝土渊以下简称 UHPC冤是近三十年来最具创新性的水泥基结构工程材料袁其在建筑幕墙尧桥面铺装尧桥梁维修加固等工程中得到了较多应用1遥 UHPC 具有胶凝材料用量大尧水胶比低尧收缩大等特点袁通常需要采用优质原材料尧掺入适量外加剂等方式来保障其优异的工作性和力学性能遥 目超高性能混凝土的工作性及力学性能影响因素研究门光誉1袁贾小龙1袁2袁3袁朱文波1渊1.宁夏交通建设股份有限公司袁宁夏 银川 750000曰2.宁夏交建交通科技研究院有限公司袁宁夏 银川750000曰3.宁夏道路养护工程技术研究中心袁宁夏 银川 750004冤摘要院研究了矿渣粉掺量尧硅灰掺量尧钢纤维掺量和水胶比对超高性能混凝土渊UHPC冤工作性和力学性能的影响袁并通过显著性分析探讨了各因素对 UHPC 性能的影响程度遥 结果表明院随着矿渣粉掺量的增加袁UHPC 的扩展度和 28 d 抗压尧抗折强度均先增大后减小曰随着硅灰掺量的增加袁UHPC 的扩展度和 28 d 抗压尧抗折强度基本呈先增大后减小的趋势曰随着钢纤维掺量的增加袁UHPC 的扩展度降低袁28 d 抗压尧抗折强度增大曰随着水胶比的增加袁UHPC 的扩展度增大袁28 d 抗压尧抗折强度先增大后减小曰钢纤维掺量对 UHPC 力学性能的影响程度最大袁水胶比对 UHPC 工作性的影响程度最大曰综合考虑工作性和力学性能袁自密实 UHPC 的最佳配合比为矿渣粉掺量 20%尧硅灰掺量 12%尧钢纤维掺量 2.0%尧水胶比 0.18遥关键词院超高性能混凝土曰矿渣粉曰硅灰曰钢纤维曰水胶比曰工作性曰力学性能中图分类号院TU528.572文献标识码院Adoi院10.19761/j.1000-4637.2023.09.064.05Study on the influencing factors of workability and mechanical properties of ultra-high performance concreteMEN Guangyu1,JIA Xiaolong1袁2袁3,ZHU Wenbo1(1.Ningxia Communications Construction Co.,Ltd.,Yinchuan 750000,China;2.Ningxia Jiaojian Transportation TechnologyResearch Institute Co.,Ltd.,Yinchuan 750000,China;3.Research Center of Ningxia Road Maintenance EngineeringTechnology,Yinchuan 750004,China)Abstract:The effects of slag powder content,silica fume content,steel fiber content and water-cement ratio on theworkability and mechanical properties of ultra-high performance concrete(UHPC)were studied,and the degree of influence ofvarious factors on the performance of UHPC was explored through significance analysis.The results show that with theincrease of slag powder content,the slump-flow and 28 d compressive and flexural strength of UHPC first increase and thendecrease.With the increase of silica fume content,the slump-flow and 28 d compressive and flexural strength of UHPC showa trend of first increasing and then decreasing.With the increase of steel fiber content,the slump-flow of UHPC decreases,and the 28 d compressive and flexural strength of UHPC increase.As the water-cement ratio increases,the slump-flow ofUHPC increases,and the 28 d compressive and flexural strength first increase and then decrease.The steel fiber content hasthe greatest impact on the mechanical properties of UHPC,and the water-cement ratio has the greatest impact on theworkability of UHPC.Taking into account workability and mechanical properties,the optimal mix proportion of self compactingUHPC is 20%content of slag powder,12%content of silica fume,2.0%content of steel fiber and 0.18 of water-cement ratio.Keywords:Ultra-high performance concrete(UHPC);Slag powder;Silica fume;Steel fiber;Water-cement ratio;Workability;Mechanical property基金项目院自治区青年科技人才托举工程项目曰宁夏回族自治区交通运输厅 2021 年度科研项目遥圆园23 年第 9 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园23 晕燥.99 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂September64-表 3试验配合比Table 3Test mix proportions编号水泥/%矿渣粉/%硅灰/%钢纤维/%砂胶比 水胶比JZ6820122.010.18K0K15K25K30887363580152530121212122.02.02.02.011110.180.180.180.18G0G3G6G9G15807774716520202020200369152.02.02.02.02.0111110.180.180.180.180.18S0.5S1.0S1.5S2.56868686820202020121212120.51.01.52.511110.180.180.180.18W0.16W0.17W0.19W0.206868686820202020121212122.02.02.02.011110.160.170.190.20前袁国内外研究人员就 UHPC 性能的影响因素进行了大量试验研究2-9遥例如袁YOO 等2研究了钢纤维的体积掺量渊1%4%冤对 UHPC 性能的影响袁结果表明袁 当钢纤维的体积掺量为 3%时袁UHPC 的各项性能最佳遥 李世华等3研究结果表明袁UHPC 的抗压强度随着水胶比的增加而降低遥 马正先等4研究结果表明袁 掺入适量石英砂能够优化骨料的颗粒级配袁改善 UHPC 的工作性和力学性能遥 史才军等5研究结果表明袁 控制石英粉的掺量为 40%尧 砂胶比为1.0尧减水剂掺量为 2.5%时袁UHPC 的抗压强度最大遥赵雅明等6研究结果表明袁复掺适量粉煤灰和矿粉能够有效改善 UHPC 的微观结构袁提高 UHPC 的性能遥 黄伟等7研究结果表明袁用适量石灰石粉替代部分水泥和硅灰能够改善 UHPC 的孔结构袁 提高UHPC 的抗压强度和抗渗性能遥综上可知袁 通过合理调控 UHPC 的水胶比尧掺入适量矿物掺合料等方式可以有效改善 UHPC 的综合性能遥 同时袁考虑到宁夏地区的工业固废渊如粉煤灰尧矿渣粉等冤产生量较大袁但利用率较低袁为响应国家野双碳冶政策袁本文研究矿渣粉掺量尧硅灰掺量尧钢纤维掺量和水胶比对自密实尧大流动度 UHPC工作性和力学性能的影响袁可为宁夏地区工业固废的资源化利用和 UHPC 性能的提升研究提供参考遥1试验概况1.1原材料水泥院青铜峡 P 窑 O 52.5 级水泥袁主要化学成分见表 1遥矿渣粉院由宁夏某钢厂提供袁主要化学成分见表 1遥硅灰院SiO2含量为 91%袁主要性能指标见表 2遥细骨料院粒径为 0.301.18 mm 的石英砂袁其中袁粒径为 0.300.60 mm尧0.601.18 mm 的石英砂占比分别为 27.9%尧72.1%遥钢纤维院上海真强端勾型钢纤维袁抗拉强度为2 978 MPa袁长度为 12.94 mm袁等效直径为 0.2 mm遥减水剂院聚羧酸系高效减水剂袁减水率为 45%遥水院自来水遥1.2配合比矿渣粉掺量为胶凝材料质量的 0尧15%尧20%尧25%尧30%袁硅灰掺量为胶凝材料质量的 0尧3%尧6%尧9%尧12%尧15%袁钢纤维体积掺量分别为 0.5%尧1.0%尧1.5%尧2.0%尧2.5%袁 水胶比分别为 0.16尧0.17尧0.18尧0.19尧0.20袁 减水剂掺量为胶凝材料质量的 1.5%袁试验具体配合比见表 3遥 其中袁JZ 表示基准组遥1.3试验方法抗压强度试验院 采用尺寸为 100 mm伊100 mm伊100 mm 的立方体试件袁 试验设备为华龙 2 000 kN万能压力试验机袁加载速率为 1.0 MPa/s遥抗折强度试验院 采用尺寸为 100 mm伊100 mm伊400 mm 的长方体试件袁 试验设备为华龙1 000 kN万能压力试验机袁加载速率为 0.1 MPa/s遥扩展度试验院将 UHPC 料浆分三层装入坍落度筒袁37 s 内提起坍落度筒袁直至 UHPC 不再流动或流动 50 s 后袁用直尺测量 UHPC 的扩展直径遥2试验结果与分析2.1矿渣粉掺量对 UHPC 性能的影响图 1 为矿渣粉掺量对 UHPC 力学性能和工作表 1水泥和矿渣粉的主要化学成分Table 1Main chemical compositions of cement andslag powder表 2硅灰的主要性能指标Table 2Main performance indexes of silica fume名称CaOSiO2SO3Al2O3Fe2O3MgOK2O水泥矿渣粉66.1242.4318.2128.342.802.693.6713.463.340.082.411.860.851.90%比表面积/渊m2/kg冤烧失量/%需水量比/%含水率/%Cl-含量/%28 d 活性指数/%15 7805.01191.00.0191超高性能混凝土的工作性及力学性能影响因素研究门光誉袁贾小龙袁朱文波65-性的影响遥由图 1渊a冤可知袁随着矿渣粉掺量的增加袁试件各龄期的抗压尧 抗折强度均呈先增大后减小的趋势袁 这是因为适量矿渣粉不仅能够有效填充 UHPC中的空隙袁而且能与水泥水化产物 Ca(OH)2反应生成 C-S-H 凝胶10-11袁从而提升 UHPC 的力学性能遥其中袁当矿渣粉掺量为 25%时袁K25 试件的 7 d尧28 d抗压强度达到最大袁 分别为 114.7 MPa尧149.8 MPa曰当矿渣粉掺量为 20%时袁JZ 试件的 28 d 抗折强度达到最大袁为 25.9 MPa遥由图 1渊b冤可知袁随着矿渣粉掺量的增加袁UHPC拌和物的扩展度先增大后减小袁且当矿渣粉掺量