Study on Mechanical Behavior of High Performance Commodity Concrete

周茗如，文煜馨，王 騰，魏域虎

(蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，混凝土作為整個(gè)土木行業(yè)的基石，正在逐步向著高性能化、商品化發(fā)展，高性能商品混凝土已經(jīng)慢慢取代普通自拌混凝土。高性能商品混凝土是指:在普通混凝土原材料(水、水泥、砂和石)的基礎(chǔ)上，摻加混合材料(粉煤灰、礦粉等)及外加劑(減水劑)，實(shí)現(xiàn)既可節(jié)能利廢、減少水化熱，又可增大混凝土的密實(shí)性、減小滲透性、增加施工時(shí)的和易性，經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益顯著[1]。當(dāng)代一些建筑在結(jié)構(gòu)上的超大、超高和超跨度化以及在使用環(huán)境上的超?；瘜?duì)建筑材料的力學(xué)行為提出了新的要求，促使水泥混凝土向高性能商品混凝土方向發(fā)展。

由于混凝土中各種混合材料、外加劑的摻入以及砂率的升高，使得當(dāng)代混凝土與規(guī)范所示的普通混凝土力學(xué)行為產(chǎn)生了較大偏差。以混凝土回彈值為例，經(jīng)過實(shí)測(cè)，混凝土實(shí)際強(qiáng)度比其按標(biāo)準(zhǔn)換算出的回彈值強(qiáng)度要高出3～4MPa。在混凝土實(shí)際工程中，除了主要以強(qiáng)度作為控制指標(biāo)外，經(jīng)常還需要規(guī)定混凝土的彈性模量值。在計(jì)算鋼筋混土的變形、裂縫擴(kuò)展及大體積混凝土的溫度應(yīng)力時(shí)，都必須知道對(duì)應(yīng)混凝土的彈性模量。對(duì)于混凝土彈性模量來說，影響因素有很多，原材料的性能特征、水膠比、骨料性能、砂率、強(qiáng)度等級(jí)、養(yǎng)護(hù)條件和齡期等均會(huì)影響混凝土的彈性模量[2]。隨著高性能商品混凝土的迅速發(fā)展，各種混合材料和外加劑的使用及配合比中砂率的升高必然會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生了較大的影響。文獻(xiàn)[3]研究表明在混凝土中摻入一定量的粉煤灰可有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，增強(qiáng)抵抗氯離子滲透的能力。文獻(xiàn)[4]研究出遺傳算法運(yùn)用到粉煤灰高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)中。本文將在一定水膠比、摻入等量外加劑以及砂率保持相同的前提下，對(duì)以粉煤灰作為混合材料摻入的高性能商品混凝土的力學(xué)行為進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥:平?jīng)銎钸B山水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥;(2)砂:長(zhǎng)慶橋河砂，細(xì)度模數(shù)MX=2.8，屬于中砂，級(jí)配合格;(3)石:包含卵石和碎石，其中卵石符合5mm～31.5mm連續(xù)級(jí)配、碎石符合5mm～25mm連續(xù)級(jí)配;(4)外加劑:采用同慶混凝土外加劑廠生產(chǎn)的早強(qiáng)型高效減水劑TQ-N1;(5)粉煤灰:采用華茂粉煤灰有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰;(6)水:實(shí)驗(yàn)室生活用水。

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用塑模按照一定配合比制備混凝土試件，進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn)。試件采用標(biāo)準(zhǔn)試模成型，機(jī)械振搗，24h拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)分為7d、28d后進(jìn)行試驗(yàn)。試件的制作和養(yǎng)護(hù)嚴(yán)格按照中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)中的要求執(zhí)行。

加載設(shè)備采用《液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)》，其工作原理是由油泵、工作油缸和測(cè)力油缸等組成的液壓系統(tǒng)施加試驗(yàn)力，進(jìn)行試驗(yàn)。該設(shè)備結(jié)構(gòu)為油缸下置式高剛度主機(jī)結(jié)構(gòu)，盤式電機(jī)帶動(dòng)渦輪付帶動(dòng)絲母沿絲杠上、下移動(dòng)，調(diào)整試驗(yàn)空間，伺服油缸采用間隙密封，靜壓支撐油膜無摩擦導(dǎo)向技術(shù)。試驗(yàn)機(jī)專用插卡式全數(shù)字屏顯試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，手動(dòng)加載試驗(yàn)力，微機(jī)屏幕顯示處理試驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

混凝土彈性模量測(cè)試的關(guān)鍵是混凝土試件左右兩可分為以下3類:蝶式引伸儀法、應(yīng)變片法、千分表側(cè)變形量的測(cè)試。國內(nèi)外常用的測(cè)量變形的方法中，蝶式引伸儀法安裝復(fù)雜且操作比較困難，還存在人為視覺誤差，應(yīng)用較少。應(yīng)變片法測(cè)試結(jié)果較準(zhǔn)確，但貼片工序復(fù)雜，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，同時(shí)受貼片質(zhì)量的影響較大，而且是一次性破壞試驗(yàn)，浪費(fèi)較大。綜上，故本實(shí)驗(yàn)選用千分表法。

2 粉煤灰對(duì)混凝土的影響

2.1 配合比設(shè)計(jì)

選用不同的水膠比0.5、0.44、0.38、0.31 共 4 個(gè);保持相同的水膠比的情況下，逐步增加粉煤灰的摻量(0、20%、40%、50%)，考察混凝土強(qiáng)度及彈性模量隨齡期(7d、28d)變化的趨勢(shì)。試驗(yàn)總共設(shè)計(jì)了15個(gè)不同配合比的混凝土，具體配合比如表1。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)按照表1所列的15種配合比制備混凝土立方體、棱柱體試件，分別進(jìn)行不在同齡期下(7d、28d)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和棱柱體彈性模量試驗(yàn)。

制作試件(100mm×100mm×100mm及100mm×100mm×300mm)，養(yǎng)護(hù)至一定齡期，將 100mm×100mm×100mm試塊用來做軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，100mm×100mm×300mm試塊用來做彈性模量試驗(yàn)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(1)計(jì)算彈性模量E。

式中:E—混凝土抗壓彈性模量，(MPa);Fa—終荷載，(N);F0—初荷載(0.5MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值)，(N);A—試件承壓面積，(mm2);l—測(cè)量標(biāo)距，(mm);n—最后一次加載時(shí)，試件兩側(cè)在Fa及F0作用下變形差平均值，(mm)。

由于混凝土力學(xué)行為受到多種因素的影響，包括混凝土攪拌水平、養(yǎng)護(hù)條件、混凝土齡期以及混凝土本身材料構(gòu)成的復(fù)雜性和隨機(jī)性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定的離散性，本文對(duì)不同齡期混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是按照同批次試件的試驗(yàn)結(jié)果取平均法結(jié)合數(shù)據(jù)合理性篩選的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不同配合比、各齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值，如表2。

表2 各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)平均值

2.3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得，保持一定水膠比的情況下，粉煤灰摻量的變化后所測(cè)得的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度與彈性模量的數(shù)值結(jié)果，將數(shù)值分別繪成柱形圖、曲線圖進(jìn)行分析。

圖1 不同的齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，隨著水膠比的不同，粉煤灰摻入量的不同，混凝土的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如下:

(1)對(duì)不同粉煤灰摻入量的混凝土，隨著水膠比減小，各齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度增加，并且強(qiáng)度發(fā)展速率增加。(2)水膠比為0.5時(shí)，摻入粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度比不摻粉煤灰的混凝土的抗壓強(qiáng)度要低;而隨著水膠比的減小，摻入粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度則高于對(duì)比的不摻粉煤灰的混凝土，水膠比越小約明顯。(3)在粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)急速下降。

由圖3可知，隨著水膠比的不同，粉煤灰摻入量的不同，混凝土的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如下:(1)對(duì)于相同粉煤灰摻入量的混凝土，隨著水膠比減小，混凝土的彈性模量增加。(2)當(dāng)水膠比比較大時(shí)，摻入粉煤灰會(huì)降低混凝土的彈性模量，而當(dāng)水膠比較小時(shí)，摻入適量的粉煤灰又將提高混凝土的彈性模量。

3 結(jié)論

(1)在一定粉煤灰摻量下，水膠比越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越小、彈性模量值越小;在一定水膠比下，粉煤灰摻量影響其抗壓強(qiáng)度及彈性模量值。則要使高性能商品混凝土的強(qiáng)度等級(jí)得到提高，并且具有良好的彈性模量值，可以適量添加粉煤灰、并且降低其水膠比。

(2)在水膠比固定不變的前提下，粉煤灰摻入量的增加，使混凝土的早期抗壓強(qiáng)度下降越多，但是粉煤灰會(huì)使后期混凝土的抗壓強(qiáng)度提高速率加快。

(3)一定粉煤灰的摻入，可改善混凝土的彈性模量。維持的水膠比相同的條件下，粉煤灰摻量在20%左右的情況下，彈性模量比不摻粉煤灰的混凝土大;粉煤灰摻量在30%以后，彈性模量將隨著粉煤灰摻量的增加逐步降低。

[1]黃士元.高性能混凝土發(fā)展的回顧與思考[J].混凝土，2003，9(7):3-9.

[2]韓衛(wèi)國，賈靖.對(duì)混凝土彈性模量影響因素的探討[J].山東建材，2002，2(01):23-24.

[3]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999，9.

[4]劉翠蘭，李高峰.基于遺傳算法的粉煤灰高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.(8).