唐愛華，王尚偉，金凌志，趙勝華

(桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

礦物摻合料對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響

唐愛華，王尚偉，金凌志，趙勝華

(桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

摘要：為了研究不同礦物細(xì)摻合料對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響,用硅微粉、粉煤灰、石英粉、粉煤灰與石英粉雙摻(雙摻組)共4種礦物摻合料，分別取代不同比例的硅粉來(lái)制作活性粉末混凝土試塊；同時(shí)，采用不同的養(yǎng)護(hù)溫度和不同的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；最后，測(cè)出4組混凝土試塊的抗壓和抗折強(qiáng)度以及棱柱體的抗壓強(qiáng)度，分別繪出抗壓和抗折性能曲線。研究結(jié)果表明：同一種礦物摻合料，養(yǎng)護(hù)溫度越高，其抗壓和抗折強(qiáng)度越高；在同一養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰改善活性粉末混凝土的抗壓和抗折性能效果最好，石英粉最差，硅微粉和雙摻組介于兩者之間。

關(guān)鍵詞：混凝土；礦物摻合料；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度；養(yǎng)護(hù)條件

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368013);廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(11-CX-04)；廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心基金項(xiàng)目(KH2013ZD008)

作者簡(jiǎn)介：唐愛華(1968-),女,湖南常德人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面的研究.

收稿日期：2014-04-03

文章編號(hào)：1672-6871(2015)02-0065-05

中圖分類號(hào)：TU528.041

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：標(biāo)志碼：A

0引言

活性粉末混凝土(RPC)主要是由水泥、石英砂(粉)、硅粉、鋼纖維、高效減水劑等材料配制而成的新型水泥基復(fù)合材料[1]，相對(duì)于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土來(lái)說(shuō)具有強(qiáng)度高、延性好、質(zhì)量輕、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。但是，RPC在工程應(yīng)用方面還欠缺相應(yīng)的工程規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](GB50010—2010)也只是給出C80以下混凝土的參考規(guī)范，不能達(dá)到正確表征RPC性能的目的。眾多研究資料表明[4-7]：礦物摻合料能有效改善RPC的力學(xué)性能，但是具體摻加哪種礦物摻合料、摻加比例以及如何養(yǎng)護(hù)，業(yè)界還沒(méi)能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在這種背景下，深入研究RPC的力學(xué)性能，已經(jīng)成為當(dāng)今混凝土研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題。

現(xiàn)階段，國(guó)外一些學(xué)者也對(duì)RPC的早期收縮、耐久性能、力學(xué)性能、養(yǎng)護(hù)條件、水化反應(yīng)等諸多方面進(jìn)行了研究[8-10]。針對(duì)RPC材料在研究應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本研究在經(jīng)典RPC配合比及所用原材料的基礎(chǔ)上，采取多重復(fù)合技術(shù)，用粉煤灰、硅微粉、石英粉替代不同比例的硅粉，形成了水泥、硅粉、粉煤灰(硅微粉)三元凝膠材料體系和四元凝膠材料體系；通過(guò)對(duì)15組RPC的配合比設(shè)計(jì)，得出每種礦物摻合料對(duì)RPC材料強(qiáng)度的影響規(guī)律；同時(shí)，還研究了養(yǎng)護(hù)制度對(duì)RPC力學(xué)性能的影響。本研究可為RPC材料的制備和推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1試驗(yàn)原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1　原材料

水泥：P.O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)度為3 300 cm2/g,初凝時(shí)間為2.5 h,終凝時(shí)間為3.5 h,燒失質(zhì)量比為0.5%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

石英砂：粒度為0～1.25 mm,SiO2占總質(zhì)量的99.6%以上,顆粒形狀為球形。

硅粉：密度為2.214 g/cm3,平均粒徑0.31 μm左右,比表面積20 cm2/g，灰白色。

粉煤灰：粉煤灰成分如表1所示。

硅微粉：硅微粉成分如表2所示。

石英粉：呈球形顆粒，平均粒徑為30 μm左右，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近99%。

高效減水劑：其特征狀態(tài)為棕褐色粉劑。

鋼纖維：細(xì)圓形表面鍍銅直鋼纖維,直徑為0.22 mm,長(zhǎng)度為12～15 mm,抗拉強(qiáng)度為2 300 MPa以上。

表1　粉煤灰成分　 %

表2　硅微粉成分　 %

1.2　混凝土配合比

在大量相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[11-14]，調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)配合比(S組)如表3所示。

表3　試驗(yàn)用活性粉末混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)配合比　%

眾多研究表明[15-16]：礦物摻合料會(huì)影響RPC的力學(xué)性能，以下15組不同配合比的活性粉末混凝土，主要考慮用不同礦物摻合料替代不同比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的硅粉。用硅微粉代替0%、20%、40%、60%、80%、100%的硅粉，分別標(biāo)記為A1組～A6組；用粉煤灰代替0%、20%、40%、60%的硅粉，分別標(biāo)記為B1組～B4組；用石英粉代替0%、20%、40%、60%的硅粉，分別標(biāo)記為C1組～C4組；用粉煤灰與石英粉互摻代替0%、20%、40%、60%的硅粉，分別標(biāo)記為D1組～D4組。

2試塊制作方法

根據(jù)試驗(yàn)方案要求，制作尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；制作100 mm×100 mm×400 mm的試塊進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)；制作100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊進(jìn)行棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。A2組～A6組、B2組～B4組、C2組～C4組、D2組～D4組，每組制作試塊20塊(10塊待測(cè)抗壓強(qiáng)度，10塊待測(cè)抗折強(qiáng)度)，其中，棱柱體只需試驗(yàn)其抗壓強(qiáng)度，即只需要制作10塊，共計(jì)310塊。A1組、B1組、C1組、D1組與S組相同，因此只需要制作一組S組(20塊)即可。

圖1　拆模后的一組試塊

按照設(shè)計(jì)的配合比把各種原材料稱量好。先把水泥、石英砂、硅粉、硅微粉(或粉煤灰、石英粉)倒入攪拌機(jī)中攪拌大約5 min；然后，把減水劑倒入水中攪拌均勻，將其和鋼纖維同時(shí)撒入原材料中，攪拌8 min左右出料。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB/T 50081—2002),進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和不同養(yǎng)護(hù)溫度的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)拆模后的一組試塊如圖1所示。

3試驗(yàn)方法

3.1　立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

清潔試塊，然后測(cè)量試塊尺寸是否達(dá)到試驗(yàn)要求，對(duì)不達(dá)標(biāo)的試塊進(jìn)行切割或舍棄，誤差不超過(guò)1 mm。把試塊放在YAW-2000型電液壓力機(jī)上，使壓力機(jī)的下壓板對(duì)準(zhǔn)試塊中心，然后啟動(dòng)壓力機(jī)，保持加載速度為1.2 MPa/s，持續(xù)加壓直至試塊破壞，記錄破壞時(shí)荷載值F。F對(duì)受壓面積S的比值即是RPC立方體試塊的抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)計(jì)算RPC材料的立方體抗壓強(qiáng)度精確至0.1 MPa。

3.2　立方體抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

清潔試塊，然后測(cè)量試塊尺寸是否達(dá)到試驗(yàn)要求尺寸，對(duì)不達(dá)標(biāo)的試塊進(jìn)行切割或舍棄，誤差不超過(guò)1 mm。把試塊放在100TB型屏液顯萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)托板上啟動(dòng)機(jī)器，當(dāng)上壓板快接近壓頭時(shí)，調(diào)整試塊支座使接觸平衡。采用三分點(diǎn)處雙點(diǎn)分級(jí)加載，加載速度為0.2 MPa/s,記錄試塊破壞時(shí)的荷載值F。

合格的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是裂縫出現(xiàn)在兩個(gè)集中荷載之間，可按下式計(jì)算：

(1)

式中：ft為抗折強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，N；l為支座間跨度，試驗(yàn)取l=300 mm；h為試件截面高度，試驗(yàn)取h=100 mm；b為試件截面寬度，試驗(yàn)取b=100 mm。試驗(yàn)結(jié)果精確至0.01 MPa，舍棄不合格的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3　棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

清潔試塊，然后測(cè)量試塊尺寸是否達(dá)到試驗(yàn)要求，對(duì)不達(dá)標(biāo)的試塊進(jìn)行切割或舍棄，誤差不超過(guò)1 mm。把試塊放在YAW-2000型電液壓力機(jī)的下壓板上，使下壓板對(duì)準(zhǔn)試塊中心，然后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，保持加載速度為0.8 MPa/s持續(xù)加壓直至試塊破壞。記錄破壞時(shí)荷載值F，F(xiàn)對(duì)試件承壓面積S的比值即是RPC棱柱體試塊的抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)計(jì)算RPC材料的棱柱體抗壓強(qiáng)度精確至0.1 MPa。

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

“7 d養(yǎng)護(hù)”代表養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d；“28 d養(yǎng)護(hù)”代表養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d；“45 ℃養(yǎng)護(hù)”代表養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d、養(yǎng)護(hù)溫度為45 ℃；“75 ℃養(yǎng)護(hù)”代表養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d、養(yǎng)護(hù)溫度為75 ℃。“標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件”代表養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為95%以上、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

4.1　硅微粉試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2和圖3分別為硅微粉抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。由圖2可以看出：在摻合料比例相同的情況下，75 ℃養(yǎng)護(hù)組的抗壓強(qiáng)度最高；7 d養(yǎng)護(hù)組的抗壓強(qiáng)度最低。由圖2還可以看出：45 ℃養(yǎng)護(hù)組比28 d養(yǎng)護(hù)組平均抗壓強(qiáng)度提高了近3%，但是4組都是隨著硅微粉摻入量的增加而逐漸降低。這說(shuō)明在相同的養(yǎng)護(hù)條件下，硅微粉的摻入降低了RPC的抗壓強(qiáng)度。提高養(yǎng)護(hù)溫度是增加抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵。

由圖2和圖3對(duì)比可以看出：抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)。高溫45 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下只提高了3%左右；而高溫75 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，提高了近11%。

圖2硅微粉抗壓強(qiáng)度 圖3硅微粉抗折強(qiáng)度

4.2　摻粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果及分析

表4為摻粉煤灰RPC試驗(yàn)結(jié)果。由表4可以看出：同一養(yǎng)護(hù)條件下，隨著粉煤灰摻入量的增加，RPC抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。當(dāng)摻入量達(dá)到40%的時(shí)候，強(qiáng)度最大。同硅微粉類似，相同摻入量的情況下，高溫養(yǎng)護(hù)的RPC抗壓強(qiáng)度最高，而7 d養(yǎng)護(hù)組抗壓強(qiáng)度最低。這說(shuō)明提高養(yǎng)護(hù)溫度是增加RPC抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵，但是鑒于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，摻入的粉煤灰量要適當(dāng)。

由表4還可以看出：在75 ℃的情況下，隨著摻入粉煤灰量的增加，其抗折強(qiáng)度逐漸降低；但是，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組和45 ℃養(yǎng)護(hù)組，抗折強(qiáng)度是先增加后降低，當(dāng)摻入量為20%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度最高。而7 d養(yǎng)護(hù)組仍然最低。這說(shuō)明隨著粉煤灰的摻入，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度不是同一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

表4　摻粉煤灰RPC試驗(yàn)結(jié)果

4.3　摻石英粉試驗(yàn)結(jié)果及分析

表5為摻石英粉RPC試驗(yàn)結(jié)果。由表5可以看出：對(duì)于平均抗壓強(qiáng)度，75 ℃養(yǎng)護(hù)組>45 ℃養(yǎng)護(hù)組>28 d養(yǎng)護(hù)組>7 d養(yǎng)護(hù)組。但是當(dāng)石英粉取代硅粉量達(dá)到60%，除“7 d養(yǎng)護(hù)組”之外，其他3組抗壓強(qiáng)度非常接近。這說(shuō)明隨著石英粉摻入量的增加，RPC的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

由表5還可以看出：7 d養(yǎng)護(hù)組摻入40%和摻入60%的抗折強(qiáng)度相近。從物理角度分析，應(yīng)該是石英粉為多棱角顆粒，摩擦較大，在相同的水膠比條件下，摻石英粉的RPC漿體的流動(dòng)度較差，不利于RPC的成型密實(shí)，從而使RPC的抗折強(qiáng)度降低。

4.4　混摻粉煤灰和石英粉試驗(yàn)結(jié)果及分析

表6為摻粉煤灰與石英粉RPC試驗(yàn)結(jié)果。由表6可看出：75 ℃組的抗壓強(qiáng)度最大，7 d養(yǎng)護(hù)組仍然最低；但是隨著混摻組摻量的增加，除“7 d養(yǎng)護(hù)組”之外，其他3組抗壓強(qiáng)度趨于相同。這說(shuō)明養(yǎng)護(hù)條件已經(jīng)不是影響抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵，可能是由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)和石英粉的物理效應(yīng)相互中和，但是最終都沒(méi)有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度。抗折和抗壓組的力學(xué)性能類似，但7 d養(yǎng)護(hù)組當(dāng)混摻量達(dá)到60%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度反而有些反彈。

表6　摻粉煤灰與石英粉RPC試驗(yàn)結(jié)果

4.5　棱柱體試驗(yàn)結(jié)果及分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度(fc)是混凝土結(jié)構(gòu)最基本的強(qiáng)度指標(biāo)。由試驗(yàn)結(jié)果得出：RPC材料的軸心抗壓強(qiáng)度基本隨著立方體抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，軸壓比f(wàn)c/fcu大致為0.80～0.90(去除偏差過(guò)大的A6組)，平均值為0.85，即：

fc=(0.80～0.90)fcu。

(2)

雖然目前國(guó)內(nèi)外己經(jīng)建立了許多經(jīng)驗(yàn)公式[18-19]，但由于材料的配合比及摻合料的彈性模量、品種的差異，得到的公式不盡相同。為保障結(jié)構(gòu)安全，軸壓比一般都取較小值。中國(guó)規(guī)范給出：C50及以下混凝土兩者之比取0.76；對(duì)高強(qiáng)混凝土C80取0.82。RPC軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度擬合曲線見圖4。由圖4可以看出：RPC的軸壓比要高于普通混凝土。本文通過(guò)15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出RPC材料的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

圖4　RPC軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度擬合曲線

(3)

其中,fc、fcu分別為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。

5結(jié)論

(1)從4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)看:同一養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰改善RPC的力學(xué)性能效果最好。

(2)對(duì)于同一種礦物摻合料來(lái)說(shuō)，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)溫度越高，其力學(xué)性能越好。

(3)實(shí)際工程中，高溫養(yǎng)護(hù)比較困難，大部分構(gòu)件是工廠預(yù)制的，如何提高RPC的現(xiàn)場(chǎng)施工條件是一個(gè)很有意義的研究課題。

(4)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:高溫養(yǎng)護(hù)(45 ℃與75 ℃)能更好地發(fā)揮硅微粉、粉煤灰的火山灰活性，但是石英粉的火山灰活性沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。

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