楊三強，麻海燕，余紅發(fā)，張 娜,，楊櫟珩，朱海威，何 梁，李 舜

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系，南京 210016；2.沈陽金輝籃鼎建材科技有限公司,沈陽 110020)

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堿式硫酸鎂水泥混凝土力學(xué)性能試驗研究

楊三強1，麻海燕1，余紅發(fā)1，張 娜1,2，楊櫟珩1，朱海威1，何 梁1，李 舜2

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系，南京 210016；2.沈陽金輝籃鼎建材科技有限公司,沈陽 110020)

為了研究堿式硫酸鎂水泥混凝土的基本力學(xué)性能，通過實驗系統(tǒng)測定了強度等級C20～C60的堿式硫酸鎂水泥混凝土的基本力學(xué)性能，建立了其軸心抗壓強度(fc,m)、劈裂抗拉強度(fsp,m)、抗折強度(ft,m)與立方體抗壓強度(fcu,m)之間的線性關(guān)系，彈性模量(Ec)與立方體抗壓強度(fcu,m)之間的雙曲線關(guān)系及其回歸計算公式，比較其與普通混凝土的差異。結(jié)果表明：在強度等級C20～C60的范圍內(nèi)，堿式硫酸鎂水泥混凝土的fc,m和fsp,m值分別比普通混凝土相應(yīng)強度高出22%～27%和27%～66%；在較低強度等級C20與C30，堿式硫酸鎂水泥混凝土的Ec值比普通混凝土分別降低了17%和3%，當(dāng)強度等級為C40～C60時其Ec值反而比普通混凝土高出9%～27%，而且隨著強度等級的提高，兩種混凝土之間的差距在擴大；堿式硫酸鎂水泥混凝土與普通混凝土的ft,m值之間的差異規(guī)律與強度等級有關(guān)，在強度等級C20～C50的范圍內(nèi)其ft,m值比普通混凝土高出38%～1%，且隨著強度等級的提高，提高的幅度在減小，對于高強度等級C60的堿式硫酸鎂水泥混凝土，其ft,m值比普通混凝土反而降低了5%。

堿式硫酸鎂水泥混凝土； 立方體抗壓強度； 軸心抗壓強度； 劈裂抗拉強度； 抗折強度； 彈性模量

1 引 言

普通混凝土是現(xiàn)代土木工程的重要結(jié)構(gòu)材料，但是其主要缺陷之一就是抗拉強度偏低，容易開裂，提高混凝土抗拉強度的方法通常有：提高混凝土的強度等級，但是容易變得更脆；或者摻加纖維[1]，或者摻加有機聚合物[2]等。如果能夠提高膠凝材料的抗拉強度，必將顯著提高混凝土的抗拉強度與抗裂性。余紅發(fā)等[3-7]經(jīng)過多年的研究和探索，借助現(xiàn)代外加劑技術(shù)，發(fā)明了一種新型膠凝材料-堿式硫酸鎂膠凝材料，主要水化產(chǎn)物為新發(fā)現(xiàn)的堿式硫酸鎂晶須，其化學(xué)式5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O(5·1·7)，該水泥具有快凝、早強、高強、尤其是高抗拉強度與抗折強度等優(yōu)點。何梁等[8]系統(tǒng)研究了堿式硫酸鎂水泥混凝土的配合比設(shè)計方法與立方體抗壓強度規(guī)律。但是目前為止，學(xué)術(shù)界尚缺少對堿式硫酸鎂水泥混凝土基本力學(xué)性能的系統(tǒng)研究。

本文系統(tǒng)測定了堿式硫酸鎂水泥混凝土的各項基本力學(xué)性能，研究了其軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、彈性模量與立方體抗壓強度之間的關(guān)系，并對比了普通混凝土的規(guī)律。對充分了解其在力學(xué)性能方面的優(yōu)越性，拓展其在土木工程行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域具有實際意義，并為未來開發(fā)堿式硫酸鎂水泥鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)積累基礎(chǔ)。

2 實 驗

2.1 原材料

(1) 水泥(Cement)：采用沈陽金輝籃鼎建材科技有限公司生產(chǎn)的堿式硫酸鎂水泥，其主要組成包括輕燒氧化鎂、磨細礦渣、MgSO4·7H2O和核心料，其強度等級分別為32.5、42.5和52.5，基本物理力學(xué)性能見表1。

(2)砂：沈陽渾河產(chǎn)河砂，表觀密度2620 kg/m3，含泥量2.08%，細度模數(shù)2.58，屬于Ⅱ區(qū)級配，中砂。

(3)石：沈陽產(chǎn)玄武巖碎石，最大粒徑20 mm，針片顆粒含量21%，壓碎性指標22%，表觀密度2815 kg/m3，堆積密度1620 kg/m3，基本屬于5～20 mm連續(xù)級配。

(4)水：沈陽自來水，符合國家標準。

(5)電阻應(yīng)變片: 采用河北邢臺金立傳感元件廠生產(chǎn)的JZ-120-20AA膠基式應(yīng)變計，敏感柵尺寸：50 mm×3 mm。

(6)其它材料：木模板、AB膠、電工膠布、502膠水、直徑1 mm細導(dǎo)線。

表1 堿式硫酸鎂水泥的物理力學(xué)性能Tab.1 Basic physical property of basic magnesium sulfate cement

2.2 混凝土配合比

參照何梁等[8]設(shè)計了C20～C60等8個強度等級共10個系列堿式硫酸鎂水泥混凝土的配合比，詳見表2。實驗過程中，主要通過調(diào)堿式硫酸鎂水泥用量、砂率和水膠比。

表2 堿式硫酸鎂水泥混凝土的配合比Tab.2 Mixture proportion of basic magnesium sulfate concrete

2.3 試件制備

將水泥、石與砂等原材料在攪拌機中干拌1 min，再加水濕拌3 min。出料后測定混凝土拌合物的坍落度，之后迅速將其澆注、振動成型100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件。成型后帶模養(yǎng)護24 h，之后拆模，然后移入(20±3) ℃、相對濕度(60%±5%)的養(yǎng)護室中養(yǎng)護。

2.4 實驗方法

堿式硫酸鎂水泥混凝土的立方體抗壓強度(fcu,m)、軸心抗壓強度(fc,m)、劈裂抗拉強度(fsp,m)、抗折強度(ft,m)與靜彈性模量(Ec)試驗按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》[9]進行，其中，fcu,m測試齡期為28 d、60 d和90 d，fsp,m測試齡期為60 d，其余測試齡期為90 d。其中，fcu,m測試采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，fc,m和Ec測試采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件，ft,m測試采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，fsp,m測試采用經(jīng)過抗折強度測試之后的截面100 mm×100 mm的半截試件。所得強度試驗結(jié)果均按照文獻[9]的相關(guān)系數(shù)換算為標準試件結(jié)果。泊松比采用應(yīng)變增量法測試與計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 立方體抗壓強度及發(fā)展規(guī)律

在混凝土配合比設(shè)計、質(zhì)量檢驗評定和施工控制中，混凝土強度的主要技術(shù)指標主要分為：fcu,m、fc,m、ft,m、抗拉強度(ft,k)、Ec和泊松比(μ)。其中，抗壓強度fcu,m值是最基本、最主要的強度指標，因此在實際工程應(yīng)用中，以立方體抗壓試驗確定的混凝土強度等級作為混凝土材料選用的依據(jù)。表3為不同齡期堿式硫酸鎂水泥混凝土的立方體抗壓強度。

表3 堿式硫酸鎂水泥混凝土不同齡期的立方體抗壓強度Tab.3 Compressive strength of BMSC concrete in standard curing different time

注：試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，數(shù)據(jù)已經(jīng)按0.95折減系數(shù)換算

圖1 堿式硫酸鎂水泥混凝土立方體抗壓強度發(fā)展規(guī)律Fig.1 Compressive strength's development law of BMSC concrete

圖1為堿式硫酸鎂水泥混凝土的立方體抗壓強度發(fā)展規(guī)律。由圖可見，堿式硫酸鎂水泥混凝土的立方體抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的增長而增長，尤其是在澆筑后的前期發(fā)展速度較快，28 d立方體抗壓強度可以達到其90 d強度的83%左右，60 d立方體抗壓強度可以達到其90 d強度的89%左右。因此，堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗壓強度在28 d之后能夠保持穩(wěn)定的增長。

3.2 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關(guān)系

實際混凝土結(jié)構(gòu)通常采用棱柱體抗壓強度、即軸心抗壓強度進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。表4是堿式硫酸鎂水泥混凝土的fc,m與fcu,m值測試結(jié)果，同時還列出了GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]的普通混凝土fc,m與fcu,m值的成對數(shù)據(jù)。對表中數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出了普通混凝土fc,m與fcu,m值的線性關(guān)系：

fc,m=0.6163fcu,m+1.4468

(1)

式中，n=14，R2=0.9991，其適用強度范圍為C15～C80。

回歸分析同樣表明，堿式硫酸鎂水泥混凝土的fc,m與fcu,m值也存在顯著的線性關(guān)系：

fc,m=0.8053fcu,m+0.4141

(2)

式中，n=10，R2=0.9803，其適用強度范圍為C20～C60。

表4 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度數(shù)據(jù)Tab.4 Datas between axial compressive strength and compressive strength of different concrete

圖2 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝 土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.2 Relations between axial compressive strength and compressive strength of different concrete

圖2為堿式硫酸鎂水泥混凝土與普通混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的回歸線性關(guān)系。由圖可見，堿式硫酸鎂水泥混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度成線性關(guān)系，堿鎂混凝土的軸壓比(軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值)較高，本次試驗軸壓比在0.75～0.85之間；在同等立方體抗壓強度等級的條件下，C20、C30、C40、C50和C60堿式硫酸鎂水泥混凝土的fc,m值比普通混凝土fc,m值依次提高了23%、22%、22%、26%和27%。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計是以軸心抗壓強度作為設(shè)計依據(jù)，因此，堿式硫酸鎂水泥混凝土的設(shè)計強度更高，明顯優(yōu)于普通混凝土。

3.3 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的關(guān)系

混凝土的軸心抗拉強度和軸心抗壓強度一樣都是混凝土的重要基本力學(xué)指標，但是混凝土的抗拉強度比抗壓強度低得多，由于軸心抗拉強度測試方法要求比較高，難以測準，因此常用劈裂抗拉強度fsp,m來表征混凝土的抗拉性能。葉列平[11]列出了普通混凝土的fsp,m與fcu,m值之間的關(guān)系：

fsp,m=0.19fcu,m3/4

(3)

混凝土的fsp,m值很大程度上反映了混凝土的抗裂性，既是抵抗因收縮和溫度變形而導(dǎo)致開裂的主要指標，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中裂縫寬度和裂縫間距計算控制的主要指標。表5中GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]列出了強度等級C15～C80普通混凝土的ft,k與fcu,m值的數(shù)據(jù)對應(yīng)表格。《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究報告選集》[12]建立了普通混凝土fsp,m與ft,k值的換算關(guān)系：

ft,k=1.24fsp,m

(4)

如表5所示，由公式(4)將GB50010-2010[10]的普通混凝土ft,k值換算得出fsp,m值。經(jīng)過回歸分析，得出了普通混凝土fsp,m與fcu,m值的線性回歸關(guān)系：

fsp,m=0.0221fcu,m+0.9084

(5)

式中，n=14，R2= 0.9423。 堿式硫酸鎂水泥混凝土fsp,m與fcu,m值的數(shù)據(jù)對應(yīng)表格見表5。經(jīng)過對本文數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到了堿式硫酸鎂水泥混凝土fsp,m與fcu,m值的線性關(guān)系：

fsp,m=0.0697fcu,m+0.5599

(6)

式中，n=10，R2=0.9185，其適用強度范圍為C20～C60。

表5 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度數(shù)據(jù)Tab.5 Datas between tensile splitting strength and compressive strength of different concrete

圖3 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝土 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.3 Relations between tensile splitting strength and compressive strength of different concrete

圖3為堿鎂混凝土和普通混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的關(guān)系對比。由圖可見，在相同立方體抗壓強度等級的條件下，C20、C30、C40、C50和C60堿式硫酸鎂水泥混凝土的fsp,m值分別比普通混凝土fsp,m值提高了27%、32%、40%、53%和66%，這充分說明堿式硫酸鎂水泥混凝土的劈裂抗拉強度遠高于普通混凝土，因此，堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗裂性能顯著優(yōu)于普通混凝土。對表5的數(shù)據(jù)進行回歸分析，同樣可以得到堿式硫酸鎂水泥混凝土的fsp,m與fcu,m值之間的3/4冪函數(shù)關(guān)系：

fsp,m=0.23fcu,m3/4

(7)

式中，n=10，R2=0.8322，其相關(guān)系數(shù)比線性關(guān)系式(6)略低，但是仍然是顯著的。

3.4 抗折強度與立方體抗壓強度的關(guān)系

抗折強度ft,m是混凝土用于道路工程的一項重要控制指標，其大小是否滿足設(shè)計要求，將直接影響到道路路面工程的整體質(zhì)量及使用壽命。劉衛(wèi)中等[13]通過研究得出了普通混凝土ft,m與fcu,m值之間的關(guān)系：

ft,m=0.1097fcu,m+0.4235

(8)

式中，n=324，R2= 0.8261，其適應(yīng)的強度范圍為C25～C60。

表6為堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗折強度結(jié)果。由表可知，10組堿式硫酸鎂水泥混凝土的ft,m與fcu,m值的比值范圍為：0.102～0.175。經(jīng)過對本文數(shù)據(jù)的回歸分析, 得出了堿式硫酸鎂水泥混凝ft,m與fcu,m值之間的線性關(guān)系公式(9)。

表6 堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗折強度與立方體抗壓強度數(shù)據(jù)Tab.6 Datas between rupture strength and compressive strength of BMSC concrete

ft,m=0.0727fcu,m+2.3036

(9)

圖4 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混 凝土抗折強度與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.4 Relations between rupture strength and compressive strength of different concrete

式中，n=10，R2= 0.8284，其適應(yīng)的強度范圍為C20～C60。 圖4比較了堿鎂混凝土和普通混凝土的抗折強度與立方體抗壓強度的關(guān)系。由圖可見，在相同立方體抗壓強度等級的條件下，C20、C25、C30、C35、C40、C45和C50堿式硫酸鎂水泥混凝土的ft,m值分別比普通混凝土ft,m值提高了38%、30%、25%、14%、8%、4%和1%，C60堿式硫酸鎂水泥混凝土ft,m值比普通混凝土ft,m值降低了5%，說明當(dāng)強度等級低于C55時, 堿式硫酸鎂水泥混凝土ft,m值明顯高于普通混凝土，當(dāng)強度等級達到C60時其ft,m值比普通混凝土略低。

3.5 彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系

表7為堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝土的彈性模量和立方體抗壓強度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，堿式硫酸鎂水泥混凝土的彈性模量是隨著立方體抗壓強度的增長而增長。堿式硫酸鎂水泥混凝土的彈性模量與立方體抗壓強度之間具有雙曲線的回歸關(guān)系。

表7 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝土彈性模量與立方體抗壓強度數(shù)據(jù)Tab.7 Datas between tensile elasticity modulus and compressive strength of different concrete

(10)

式中，n=10，R2=0.8787，其適用強度范圍：C20～C60。

圖5比較了堿式硫酸鎂水泥混凝土與普通混凝土的彈性模量。由圖可見，在相同立方體抗壓強度等級的條件下， C40、C50與C60堿式硫酸鎂水泥混凝土Ec值比普通混凝土Ec值依次提高了9%、19%和27%，而C20與C30堿式硫酸鎂水泥混凝土的Ec值比普通混凝土降低了17%和3%。因此，低強度等級的堿式硫酸鎂水泥混凝土韌性很好，適用于非承重結(jié)構(gòu)的墻體材料，而高強度等級的堿式硫酸鎂水泥混凝土更加適合于結(jié)構(gòu)材料，并比普通混凝土更有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

圖5 堿式硫酸鎂水泥混凝土和普通混凝 土彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系Fig.5 Relations between tensile elasticity modulus and compressive strength of different concrete

圖6 堿式硫酸鎂水泥混凝土的泊松比Fig.6 Poisson ratioof BMSC concrete

3.6 泊松比

圖6為不同強度等級堿式硫酸鎂水泥混凝土的泊松比。結(jié)果表明，硫酸鎂水泥混凝土的泊松比有隨著立方體抗壓強度的增長而增大的趨勢，但是因?qū)嶒灁?shù)據(jù)比較分散，一般可以取平均值0.25作為其計算泊松比。普通混凝土的泊松比為0.2，相比而言，堿式硫酸鎂水泥混凝土的泊松比略大一些。

4 結(jié) 論

(1)堿式硫酸鎂水泥混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度之間存在著較強的線性關(guān)系。堿式硫酸鎂水泥混凝土的軸壓比較高，本次試驗軸壓比范圍在0.75～0.85之間；在同等立方體抗壓強度等級的條件下，C20、C30、C40、C50和C60堿式硫酸鎂水泥混凝土的軸心抗壓強度比普通混凝土依次提高了23%、22%、22%、26%和27%，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計是以軸心抗壓強度作為設(shè)計依據(jù)，因此，堿式硫酸鎂水泥混凝土的設(shè)計強度更高，明顯優(yōu)于普通混凝土;

(2)堿式硫酸鎂水泥混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之間存在著線性關(guān)系。在相同立方體抗壓強度等級的條件下，C20、C30、C40、C50和C60堿式硫酸鎂水泥混凝土的劈裂抗拉強度比普通混凝土依次提高了27%、32%、40%、53%和66%，說明堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗拉強度顯著優(yōu)于普通混凝土;

(3)堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗折強度與立方體抗壓強度之間存在著線性關(guān)系。在相同立方體抗壓強度等級的條件下，C20、C25、C30、C35、C40、C45和C50堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗折強度比普通混凝土分別提高了38%、30%、25%、14%、8%、4%和1%，C60堿式硫酸鎂水泥混凝土ft,m值比普通混凝土略低5%，說明當(dāng)強度等級低于C55時, 堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗折強度明顯高于普通混凝土；當(dāng)強度等級高于C55時, 堿式硫酸鎂水泥混凝土的抗折強度比普通混凝土略低;

(4)堿式硫酸鎂水泥混凝土的彈性模量與立方體抗壓強度之間存在著雙曲線關(guān)系。在相同立方體抗壓強度等級的條件下， C20和C30堿式硫酸鎂水泥混凝土的彈性模量比普通混凝土分別降低了17%和3%，當(dāng)強度等級為C40～C60時堿式硫酸鎂水泥混凝土的彈性模量比普通混凝土提高了9%～27%，因此，低強度等級的堿式硫酸鎂水泥混凝土韌性很好，適用于非承重結(jié)構(gòu)的墻體材料，而高強度等級的堿式硫酸鎂水泥混凝土更加適合于結(jié)構(gòu)材料，并比普通混凝土更有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢;

(5)堿式硫酸鎂水泥混凝土的平均泊松比可取0.25。

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Mechanical Property of the Basic Magnesium Sulfate Cement Concrete

YANGSan-qiang1,MAHai-yan1,YUHong-fa1,ZHANGNa1,2,YANGLi-heng1,ZHUHai-wei1,HELiang1,LIShun2

(1.Department of Civil Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Shenyang Jinhuilanding Building Materials Technology LTD,Shenyang 110020,China)

To investigate the mechanical property of the basic magnesium sulfate cement (BMSC) concrete and compare it with ordinary concrete,the mechanical property between C20～C60 were measured through the experiment.The linear relationship and calculation formulas between cube compressive strength(fcu,m) and axial compressive strength (fc,m),tensile splitting strength(fsp,m),rupture strength(ft,m) were built. The hyperbolic relationship and calculation formulas between cube compressive strength(fcu,m)and elasticity modulus(Ec) were built.The results showed that: Between the strength grade of C20-C60,thefc,mandfsp,mof the BMSC concrete is higher than that of ordinary concrete,which is 22%-27% and 27%-66%, between the strength grade of C20-C30,theEcof the BMSC concrete is lower than that of ordinary concrete,which is 3%-17%.between the strength grade of C40-C60,theEcof the BMSC concrete is higher than that of ordinary concrete,which is 9%-27%.With the improvement of grade, the gap between the two kinds of concrete is increasing.The difference between theft,mof BMSC concrete with theft,mof ordinary concrete and the strength grade have a relationship.Theft,mof BMSC concrete, between the strength grade of C20-C50, theft,mof the BMSC concrete is higher than that of ordinary concrete,which is 38%-1%. With the improvement of grade, the gap between the two kinds of concrete is reducing.Theft,mof BMSC concrete,which is C60 of high strength grade, is lower than that of ordinary concrete,which is 5%.

BMSC concrete;compressive strength;axial compressive strength;tensile splitting strength;rupture strength;elasticity modulus

國家自然科學(xué)基金項目(21276264，51508272)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)

楊三強(1992-)，男，碩士研究生.主要從事新型結(jié)構(gòu)材料方面的研究.

麻海燕，博士，碩導(dǎo).

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2548-08