楊衛(wèi)忠 王晨陽(yáng)

（1 鄭州大學(xué)土木工學(xué)院，河南 鄭州 450000 2 中州建設(shè)雜志社，河南 鄭州 450000）

高性能混凝土（簡(jiǎn)稱HPC）是在傳統(tǒng)混凝土組成材料（水、水泥、砂子和石子）的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻加適量的活性膠凝材料（如礦粉、粉煤灰等）和高效減水劑而形成的新型綠色混凝土，它不僅可以節(jié)能利廢、減少水化熱，而且能增加施工時(shí)的和易性，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

已有的高性能混凝土研究成果[1～4]以單一的強(qiáng)度、變形或耐久性研究為主，而進(jìn)行較為完整的基本力學(xué)性能研究尚不多見(jiàn)，而現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]（以下簡(jiǎn)稱混凝土規(guī)范）在條文說(shuō)明中指出該規(guī)范并不適用高爐礦渣（也稱礦粉）混凝土。本文主要的研究?jī)?nèi)容有：（1）混凝土立方體受壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)；（2）混凝土棱柱體軸心受壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)。變化的主要參數(shù)是試件的形狀和骨料的種類。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)用高性能混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，試件形式有立方體、棱柱體和方板三種，其中，立方體的邊長(zhǎng)為150mm，棱柱體的邊長(zhǎng)和高分別為100mm和 300mm，方板的厚度有50mm和60mm兩種，而邊長(zhǎng)則為3倍的厚度。試件采用的混凝土配合比為水：膠凝材料：砂：石=0.340：1：1.254：2.156，每立方米混凝土的膠凝材料用量為510kg，外加15.4kg的高效減水劑，其中，用礦粉和粉煤灰分別替代40%和20%的水泥用量，粗骨料粒徑為5～15mm，分卵石和碎石兩種。采用試模成型，機(jī)械振搗，24小時(shí)后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行試驗(yàn)。在板式試件的混凝土澆注時(shí)，又分為水平澆注和豎直澆注兩種，同時(shí)，量測(cè)了混凝土的坍落度和擴(kuò)展度，其中，卵石混凝土的坍落度和擴(kuò)展度分別為200～210（mm）和450～500（mm），而碎石混凝土的相應(yīng)值分別為215～220（mm）和470～510（mm）。

試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50081-2002）相應(yīng)規(guī)定的方法，采用應(yīng)力加載控制方式。而在彈性模量試驗(yàn)中，采用在試件側(cè)面中心線上十字正交形粘貼標(biāo)距為100mm（縱向）和80mm（橫向）的應(yīng)變片量測(cè)變形，由動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)同步采集應(yīng)變和試驗(yàn)機(jī)輸出的荷載。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 立方體受壓強(qiáng)度

采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)混凝土試件進(jìn)行有關(guān)受壓強(qiáng)度試驗(yàn)后得知，高性能混凝土立方體受壓與相應(yīng)等級(jí)普通混凝土的破壞形態(tài)相同，不同齡期強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，同時(shí)將普通混凝土強(qiáng)度（Fn）隨齡（n）期增長(zhǎng)曲線示于圖中，其中，F(xiàn)28表示混凝土28天的立方體強(qiáng)度。

圖1 立方體受壓強(qiáng)度隨齡期變化

從上圖中不難看出，在其他條件相同的前提下，僅粗骨料種類不同，兩種混凝土的立方體強(qiáng)度相差不大，均具有隨著齡期的增加而強(qiáng)度增長(zhǎng)的規(guī)律，并符合普通混凝土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)規(guī)律。

2.2 軸心受壓強(qiáng)度

混凝土軸心受壓強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算的依據(jù)，一般由棱柱體試件受壓試驗(yàn)獲得。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制加載，對(duì)板式試件和棱柱體試件進(jìn)行了全曲線試驗(yàn)，從中提取峰值應(yīng)力，結(jié)果列于表2中。其中，試件分水平澆注和豎直澆注。此外，在板式試件與試驗(yàn)機(jī)加載板之間設(shè)置了減摩墊層，以消除加載板對(duì)試件的約束。

當(dāng)不考慮端部約束的影響，對(duì)于高寬比相同的板式試件和棱柱體試件而言，理論上，兩者強(qiáng)度相等，而實(shí)際上僅垂直澆注的碎石混凝土板式試件和棱柱體試件的強(qiáng)度相近，甚至還略高于棱柱體強(qiáng)度，而對(duì)水平澆注的試件而言，板式試件的強(qiáng)度約為棱柱體試件強(qiáng)度的0.85倍。試件形狀和澆注方法是影響強(qiáng)度的主要因素。

進(jìn)一步計(jì)算得棱柱強(qiáng)度與立方強(qiáng)度的比值，分別為0.77（卵石混凝土）和0.78（碎石混凝土），此值高于混凝土規(guī)范中C50普通混凝土的0.76，而接近C60普通混凝土的0.78，與實(shí)際混凝土強(qiáng)度相符。

表1 受壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 軸心受拉強(qiáng)度

混凝土的受拉強(qiáng)度包括立方體劈拉和軸心受拉強(qiáng)度兩種，立方體試件的邊長(zhǎng)為150mm，而板式試件的尺寸同軸心受壓試件的尺寸。其中，軸心受拉強(qiáng)度是通過(guò)將試件端部粘接在試驗(yàn)機(jī)加載板上并采用等應(yīng)變加載試驗(yàn)獲得，而劈拉強(qiáng)度則由邊長(zhǎng)150mm的立方體試件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的劈拉試驗(yàn)獲得。就破壞過(guò)程和形態(tài)而言，與普通高強(qiáng)混凝土相似，僅發(fā)生一個(gè)截面的拉斷破壞，斷口比較平齊，一般相差5mm左右。通過(guò)考察試件的破壞面，高性能混凝土的破壞面穿越的粗骨料大部分被整齊地拉開(kāi)，少量粗骨料發(fā)生粘結(jié)破壞，與高強(qiáng)混凝土的受拉破壞特征相符。具體試驗(yàn)結(jié)果如下表。

表2 受拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

考察上表中的數(shù)據(jù)不難看出，在配合比和澆注方法相同且立方體受壓強(qiáng)度相近的情況下，無(wú)論是碎石混凝土還是卵石混凝土，劈拉強(qiáng)度均高于軸心受拉強(qiáng)度，分別提高33%和18%。無(wú)論是軸心受拉還是劈拉，在相同試件尺寸、澆注方法、試驗(yàn)方法的前提下，碎石混凝土的強(qiáng)度均高于卵石混凝土的強(qiáng)度，提高幅度分別為33%和18%，粗骨料、試驗(yàn)方法是影響強(qiáng)度的主要因素。

用混凝土規(guī)范中軸拉強(qiáng)度與立方強(qiáng)度關(guān)系式計(jì)算得到的軸心受拉強(qiáng)度分別為4.01MPa（卵石）和4.12MPa（碎石），兩種骨料的混凝土由軸心拉伸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度均低于該估算值。

2.4 彈性模量和泊松比

混凝土的彈性模量和橫向變形系數(shù)是本構(gòu)關(guān)系計(jì)算中的重要參數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得了彈性模量，同時(shí)，也間接量測(cè)了混凝土的橫向變形與縱向變形之比（即割線泊松比）隨應(yīng)力水平的變化。試件采用100mm×100 mm×300 mm的棱柱體。此外，混凝土的彈性模量和初始泊松比也通過(guò)相同尺寸試件的全曲線試驗(yàn)并結(jié)合本構(gòu)關(guān)系的參數(shù)識(shí)別獲得，兩種試驗(yàn)方法得到的結(jié)果非常接近，表3列出了受壓強(qiáng)度和彈性模量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

表3 混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

從表中不難看出，在試驗(yàn)方法、試件尺寸等條件相同的前提下，僅骨料不同，試驗(yàn)得到的抗壓強(qiáng)度和割線泊松比相差不大，而彈性模量則相差較大，碎石混凝土的彈性模量明顯要高于卵石混凝土的彈性模量，提高幅度為34%。進(jìn)一步用混凝土規(guī)范的彈性模量公式計(jì)算，兩種骨料混凝土的彈性模量估算值分別為37504MPa和37710MPa，偏差分別為-20%和7.8%，碎石混凝土更吻合。

進(jìn)一步根據(jù)記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)，整理得到割線泊松比和體積變形隨（相對(duì)）壓應(yīng)力的變化曲線。圖2和圖3分別是卵石混凝土和碎石混凝土的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 相對(duì)壓應(yīng)力-割線泊松比曲線

圖3 相對(duì)壓應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線

從圖2—3中不難發(fā)現(xiàn)，兩種不同骨料混凝土的初始割線泊松比近似為0.2，與普通混凝土相近。割線泊松比出現(xiàn)明顯增大時(shí)的壓應(yīng)力分別為0.6倍和0.8倍的峰值應(yīng)力，而混凝土的體積變化也由開(kāi)始的壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎?，最大體積變形發(fā)生在0.9～0.95倍軸心受壓強(qiáng)度附近，比普通混凝土相應(yīng)值要高一些，具有高強(qiáng)度混凝土的特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)用混凝土是在傳統(tǒng)四組分混凝土的基礎(chǔ)上，用礦粉和粉煤灰等量替代水泥，并添加高效減水劑，使得混凝土的坍落度和擴(kuò)展度大幅提高，具有高性能混凝土特點(diǎn)。同時(shí)，由于混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高，又具有高強(qiáng)混凝土的特征。

3.1 破壞形態(tài)

總體來(lái)看，摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土的破壞形態(tài)與相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的高強(qiáng)度混凝土相同，即受拉破壞僅在試件中部出現(xiàn)一條裂縫，而受壓破壞則出現(xiàn)若干條裂縫，其中，立方體試件破壞后仍具有典型的錐形體，棱柱體試件破壞后呈啞鈴型，而板式試件則由于端部的減磨層存在，裂縫大致與壓應(yīng)力方向平行。通過(guò)考察試件的破壞面，其破壞面穿越的粗骨料部分被整齊地劈開(kāi)，部分粗骨料發(fā)生粘結(jié)破壞。

3.2 骨料種類

骨料是混凝土的主要組成部分，我國(guó)現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要以其標(biāo)準(zhǔn)立方體受壓強(qiáng)度來(lái)劃分強(qiáng)度等級(jí)[5]，相應(yīng)地也就確定其他指標(biāo)，如：受拉強(qiáng)度、彈性模量等，未考慮骨料種類的影響。從前面的試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，骨料顯著影響混凝土的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，而對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響基本不明顯。

進(jìn)一步分析后得知，卵石和碎石的表面特征不同，與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度也不同，相應(yīng)地也就影響了與粘結(jié)強(qiáng)度密切的混凝土的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，若粘結(jié)強(qiáng)度越大，則混凝土的抗拉強(qiáng)度就越高，相應(yīng)地，混凝土的彈性模量也提高，兩者的提高幅度相近。

3.3 試件成型

混凝土的澆筑成型也影響混凝土的強(qiáng)度，盡管混凝土材料組成、試驗(yàn)方法、試件尺寸等均相同，但是，不同的澆筑方法也顯著影響混凝土的強(qiáng)度。從表1的試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，材料組分相同的碎石混凝土，采用垂直澆注成型的板式試件的受壓強(qiáng)度要比采用水平澆注成型試件的相應(yīng)強(qiáng)度高23%，也要高于棱柱體試件強(qiáng)度。

這其中的主要原因是在不同的試件成型方法中，水平澆注成型試件的高厚度僅50mm，而垂直澆注試件的高度為560mm，對(duì)未凝結(jié)硬化混凝土，在試件成型及靜止養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，混凝土中的固體顆粒物在重力作用下會(huì)發(fā)生沉降而產(chǎn)生分層現(xiàn)象，其結(jié)果必將產(chǎn)生沿澆注方向的宏觀堆聚，下部的密實(shí)度高于上部，形成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，并在粗骨料下部形成充水區(qū)，硬化后則形成宏觀孔穴，使得沿澆注方向的拉伸強(qiáng)度低于垂直于該方向的強(qiáng)度，下部密實(shí)區(qū)的受壓強(qiáng)度高于上部區(qū)的強(qiáng)度，相應(yīng)地，垂直澆注試件的混凝土抗壓強(qiáng)度較水平澆注試件的強(qiáng)度更高。

3.4 試驗(yàn)方法

混凝土受拉強(qiáng)度是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗裂計(jì)算的重要指標(biāo)，而軸心受拉強(qiáng)度的得到盡管有多種試驗(yàn)方法，但其難易程度和結(jié)果相差較大。通過(guò)粘接連接的軸心受拉試驗(yàn)獲得的受拉強(qiáng)度被認(rèn)為是最能反映混凝土軸心受拉強(qiáng)度的試驗(yàn)，但其試驗(yàn)難度也最大，而劈拉強(qiáng)度的試驗(yàn)則較為簡(jiǎn)便，但其結(jié)果反映的是混凝土的間接受拉強(qiáng)度。兩種試驗(yàn)方法不僅試件的受力狀態(tài)不同，而且加載速率也不同，因此產(chǎn)生不同的結(jié)果。

4 結(jié)論

對(duì)摻礦粉和粉煤灰的高性能混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，主要研究結(jié)果總結(jié)如下：

（1）兩種粗骨料的混凝土均符合C50級(jí)設(shè)計(jì)要求，隨混凝土齡期增加，強(qiáng)度也增加，符合普通混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。

（2）碎石混凝土與卵石混凝土相比，兩種混凝土的受壓強(qiáng)度和壓縮割線泊松比（即橫向應(yīng)變/縱向應(yīng)變）、體積變形規(guī)律等特性均差別不大，但是，碎石混凝土的抗拉強(qiáng)度、彈性模量均顯著高于卵石混凝土的相應(yīng)值，約提高1/3。無(wú)論受拉還是受壓，卵石混凝土的峰值應(yīng)變則顯著高于碎石混凝土的峰值應(yīng)變。

（3）試件澆注成型方法和試驗(yàn)方法影響混凝土力學(xué)性能。板式試件采用水平澆注成型時(shí)的受壓強(qiáng)度要顯著低于垂直澆注成型試件的強(qiáng)度，而混凝土的劈拉強(qiáng)度則要高于軸心受拉強(qiáng)度。

（4）高性能混凝土的棱柱強(qiáng)度與立方強(qiáng)度的比值同相應(yīng)等級(jí)普通混凝土的值，對(duì)碎石混凝土而言，用混凝土規(guī)范方法預(yù)測(cè)的混凝土彈性模量、峰值應(yīng)變與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，而對(duì)卵石混凝土則需進(jìn)行修正。

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