矿物掺合料对活性粉末混凝土力学性能的影响

2016-01-18唐爱华王尚伟金凌志赵胜华

河南科技大学学报(自然科学版) 2015年2期

关键词：抗压强度混凝土

唐爱华，王尚伟，金凌志，赵胜华

(桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室,广西桂林 541004)

矿物掺合料对活性粉末混凝土力学性能的影响

唐爱华，王尚伟，金凌志，赵胜华

(桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室,广西桂林 541004)

摘要：为了研究不同矿物细掺合料对活性粉末混凝土力学性能的影响,用硅微粉、粉煤灰、石英粉、粉煤灰与石英粉双掺(双掺组)共4种矿物掺合料，分别取代不同比例的硅粉来制作活性粉末混凝土试块；同时，采用不同的养护温度和不同的养护龄期对混凝土试块进行养护；最后，测出4组混凝土试块的抗压和抗折强度以及棱柱体的抗压强度，分别绘出抗压和抗折性能曲线。研究结果表明：同一种矿物掺合料，养护温度越高，其抗压和抗折强度越高；在同一养护条件下，粉煤灰改善活性粉末混凝土的抗压和抗折性能效果最好，石英粉最差，硅微粉和双掺组介于两者之间。

关键词：混凝土；矿物掺合料；抗压强度；抗折强度；养护条件

基金项目：国家自然科学基金项目(51368013);广西岩土力学与工程重点实验室基金项目(11-CX-04)；广西矿冶与环境科学实验中心基金项目(KH2013ZD008)

作者简介：唐爱华(1968-),女,湖南常德人,副教授,硕士生导师,主要从事工程结构应用方面的研究.

收稿日期：2014-04-03

文章编号：1672-6871(2015)02-0065-05

中图分类号：TU528.041

文献标志码：标志码：A

0引言

活性粉末混凝土(RPC)主要是由水泥、石英砂(粉)、硅粉、钢纤维、高效减水剂等材料配制而成的新型水泥基复合材料[1]，相对于普通混凝土和高强混凝土来说具有强度高、延性好、质量轻、耐久性好等优点[2]。但是，RPC在工程应用方面还欠缺相应的工程规范和施工经验，《混凝土结构设计规范》[3](GB50010—2010)也只是给出C80以下混凝土的参考规范，不能达到正确表征RPC性能的目的。众多研究资料表明[4-7]：矿物掺合料能有效改善RPC的力学性能，但是具体掺加哪种矿物掺合料、掺加比例以及如何养护，业界还没能形成统一的标准。在这种背景下，深入研究RPC的力学性能，已经成为当今混凝土研究领域的一个热门课题。

现阶段，国外一些学者也对RPC的早期收缩、耐久性能、力学性能、养护条件、水化反应等诸多方面进行了研究[8-10]。针对RPC材料在研究应用中存在的问题，本研究在经典RPC配合比及所用原材料的基础上，采取多重复合技术，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)三元凝胶材料体系和四元凝胶材料体系；通过对15组RPC的配合比设计，得出每种矿物掺合料对RPC材料强度的影响规律；同时，还研究了养护制度对RPC力学性能的影响。本研究可为RPC材料的制备和推广应用提供数据参考。

1试验原材料和配合比设计

1.1　原材料

水泥：P.O 52.5级普通硅酸盐水泥，细度为3 300 cm2/g,初凝时间为2.5 h,终凝时间为3.5 h,烧失质量比为0.5%，标准稠度用水量为27%(质量分数)。

石英砂：粒度为0～1.25 mm,SiO2占总质量的99.6%以上,颗粒形状为球形。

硅粉：密度为2.214 g/cm3,平均粒径0.31 μm左右,比表面积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：呈球形颗粒，平均粒径为30 μm左右，SiO2的质量分数接近99%。

高效减水剂：其特征状态为棕褐色粉剂。

钢纤维：细圆形表面镀铜直钢纤维,直径为0.22 mm,长度为12～15 mm,抗拉强度为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

在大量相关研究的基础上[11-14]，调整的标准配合比(S组)如表3所示。

表3　试验用活性粉末混凝土质量标准配合比　%

众多研究表明[15-16]：矿物掺合料会影响RPC的力学性能，以下15组不同配合比的活性粉末混凝土，主要考虑用不同矿物掺合料替代不同比例(质量分数，下同)的硅粉。用硅微粉代替0%、20%、40%、60%、80%、100%的硅粉，分别标记为A1组～A6组；用粉煤灰代替0%、20%、40%、60%的硅粉，分别标记为B1组～B4组；用石英粉代替0%、20%、40%、60%的硅粉，分别标记为C1组～C4组；用粉煤灰与石英粉互掺代替0%、20%、40%、60%的硅粉，分别标记为D1组～D4组。

2试块制作方法

根据试验方案要求，制作尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试块进行抗压强度试验；制作100 mm×100 mm×400 mm的试块进行抗折强度试验；制作100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块进行棱柱体抗压强度试验。A2组～A6组、B2组～B4组、C2组～C4组、D2组～D4组，每组制作试块20块(10块待测抗压强度，10块待测抗折强度)，其中，棱柱体只需试验其抗压强度，即只需要制作10块，共计310块。A1组、B1组、C1组、D1组与S组相同，因此只需要制作一组S组(20块)即可。

图1　拆模后的一组试块

按照设计的配合比把各种原材料称量好。先把水泥、石英砂、硅粉、硅微粉(或粉煤灰、石英粉)倒入搅拌机中搅拌大约5 min；然后，把减水剂倒入水中搅拌均匀，将其和钢纤维同时撒入原材料中，搅拌8 min左右出料。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[17](GB/T 50081—2002),进行不同养护时间和不同养护温度的养护，养护拆模后的一组试块如图1所示。

3试验方法

3.1　立方体抗压强度试验

清洁试块，然后测量试块尺寸是否达到试验要求，对不达标的试块进行切割或舍弃，误差不超过1 mm。把试块放在YAW-2000型电液压力机上，使压力机的下压板对准试块中心，然后启动压力机，保持加载速度为1.2 MPa/s，持续加压直至试块破坏，记录破坏时荷载值F。F对受压面积S的比值即是RPC立方体试块的抗压强度。本试验计算RPC材料的立方体抗压强度精确至0.1 MPa。

3.2　立方体抗折强度试验

清洁试块，然后测量试块尺寸是否达到试验要求尺寸，对不达标的试块进行切割或舍弃，误差不超过1 mm。把试块放在100TB型屏液显万能材料试验机托板上启动机器，当上压板快接近压头时，调整试块支座使接触平衡。采用三分点处双点分级加载，加载速度为0.2 MPa/s,记录试块破坏时的荷载值F。

合格的试验结果应该是裂缝出现在两个集中荷载之间，可按下式计算：

(1)

式中：ft为抗折强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；l为支座间跨度，试验取l=300 mm；h为试件截面高度，试验取h=100 mm；b为试件截面宽度，试验取b=100 mm。试验结果精确至0.01 MPa，舍弃不合格的试验结果。

3.3　棱柱体抗压强度试验

清洁试块，然后测量试块尺寸是否达到试验要求，对不达标的试块进行切割或舍弃，误差不超过1 mm。把试块放在YAW-2000型电液压力机的下压板上，使下压板对准试块中心，然后启动试验机，保持加载速度为0.8 MPa/s持续加压直至试块破坏。记录破坏时荷载值F，F对试件承压面积S的比值即是RPC棱柱体试块的抗压强度。本试验计算RPC材料的棱柱体抗压强度精确至0.1 MPa。

4试验结果及分析

“7 d养护”代表养护温度为20 ℃、养护时间为7 d；“28 d养护”代表养护温度为20 ℃、养护时间为28 d；“45 ℃养护”代表养护时间为28 d、养护温度为45 ℃；“75 ℃养护”代表养护时间为28 d、养护温度为75 ℃。“标准养护条件”代表养护温度为(20±2) ℃、相对湿度为95%以上、养护时间为28 d。

4.1　硅微粉试验结果及分析

图2和图3分别为硅微粉抗压强度和抗折强度。由图2可以看出：在掺合料比例相同的情况下，75 ℃养护组的抗压强度最高；7 d养护组的抗压强度最低。由图2还可以看出：45 ℃养护组比28 d养护组平均抗压强度提高了近3%，但是4组都是随着硅微粉掺入量的增加而逐渐降低。这说明在相同的养护条件下，硅微粉的掺入降低了RPC的抗压强度。提高养护温度是增加抗压强度的关键。

由图2和图3对比可以看出：抗折强度和抗压强度呈现相似的趋势。高温45 ℃养护条件下的抗压强度和抗折强度，比标准养护条件下只提高了3%左右；而高温75 ℃养护条件下，提高了近11%。

图2硅微粉抗压强度图3硅微粉抗折强度

4.2　掺粉煤灰试验结果及分析

表4为掺粉煤灰RPC试验结果。由表4可以看出：同一养护条件下，随着粉煤灰掺入量的增加，RPC抗压强度呈现先降低后增加的趋势。当掺入量达到40%的时候，强度最大。同硅微粉类似，相同掺入量的情况下，高温养护的RPC抗压强度最高，而7 d养护组抗压强度最低。这说明提高养护温度是增加RPC抗压强度的关键，但是鉴于粉煤灰的火山灰效应，掺入的粉煤灰量要适当。

由表4还可以看出：在75 ℃的情况下，随着掺入粉煤灰量的增加，其抗折强度逐渐降低；但是，在标准养护组和45 ℃养护组，抗折强度是先增加后降低，当掺入量为20%的时候，抗折强度最高。而7 d养护组仍然最低。这说明随着粉煤灰的掺入，其抗压强度和抗折强度不是同一个发展趋势。

表4　掺粉煤灰RPC试验结果

4.3　掺石英粉试验结果及分析

表5为掺石英粉RPC试验结果。由表5可以看出：对于平均抗压强度，75 ℃养护组>45 ℃养护组>28 d养护组>7 d养护组。但是当石英粉取代硅粉量达到60%，除“7 d养护组”之外，其他3组抗压强度非常接近。这说明随着石英粉掺入量的增加，RPC的抗压强度逐渐降低。

由表5还可以看出：7 d养护组掺入40%和掺入60%的抗折强度相近。从物理角度分析，应该是石英粉为多棱角颗粒，摩擦较大，在相同的水胶比条件下，掺石英粉的RPC浆体的流动度较差，不利于RPC的成型密实，从而使RPC的抗折强度降低。

4.4　混掺粉煤灰和石英粉试验结果及分析

表6为掺粉煤灰与石英粉RPC试验结果。由表6可看出：75 ℃组的抗压强度最大，7 d养护组仍然最低；但是随着混掺组掺量的增加，除“7 d养护组”之外，其他3组抗压强度趋于相同。这说明养护条件已经不是影响抗压强度的关键，可能是由于粉煤灰的火山灰效应和石英粉的物理效应相互中和，但是最终都没有超过标准组的抗压强度。抗折和抗压组的力学性能类似，但7 d养护组当混掺量达到60%的时候，抗折强度反而有些反弹。

表6　掺粉煤灰与石英粉RPC试验结果

4.5　棱柱体试验结果及分析

在结构设计中，棱柱体轴心抗压强度(fc)是混凝土结构最基本的强度指标。由试验结果得出：RPC材料的轴心抗压强度基本随着立方体抗压强度的增长而增长，轴压比fc/fcu大致为0.80～0.90(去除偏差过大的A6组)，平均值为0.85，即：

fc=(0.80～0.90)fcu。

(2)

虽然目前国内外己经建立了许多经验公式[18-19]，但由于材料的配合比及掺合料的弹性模量、品种的差异，得到的公式不尽相同。为保障结构安全，轴压比一般都取较小值。中国规范给出：C50及以下混凝土两者之比取0.76；对高强混凝土C80取0.82。RPC轴心抗压强度和立方体抗压强度拟合曲线见图4。由图4可以看出：RPC的轴压比要高于普通混凝土。本文通过15组试验数据拟合出RPC材料的轴心抗压强度与立方体抗压强度计算公式如下：