高性能混凝土力学性能试验检测研究

2022-04-20陈宁

科学技术创新 2022年11期

陈宁

（中犇检测认证有限公司，河南郑州 450000）

高性能混凝土优势在于其具有较好的路用性能，能够适应不同工程环境条件，在此基础上就需要对影响混凝土工程性能的关键因素做出研讨，探究如何保障混凝土材料具备足够的耐久性，应当优先选择质量可靠、性能良好的原材料并采取尽可能小的水灰比设计方案[1,2]。

1 高性能混凝土的制备

考虑到高性能混凝土在性能、配比上所具有的特殊性，其组分材料可能会产生较为突出的影响，导致路用性能发生变异[3]。

1.1 水泥

作为混凝土材料中至关重要的组分，水泥的强度往往主导着结构的强度及耐久性[4]。在设计环节中，水泥的选择应当满足我国现行《公路水泥混凝土路面施工技术细则》的具体要求，再本研究中最终选定为P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其基本性能如表1 所示。

表1 P·O42.5 普通硅酸盐水泥的基本性能

1.2 粉煤灰和矿粉

对于混凝土设计而言，若仅在其中掺加粉煤灰常常会导致混凝土的早期强度下降，引发这一不良现象的主要原因在于粉煤灰的活性较低，在反应早期难以形成强度[5]。

在本研究中，材料设计所用的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，根据现场试验检测得到其主要性能指标如表2 所示；材料设计所用的矿渣粉为S95 矿粉，根据试验检测得到其主要性能指标如表3 所示。

表2 试验测得粉煤灰主要性能指标

表3 试验测得S95 矿粉的性能指标

1.3 集料

1.3.1 粗集料

在本研究中控制碎石的最大粒径在31.5mm 以内。为便于区分，根据粒径不同将集料分为5-10mm、10-20mm及10-30mm 三类，其各自的试验检测结果如表4 所示。

表4 粗集料的主要性能指标

1.3.2 细集料

在设计混凝土时应当对细集料的配比设计予以足够重视，优先选用坚硬洁净的河砂，在本研究中所用细集料的基本性能如表5 所示。

表5 细集料的主要性能指标

1.4 外加剂

外加剂即是为了改善混凝土性能而掺入到材料内且掺加量在5%以内的一类化合物。经过长期的发展，目前外加剂的类型与数量都得到了极大的发展，其主要有减水剂、缓凝剂及引气剂等。减水剂作为混凝土设计中常见的一类组分，其能够在不影响设计功能的同时，发挥减少用水的作用[6]。在本研究中选用聚羧酸高效减水剂进行掺加，其基本技术指标如表6 所示。

表6 聚羧酸高效减水剂的基本技术指标

1.5 聚丙烯纤维

本研究采用聚丙烯进行设计，其具有重量小、耐腐蚀、电绝缘的优点，所以在工程中往往也能够表现出较好的效果，本文所用纤维的基本技术指标如表7 所示。

表7 聚丙烯纤维的基本技术指标

2 力学性能试验分析

本研究主要针对聚丙烯纤维在混凝土材料中发挥的力学性能影响作用展开分析，对于不同纤维掺量下的试件分别进行抗折、抗压及抗冲击试验。本研究共设置了五组对照试件，其纤维掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

2.1 抗压强度

在试验设计中借助响应面法对混凝土的配比设计进行优化，并以此为基础制作了规格为150mm×150mm×150mm 的标准试验试块，每一组共制作三个试件并编号。将试件置于标准养护条件下养护约24h，并在3d、7d 及28d 时分别对五组不同纤维掺量下的试件进行抗压试验。

本研究中借助万能液压伺服机来测定试件的抗折强度，且始终保持加载速度在0.8MPa/s 的标准下，荷载持续施加至试件破坏。将试验测得各组三个试件的实测值取算术平均作为这一组试件的代表值。若该组试件的实测值中任一与中间值之间的偏差大于15%，则可取该中间值作为该组代表值。若该组试件最大及最小值与中间值之间的偏差均大于15%，则可认定该组试件无效，应当重新制作试件完成试验。

对不同纤维掺量下混凝土的抗压强度试验可得到图1 所示结果。

图1 不同纤维掺量下混凝土试件的抗压强度

根据图1 可以发现，纤维的掺加对于混凝土试件抗压强度存在一定的削弱作用，而在纤维的体积掺量达到1.0%后，试件抗压强度达到稳定。出现这一现象的主要原因在于聚丙烯纤维的抗压能力较差，其掺加将导致混凝土试件的有效受压面积减小。所以在更高的纤维掺量下，混凝土的有效受压面积也就更小，进而使得试件的抗压强度下降。

2.2 抗折强度

制作规格为150mm×150mm×550mm 的标准试验试块，每一组共制作三个试件并编号。将试件置于标准养护条件下养护至预期龄期，并在7d 及28d 时分别对五组不同纤维掺量下的试件进行抗折试验。

借助万能液压伺服机来测定试件的抗折强度，且始终保持加载速度在0.08MPa/s 的标准下，荷载持续施加至试件破坏。将试验测得各组三个试件的实测值取算术平均作为这一组试件的代表值。若该组试件的实测值中任一与中间值之间的偏差大于15%，则可取该中间值作为该组代表值。若该组试件最大及最小值与中间值之间的偏差均大于15%，则可认定该组试件无效，应当重新制作试件完成试验。

对不同纤维掺量下混凝土的抗折强度试验可得到图2 所示结果。

图2 不同纤维掺量下混凝土试件的抗折强度

根据图2 可以发现，纤维的掺加对于混凝土试件抗折强度存在一定的增强作用，而在纤维的体积掺量达到1.5%后，试件抗折强度达到稳定，同时在纤维的体积掺量达到2.0%后，试件抗折强度出现了小幅度的削弱，但从整体上来看，聚丙烯的掺加能够显著改善混凝土材料的抗折能力。出现这一现象的主要原因在于纤维在受拉时能够发生一定的变形，有助提升构件抗拉性能的提升，同时延缓裂缝的产生。

2.3 抗冲击性能

选用低速落锤进行试验，制作尺寸为150mm×150mm×150mm 的标准试块并在标准条件下养护28d。在冲击试验开始前将试件切分为厚度为40mm 及60mm 的三类小试件，且其高度应不高于2mm。记录下试件受冲击出现第一条裂纹所需的冲击次数N1以及试件完全破坏所需的冲击次数N2，其所对应的能量分别定义为E1和E2。计算可按以下公式进行：

其中：Ei——试件初裂（E1）和最终（E2）破坏时所对应的冲击能量；Ni——在初裂（N1）和最终（N2）破坏时所对应的冲击次数；m——落锤的质量（0.5kg 或1kg）；g——重力加速度（9.81m/s2）；h——落锤释放高度（900mm）。抗冲击强度保留率指标能够较好地评价在出现裂纹后混凝土试件的力学性能，同时也能够较好地表征混凝土的延展性，其计算可按式（2）进行：

对于不同试验组，其代表值可按该组试件测得的算术平均值来确定，若该组试件的实测值中任一与平均值之间的偏差大于15%，则可认定该值无效；若该组所有试件的实测值中至少有两个与平均值之间的偏差大于15%，则可认定该试验结果无效，需要重新按照要求制作试件并完成试验。基于不同聚丙烯纤维掺量下的混凝土试验可以得到厚度为40mm 和60mm 时，混凝土试件的抗冲击能力，如图3-图4 所示。

图3 厚度为40mm 时

图4 厚度为60mm 时

根据图3-图4 可以发现：聚丙烯纤维的掺加能够有效改善混凝土试件的抗抗冲击韧性，且在较高的纤维掺量下其改善效果更加突出；同时，试件厚度的提升也将导致混凝土在开裂后吸收更多的能量。分析上图中冲击次数、纤维掺量之间的关系可以发现，两者之间大致存在二次关系，这也表明纤维掺量对于混凝土抗冲击韧性的提升作用并非无限制的，所以在设计中需要合理确定纤维的最佳掺量范围。