含粗骨料的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素

朋改非，楊 娟，高育欣，王 斌

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044;2.中建商品混凝土有限公司成都分公司，四川成都610017)

超高性能混凝土因其超高抗壓強(qiáng)度和超高耐久性等良好性能越來越受到國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注［1–3］.超高性能混凝土包括不含粗骨料的活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete，RPC)和抗壓強(qiáng)度值高于100 MPa的含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)2 種.

日本59層兩塔建筑使用的超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度值約為150 MPa，為第一次抗壓強(qiáng)度值達(dá)到150 MPa的超高性能混凝土的工程應(yīng)用［3］.國內(nèi)，蒲心誠團(tuán)隊研究了超高性能混凝土的相關(guān)性能，并取得了可觀的研究成果［4－5］.超高性能混凝土在廣州國際金融中心得到了工程應(yīng)用，混凝土的抗壓強(qiáng)度值高于100 MPa［6］.然而，含粗骨料的超高性能混凝土脆性較大，抗高溫性能較差，為使超高性能混凝土更好地應(yīng)用于實際工程中，超高性能混凝土的相關(guān)性能尚需進(jìn)一步研究測定.

1 試驗

1.1 試驗材料

含粗骨料的超高性能混凝土采用普通原材料制備，各因素對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響試驗研究由階段1和階段2完成，其中階段2僅為低水膠比(W/B≤0.20)對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響，其他試驗內(nèi)容均屬于階段1.兩階段的試驗材料來源不同，文中均用上標(biāo)大寫英文字母表示材料類型.

1)粗骨料.粗骨料為石灰石A和玄武巖B，均是由兩種顆粒粒徑范圍為5～10 mm和10～20 mm的粗骨料以3∶7的質(zhì)量比混合，清洗干凈并晾曬至飽和面干狀態(tài)，壓碎指標(biāo)值分別為4.0%和3.5%.

2)細(xì)骨料.細(xì)骨料采用機(jī)制砂C和機(jī)制砂D，其物理性能見表1.

表1 細(xì)骨料的物理性能

3)水泥.采用52.5級早強(qiáng)硅酸鹽水泥，標(biāo)號為P·Ⅱ 52.5R，即52.5RE和 52.5RF，其性能見表 2.

4)礦物摻合料.試驗中使用多種礦物摻合料，分別為硅灰(Silica Fume，SF)，包括 SFG和 SFH;粉煤灰(Fly Ash，F(xiàn)A)，包括 FAI和 FAJ;礦粉(Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBS)，包括 GGBSK和 GGBSL;復(fù)合硅材(Hybrid Silica Powder，HSP)，其性能見表3.

5)鋼纖維.采用鍍銅鋼纖維，長度為13 mm，直徑為0.20 mm.

6)減水劑.采用聚羧酸型高效減水劑M和聚丙烯酸酯高效減水劑N，固含量分別為20%和40%.

表2 水泥性能

表3 礦物摻合料的物理性能

1.2 混凝土配合比

試驗中制備了27種不同配合比的UHPC(見表4)，以不同的編號作為其標(biāo)記，S代表硅灰，F(xiàn)代表粉煤灰，G代表礦粉，H代表復(fù)合硅材.其中，0.18SF-1%和0.18S-F-2%是兩種含有鋼纖維的UHPC，1%和2%分別表示鋼纖維的體積摻量.

表4 超高性能混凝土的配合比

1.3 混凝土的制備與養(yǎng)護(hù)

混凝土攪拌采用水泥裹砂法，即先加入砂和20%的總用水量，攪拌2 min;然后加入水泥、硅灰等礦物摻合料，攪拌6 min;再加入粗骨料，攪拌3 min;最后加入高效減水劑和剩余的水，攪拌3～5 min.若摻有鋼纖維，則在粗骨料攪拌均勻后再加入攪拌.

混凝土試塊的成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，制備完成后立即用塑料薄膜覆蓋，并放置于溫度為(20±2)℃、濕度約為70%的養(yǎng)護(hù)室.

1.4 抗壓強(qiáng)度值的測定

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)，超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度值測定試驗中加載速率取10 kN/s，即約1 MPa/s，加載過程中保持速率恒定.結(jié)果取3個試塊抗壓強(qiáng)度的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比

水膠比對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響試驗由2部分組成，即 W/B≤0.20和 W/B≥0.21，結(jié)果分別如圖1和圖2所示.結(jié)果顯示，水膠比顯著影響了UHPC的抗壓強(qiáng)度值.W/B≥0.21時，UHPC抗壓強(qiáng)度值隨著水膠比的增大而逐漸降低;而W/B≤0.20時，無論是僅摻硅灰(SFH)的 UHPC，或者是摻入SFH，F(xiàn)AJ和 GGBSL3種礦物摻合料的 UHPC，抗壓強(qiáng)度值均在水膠比為0.18時出現(xiàn)最大值，這與普遍認(rèn)為的“低水膠比，高抗壓強(qiáng)度”的混凝土強(qiáng)度規(guī)律不相一致，且UHPC各齡期抗壓強(qiáng)度值隨著水膠比的增大(0.14至0.18)而逐漸升高.相似的試驗結(jié)果亦有報道［8］，齡期為 90 d時，水膠比為 0.16的UHPC的抗壓強(qiáng)度值最高，0.18其次，0.14最低;而早齡期時UHPC抗壓強(qiáng)度值隨著水膠比的降低而逐漸升高.可見，對于低水膠比下的UHPC，水膠比對其抗壓強(qiáng)度值的影響與高水膠比(不低于0.21)下的情況不同，出現(xiàn)“低水膠比，低抗壓強(qiáng)度值”的現(xiàn)象，具體原因還需要進(jìn)一步通過微觀測定進(jìn)行研究.

2.2 粗骨料A的顆粒粒徑

測定了粗骨料A的顆粒粒徑對僅摻硅灰的UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響，如圖3所示.5～15 mm粒徑范圍的粗骨料A最有利于UHPC抗壓強(qiáng)度值的提高;其次是5～20 mm下，UHPC抗壓強(qiáng)度值僅降低2.7 MPa;5～10 mm下，UHPC抗壓強(qiáng)度值最低，但相比最大值僅降低7.7 MPa.可見，粗骨料A的粒徑范圍對UHPC抗壓強(qiáng)度值有一定的影響，但效果不顯著.

圖3 粗骨料的顆粒粒徑范圍對UHPC(0.22S)各齡期抗壓強(qiáng)度值的影響

2.3 細(xì)骨料C的細(xì)度模數(shù)

細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響如圖4所示.

圖4 細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響

細(xì)骨料C的細(xì)度模數(shù)對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響不顯著，但細(xì)骨料C細(xì)度模數(shù)為3.0略高于細(xì)度模數(shù)為2.2的UHPC抗壓強(qiáng)度.則制備含粗骨料的UHPC應(yīng)選擇中粗砂，細(xì)度模數(shù)約為3.0.

2.4 膠凝材料的摻量

增加膠凝材料摻量是制備UHPC的關(guān)鍵措施，膠凝材料摻量對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響如圖5所示.3 d齡期時，UHPC抗壓強(qiáng)度值隨著膠凝材料摻量的增大而略有降低，可忽略;7 d和28 d齡期時，UHPC的抗壓強(qiáng)度值隨膠凝材料摻量的增多而提高.可見，增加膠凝材料摻量有利于UHPC抗壓強(qiáng)度的提高.而考慮制備UHPC的經(jīng)濟(jì)性問題，制備UHPC的膠凝材料摻量宜采用900 kg/m3.

圖5 膠凝材料摻量對UHPC(0.22B-S)各齡期抗壓強(qiáng)度值的影響

2.5 礦物摻合料

礦物摻合料對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響試驗包括2部分:一是不同種類混摻的礦物摻合料，其對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響試驗結(jié)果如圖6所示;二是3種以不同質(zhì)量比混摻的礦物摻合料對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響，試驗結(jié)果如圖7所示.

圖6 混摻的不同種類礦物摻合料對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響

為避免UHPC的流動性差別較大，試驗中UHPC的水膠比由其所摻礦物摻合料確定，混凝土坍落度控制在200～240 mm，坍落擴(kuò)展度控制在400～550 mm.試驗結(jié)果顯示:3種礦物摻合料(SFG，F(xiàn)AI和GGBSK)以1∶2∶1的質(zhì)量比混摻時，UHPC 的抗壓強(qiáng)度值最高;其次是SFG和FAI混摻;而復(fù)合硅材HSP對UHPC抗壓強(qiáng)度值的提高起負(fù)面作用.

圖7 混摻礦物摻合料的質(zhì)量比對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響

2.6 鋼纖維

鋼纖維對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響如圖8所示.鋼纖維顯著影響了UHPC的抗壓強(qiáng)度值.摻入鋼纖維的UHPC 56 d齡期的抗壓強(qiáng)度值高于空白混凝土(未摻鋼纖維)約15 MPa.但鋼纖維摻量的多少對UHPC抗壓強(qiáng)度值的影響不顯著，且UHPC抗壓強(qiáng)度并非隨著鋼纖維體積摻量的增加而提高，1%鋼纖維體積摻量的UHPC 56 d齡期的抗壓強(qiáng)度值高于2%鋼纖維體積摻量的UHPC抗壓強(qiáng)度值.鋼纖維對UHPC其他力學(xué)性能的影響需要進(jìn)一步研究.

圖8 鋼纖維及其摻量對UHPC(0.18S-F)各齡期抗壓強(qiáng)度值的影響

3 結(jié)語

1)水膠比顯著影響了UHPC各齡期的抗壓強(qiáng)度.當(dāng)水膠比低于0.18時，UHPC的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的降低逐漸降低，與“低水膠比，高抗壓強(qiáng)度”的混凝土強(qiáng)度規(guī)律不相一致.低水膠比UHPC的力學(xué)性能及其微觀性能需要進(jìn)一步測定.

2)粗骨料的顆粒尺寸亦在一定程度上影響了UHPC的抗壓強(qiáng)度，5～15 mm是粗骨料的最佳顆粒尺寸范圍.細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響較小，而細(xì)度模數(shù)3.0的中粗砂更有利于提高UHPC的抗壓強(qiáng)度，即制備UHPC時應(yīng)使用中粗砂.膠凝材料摻量宜采用900 kg/m3.

3)礦物摻合料顯著影響了UHPC的抗壓強(qiáng)度.SF，F(xiàn)A和GGBS 3種礦物摻合料以質(zhì)量比為1∶2∶1混摻最有利于提高UHPC的抗壓強(qiáng)度.

4)鋼纖維的摻入顯著提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度，體積分?jǐn)?shù)為1%的鋼纖維摻量有利于提高UHPC的抗壓強(qiáng)度.

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