摻礦粉和粉煤灰的高性能混凝土力學(xué)性能試驗研究

楊衛(wèi)忠 王晨陽

（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，而且能增加施工時的和易性，經(jīng)濟效益顯著。

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

1 試驗概況

試驗用高性能混凝土設(shè)計強度等級為C50，試件形式有立方體、棱柱體和方板三種，其中，立方體的邊長為150mm，棱柱體的邊長和高分別為100mm和 300mm，方板的厚度有50mm和60mm兩種，而邊長則為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，機械振搗，24小時后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天后進行試驗。在板式試件的混凝土澆注時，又分為水平澆注和豎直澆注兩種，同時，量測了混凝土的坍落度和擴展度，其中，卵石混凝土的坍落度和擴展度分別為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）。

試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（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)變片量測變形，由動態(tài)信號采集系統(tǒng)同步采集應(yīng)變和試驗機輸出的荷載。

2 主要試驗結(jié)果

2.1 立方體受壓強度

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

圖1 立方體受壓強度隨齡期變化

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度相差不大，均具有隨著齡期的增加而強度增長的規(guī)律，并符合普通混凝土強度隨齡期增長規(guī)律。

2.2 軸心受壓強度

混凝土軸心受壓強度是結(jié)構(gòu)承載能力計算的依據(jù)，一般由棱柱體試件受壓試驗獲得。試驗采用應(yīng)變控制加載，對板式試件和棱柱體試件進行了全曲線試驗，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，在板式試件與試驗機加載板之間設(shè)置了減摩墊層，以消除加載板對試件的約束。

當(dāng)不考慮端部約束的影響，對于高寬比相同的板式試件和棱柱體試件而言，理論上，兩者強度相等，而實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度相近，甚至還略高于棱柱體強度，而對水平澆注的試件而言，板式試件的強度約為棱柱體試件強度的0.85倍。試件形狀和澆注方法是影響強度的主要因素。

進一步計算得棱柱強度與立方強度的比值，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，與實際混凝土強度相符。

表1 受壓強度試驗結(jié)果

2.3 軸心受拉強度

混凝土的受拉強度包括立方體劈拉和軸心受拉強度兩種，立方體試件的邊長為150mm，而板式試件的尺寸同軸心受壓試件的尺寸。其中，軸心受拉強度是通過將試件端部粘接在試驗機加載板上并采用等應(yīng)變加載試驗獲得，而劈拉強度則由邊長150mm的立方體試件通過標(biāo)準(zhǔn)的劈拉試驗獲得。就破壞過程和形態(tài)而言，與普通高強混凝土相似，僅發(fā)生一個截面的拉斷破壞，斷口比較平齊，一般相差5mm左右。通過考察試件的破壞面，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，少量粗骨料發(fā)生粘結(jié)破壞，與高強混凝土的受拉破壞特征相符。具體試驗結(jié)果如下表。

表2 受拉強度試驗結(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度相近的情況下，無論是碎石混凝土還是卵石混凝土，劈拉強度均高于軸心受拉強度，分別提高33%和18%。無論是軸心受拉還是劈拉，在相同試件尺寸、澆注方法、試驗方法的前提下，碎石混凝土的強度均高于卵石混凝土的強度，提高幅度分別為33%和18%，粗骨料、試驗方法是影響強度的主要因素。

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

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)系計算中的重要參數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得了彈性模量，同時，也間接量測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相同尺寸試件的全曲線試驗并結(jié)合本構(gòu)關(guān)系的參數(shù)識別獲得，兩種試驗方法得到的結(jié)果非常接近，表3列出了受壓強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結(jié)果

從表中不難看出，在試驗方法、試件尺寸等條件相同的前提下，僅骨料不同，試驗得到的抗壓強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%。進一步用混凝土規(guī)范的彈性模量公式計算，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）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結(jié)果。

圖2 相對壓應(yīng)力-割線泊松比曲線

圖3 相對壓應(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始的壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洠畲篌w積變形發(fā)生在0.9～0.95倍軸心受壓強度附近，比普通混凝土相應(yīng)值要高一些，具有高強度混凝土的特征。

3 試驗結(jié)果分析

試驗用混凝土是在傳統(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展度大幅提高，具有高性能混凝土特點。同時，由于混凝土強度等級較高，又具有高強混凝土的特征。

3.1 破壞形態(tài)

總體來看，摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土的破壞形態(tài)與相應(yīng)強度等級的高強度混凝土相同，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，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，我國現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范主要以其標(biāo)準(zhǔn)立方體受壓強度來劃分強度等級[5]，相應(yīng)地也就確定其他指標(biāo)，如：受拉強度、彈性模量等，未考慮骨料種類的影響。從前面的試驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，骨料顯著影響混凝土的抗拉強度和彈性模量，而對其抗壓強度的影響基本不明顯。

進一步分析后得知，卵石和碎石的表面特征不同，與混凝土的粘結(jié)強度也不同，相應(yīng)地也就影響了與粘結(jié)強度密切的混凝土的抗拉強度和彈性模量，若粘結(jié)強度越大，則混凝土的抗拉強度就越高，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度，盡管混凝土材料組成、試驗方法、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度。從表1的試驗結(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度要比采用水平澆注成型試件的相應(yīng)強度高23%，也要高于棱柱體試件強度。

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，對未凝結(jié)硬化混凝土，在試件成型及靜止養(yǎng)護過程中，混凝土中的固體顆粒物在重力作用下會發(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度低于垂直于該方向的強度，下部密實區(qū)的受壓強度高于上部區(qū)的強度，相應(yīng)地，垂直澆注試件的混凝土抗壓強度較水平澆注試件的強度更高。

3.4 試驗方法

混凝土受拉強度是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗裂計算的重要指標(biāo)，而軸心受拉強度的得到盡管有多種試驗方法，但其難易程度和結(jié)果相差較大。通過粘接連接的軸心受拉試驗獲得的受拉強度被認(rèn)為是最能反映混凝土軸心受拉強度的試驗，但其試驗難度也最大，而劈拉強度的試驗則較為簡便，但其結(jié)果反映的是混凝土的間接受拉強度。兩種試驗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

對摻礦粉和粉煤灰的高性能混凝土的力學(xué)性能進行了較為系統(tǒng)的試驗研究，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級設(shè)計要求，隨混凝土齡期增加，強度也增加，符合普通混凝土強度增長規(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的受壓強度要顯著低于垂直澆注成型試件的強度，而混凝土的劈拉強度則要高于軸心受拉強度。

（4）高性能混凝土的棱柱強度與立方強度的比值同相應(yīng)等級普通混凝土的值，對碎石混凝土而言，用混凝土規(guī)范方法預(yù)測的混凝土彈性模量、峰值應(yīng)變與試驗結(jié)果基本吻合，而對卵石混凝土則需進行修正。

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