高性能混凝土配合比及力學(xué)性能研究*

劉源 李大來

福州理工學(xué)院 福建 福州 350506

引言

高性能混凝土為二十世紀(jì)九十年代歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出，以混凝土抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性為主要特征的新型混凝土設(shè)計(jì)理念[1]。高性能混凝土相較于普通混凝土在耐久性、工作性、適用性、體積穩(wěn)定性、強(qiáng)度等均有所改善，因此在各種建筑工程中廣泛使用。

普通混凝土主要以抗壓強(qiáng)度和坍落度為設(shè)計(jì)依據(jù)，而高性能混凝土以耐久性為設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能與和易性[2]。混凝土耐久性主要受內(nèi)部孔隙影響，多項(xiàng)研究表明，混凝土內(nèi)部貫通的大孔隙會(huì)降低混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性等?？赏ㄟ^調(diào)整配比、添加外摻劑等方法改善混凝土內(nèi)部孔隙分布情況。粉煤灰、礦渣等外摻劑在混凝土硬化過程中，可以作為膠凝材料降低水膠比，使得膠凝材料占比例增大，硬化后大孔隙數(shù)量減少，混凝土耐久性增強(qiáng)。粉煤灰、礦渣也可替代水泥降低水化熱，改善混凝土體積穩(wěn)定性。同時(shí)，多項(xiàng)研究表明，鋼纖維的摻入，可以使混凝土的力學(xué)性能得到有效提高。因此高性能混凝土常用粉煤灰、礦渣、鋼纖維等外摻劑提高耐久性、力學(xué)性能與及和易性

本文分別對(duì)普通混凝土（C）、摻鋼纖維混凝土（CF）、礦渣混凝土（SC）、摻鋼纖維礦渣混凝土（SCF）進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)，劈裂抗拉試驗(yàn)，對(duì)不同配比下的礦渣混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水泥：

1.1.2 礦渣粉：

S95級(jí)礦渣粉，比表面積400m2/kg。

1.1.3 粗骨料：粒徑5～16mm的碎石顆粒。

1.1.4 細(xì)骨料：河沙。

1.1.5 減水劑：高效聚羧酸減水劑，最大減水率可達(dá)40%。高效減水劑的摻用量通常為水泥質(zhì)量的0.5%～1.5%。本試驗(yàn)采用1%的摻用量，即每立方米減水劑用量為4.28 kg。

1.1.6 鋼纖維：貝卡爾特端彎型鋼纖維，纖維類型為端彎型，抗拉強(qiáng)度1345Mpa，彈性模量220GPa，長(zhǎng)度 35mm。

最終確定各材料用量，水灰比為0.38，配比如表1。

表1 混凝土試驗(yàn)配比表（kg/m3）

試驗(yàn)按照配比不同分為四組，編號(hào)為C、CF、SC、SCF，依次對(duì)應(yīng)普通混凝土、摻鋼纖維混凝土、礦渣混凝土、摻鋼纖維礦渣混凝土。試件拆模后放置養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，分別到達(dá)7d、28d、60d、90d齡期時(shí)進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[3]》（GB/T5008-2011），試件尺寸為100mm×100mm×100mm。試件在養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)相應(yīng)齡期后進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)。取試件成型時(shí)的側(cè)面為上下受壓面，加載速度以0.5MPa/s連續(xù)均勻加載直至試件破壞。

綜上所述，關(guān)節(jié)鏡半月板成形術(shù)可有效減輕盤狀半月板損傷患者各相關(guān)癥狀，同時(shí)促進(jìn)膝關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)，且術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較低，臨床應(yīng)用價(jià)值顯著。

劈裂抗拉試驗(yàn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T5008-2011），試件尺寸為100mm×100mm×100mm。試件在養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)相應(yīng)齡期后進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)。試件劈裂承壓面和劈裂面應(yīng)與試件成型頂面垂直，加載速度以0.05～0.08Mpa連續(xù)均勻加載直至試件破壞。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 立方體抗壓試驗(yàn)

不同齡期下混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示，由圖可知：

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）

2.1.1 材料的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF養(yǎng)護(hù)齡期為7d時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：CF＞C＞SCF＞SC。養(yǎng)護(hù)齡期28d、60d、90d時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：CF＞C＞SCF＞SC。

7d時(shí)，礦渣混凝土SC與摻鋼纖維礦渣混凝土SCF立方體抗壓強(qiáng)度略小于普通混凝土C，這是由于早期礦渣并不產(chǎn)生活性效應(yīng)，此時(shí)混凝土粗細(xì)骨料間由其余膠凝材料提供強(qiáng)度，因此在混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)過程中，礦渣含量越高，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度越低。

養(yǎng)護(hù)齡期28d、60d、90d時(shí)，礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF立方體抗壓強(qiáng)度逐漸大于普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF。90d時(shí)，SC立方體抗壓強(qiáng)度比C增大了21.53%，SCF立方體抗壓強(qiáng)度比C增大了22.36%。這是由于在混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)過程中，礦渣產(chǎn)生化學(xué)活性，水泥水化生成的氫氧化鈣與礦渣中的活性氧化硅和活性氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化膠凝產(chǎn)物，提高混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，礦渣內(nèi)部多為微粉顆粒，這些微小顆粒均勻分布在膠凝材料中，填充混凝土內(nèi)部孔隙和裂縫，改善混凝土的孔隙分布，提高混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。并且，礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF由于硅酸鹽水泥熟料中混有礦渣摻和物，礦渣的存在降低了水泥水化過程中的水化熱，使得混凝土在強(qiáng)度增長(zhǎng)的過程中減少不均勻受熱，減少局部應(yīng)力和裂縫的產(chǎn)生，水泥水化更均勻充分，由此提高混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于SCF，鋼纖維的存在使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生橋連接作用，孔隙與孔隙間由鋼纖維填充，從而SCF立方體抗壓強(qiáng)度大于SC。

2.1.2 齡期的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF其立方體抗壓強(qiáng)度隨混凝土齡期增長(zhǎng)逐漸上升。

四類混凝土材料立方體抗壓強(qiáng)度在7d、28d、60d、90d逐漸增大，同時(shí)增長(zhǎng)率都是呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)率在60d達(dá)到最大。該變化規(guī)律是由于混凝土內(nèi)部硅酸鹽水泥熟料不斷水化，混凝土強(qiáng)度逐漸提高。SC、SCF，由于其硅酸鹽水泥熟料中混有礦渣摻和物，礦渣的存在使得早期立方體抗壓強(qiáng)度小，后期立方體抗壓強(qiáng)度較大,因此7d、28d，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率大于C、CF。并且，礦渣的存在使得SC、SCF立方體抗壓強(qiáng)度能夠繼續(xù)發(fā)展，因此60d、90d，SC、SCF抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率仍大于C、CF。

2.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示，由圖可知，混凝土立方體劈裂抗拉性能影響分析如下。

圖2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）

2.2.1 材料的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF，劈裂抗拉強(qiáng)度，在養(yǎng)護(hù)齡期為7d、28d、90d時(shí)大小關(guān)系為SCF＞CF＞SC＞C。在養(yǎng)護(hù)齡期為60d時(shí)大小關(guān)系為SCF＞CF＞C＞SC。

在所有養(yǎng)護(hù)齡期下，普通混凝土C與礦渣混凝土SC劈裂抗拉強(qiáng)度相近，摻鋼纖維混凝土CF與摻鋼纖維礦渣混凝土SCF劈裂抗拉強(qiáng)度相近。同時(shí)CF、SCF劈裂抗拉強(qiáng)度大于C、SC。試驗(yàn)表明：在承受荷載時(shí)，混凝土內(nèi)部裂縫的生成與擴(kuò)展被鋼纖維有效地阻止，因此劈裂抗拉強(qiáng)度提高。

2.2.2 齡期的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF其劈裂抗拉強(qiáng)度隨混凝土齡期增長(zhǎng)逐漸上升。強(qiáng)度上升原因?yàn)榛炷羶?nèi)部硅酸鹽水泥熟料不斷水化，混凝土強(qiáng)度逐漸提高。

3 結(jié)束語

通過對(duì)四類混凝土進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究不同配比、不同材料、摻和物礦渣對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

C、CF、SC、SCF，立方體抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。在7d時(shí)，含有礦渣的混凝土，其立方體抗壓強(qiáng)度低于未含有礦渣的混凝土。在7d以后，含有礦渣的混凝土，其立方體抗壓強(qiáng)度高于未含有礦渣的混凝土。在60d后，未含有礦渣的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度速率趨于穩(wěn)定，含有礦渣的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展。礦渣在7d前水化反應(yīng)緩慢，7d后開始活躍。

C、CF、SC、SCF，劈裂抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。在所有養(yǎng)護(hù)時(shí)間段內(nèi)，含有鋼纖維的混凝土，其劈裂抗拉強(qiáng)度高于未含有鋼纖維的混凝土。鋼纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果明顯。

礦渣、鋼纖維均可作為提高高性能混凝土力學(xué)性能的外加摻和物。礦渣在混凝土水化后期提高立方體抗壓強(qiáng)度作用明顯，鋼纖維提高劈裂抗拉強(qiáng)度作用明顯。