超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土的力學(xué)性能研究

摘 要：本文在滿(mǎn)足水熱合成條件且成型模式下，制備具有高韌性、低密度、低成本等性能的超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土材料。其以高強(qiáng)度混凝土的制備原理為基礎(chǔ)采用具有高硬高強(qiáng)度的骨料，運(yùn)用活性硅質(zhì)材料能夠充分在硅酸鹽基結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中發(fā)揮的物理與化學(xué)效應(yīng)，還要注意減水劑的選擇，以保證超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土良好的工作性能。摻加不同體積率和長(zhǎng)徑比的鋼纖維，以增強(qiáng)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土強(qiáng)度與韌性，達(dá)到更好的阻裂效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土；試驗(yàn)；設(shè)備；減水劑；鋼纖維

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0223-02

引言

混凝土的高強(qiáng)度化，是通過(guò)摻加少量新型高效減水劑達(dá)到大幅度減水（低水、水灰比）和硅粉的應(yīng)用目的。由于硅粉本身就是一種超細(xì)微粒的混合材料，具有很強(qiáng)的火山灰反應(yīng)活性，硅粉的這種特性使混凝土的結(jié)構(gòu)組織細(xì)密化，能夠輕而易舉地使混凝土的強(qiáng)度達(dá)到50N/mm2以上。也因此超高強(qiáng)硅酸鹽混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，本文所研究的超高強(qiáng)硅酸鹽混凝土的制備方法基于常規(guī)原材料及成型工藝。本文中的試驗(yàn)試件是在壓力成型，水熱合成200℃蒸壓養(yǎng)護(hù)8h條件下制備，且在滿(mǎn)足易和性的前提下進(jìn)行的。

1 制備方法及材料特征

1.1 制備方法

在超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土的制備過(guò)程中，需要準(zhǔn)備膠砂攪拌機(jī)、水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)、快開(kāi)式回轉(zhuǎn)攪拌反應(yīng)釜、30t液壓式壓力機(jī)、10t萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、200t液壓式壓力機(jī)、體式錳微鏡、XRD衍射儀、掃描電鏡等工具。超高強(qiáng)硅酸鹽混凝土的制備流程如下：首先需要在混凝土中添加高強(qiáng)骨料；若使混凝土的結(jié)構(gòu)細(xì)密化，要使用細(xì)砂，這就需要從中剔除粗骨料；將適量的活性礦物質(zhì)（硅灰）摻入其中；在達(dá)到水熱合成的條件下并壓力成型后再摻入適量的鋼纖維。

1.2 原材料及其基本特征

1.2.1 砂

本試驗(yàn)中采用石英砂，其要求為細(xì)砂（最大粒徑600ηm，平均粒徑約為250ηm），其化學(xué)成分如表1所示。

1.2.2 水泥

本次試驗(yàn)中，所使用的水泥為——普通硅酸鹽水泥（P.O52.5）。其化學(xué)成分如表2所示。

1.2.3 硅灰

本試驗(yàn)采用的硅灰外觀為灰白色粉末，其耐火度大于1600℃，容重為200～250kg/m3。硅灰的細(xì)度要求為0.1～0.3μm（平均粒徑），比表面積為20～28m2/g。硅灰的細(xì)度和比表面積為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。硅灰的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

硅灰的顆粒形態(tài)與礦相結(jié)合后，形態(tài)為表面較為光滑的非結(jié)晶無(wú)定形圓球狀顆粒，還有些形態(tài)為多個(gè)圓球顆粒粘在一起的團(tuán)聚體。

1.2.4 石英粉

本試驗(yàn)所使用的石英粉是利用機(jī)械（球磨機(jī)）對(duì)其球磨加工2h而成，其平均粒度為40μm，SiO2含量為97.94%，采用相關(guān)儀器（透氣比表面積儀）測(cè)出比表面積為4066.7cm2/g，其化學(xué)成分如表4。

1.2.5 減水劑

本試驗(yàn)所選減水劑為聚羧酸系減水劑（摻量低、減水率可達(dá)30%），提高混凝土的和易性能，且無(wú)離析、泌水現(xiàn)象等特點(diǎn)。

1.2.6 鋼纖維

本試驗(yàn)采用的是平直鋼纖維（抗拉強(qiáng)度>2000MPa）；長(zhǎng)纖維直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm；短纖維直徑0.2mm，長(zhǎng)度6mm。

1.2.7 試驗(yàn)工藝流程圖（見(jiàn)圖1）

2 力學(xué)性能研究

通過(guò)對(duì)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土基本力學(xué)性能的研究，分析水灰比、硅質(zhì)材料摻量、砂灰比、鋼纖維種類(lèi)及摻量、減水劑摻量、鈣硅比等各材料配合比因素對(duì)其性能的影響，以達(dá)到超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土的最優(yōu)配合比[2]。

2.1 水灰比對(duì)混凝土基體的影響

一般來(lái)說(shuō)，影響混凝土強(qiáng)度的基本要素是水灰比，水灰比率越低，混凝土的材料性能就越高，我們將此關(guān)系稱(chēng)之為水灰比定則。本試驗(yàn)在滿(mǎn)足和易性的前提下，水熱合成200℃，蒸壓養(yǎng)護(hù)8h，振動(dòng)成型的條件下制備，分析水灰比率為0.20、0.21、0.22時(shí)，對(duì)超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響，配合比如表5。

以上試驗(yàn)顯示，骨料未形成剛性骨架，而形成了分散相，其原因在于減小了骨料的最大粒徑和所占比例?？梢?jiàn)，混凝土性能的關(guān)鍵因素在于基體的質(zhì)量。而水泥以及火山灰質(zhì)材料等多種膠凝材料組成了混凝土的基體，也就是說(shuō)水灰比對(duì)混凝土的基體的影響至關(guān)重要。水灰比的高低決定著基體中的孔隙率?？紫堵试降停炷恋拿軐?shí)度越高，同時(shí)強(qiáng)度也相應(yīng)增高。

2.2 砂灰比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

骨料與漿體之比稱(chēng)為砂灰比，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性密切相關(guān)。本試驗(yàn)使用最大粒徑不超過(guò)600ηm的砂料[3]。本試驗(yàn)分析砂灰比為0.5、0.8、1.1、1.4時(shí)，對(duì)超高強(qiáng)度混凝土性能的影響，配合比如表6。

上表顯示，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨砂灰比的變化而反方向變化。當(dāng)砂灰比在0.8時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度值最大。其原因如下：一般在超高強(qiáng)度混凝土中的水灰比較小。伴隨強(qiáng)度的提高，砂的粒徑、用量、品種、性能對(duì)混凝土的流動(dòng)性、強(qiáng)度和耐久性都有較大影響；本試驗(yàn)中，砂的彈性模量（70GPa）要比漿體的彈性模量（18～22MPa）高出很多，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的砂漿與骨料兩者在力學(xué)性能上的極大落差，最終造成硅酸鹽混凝土結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性較差；水泥石在粗集料界面上（即過(guò)度區(qū)）產(chǎn)生剪力和拉力作用力的原因歸結(jié)于“骨料較高的彈性模量能改善多種收縮的原理”。正是這種收縮原理造成水泥石在過(guò)度區(qū)域形成了混凝土的薄弱區(qū)，而所產(chǎn)生的剪力和拉力隨顆粒尺寸的增大而相應(yīng)增加。然而，當(dāng)剪力和拉力的同時(shí)作用力超過(guò)其粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象就會(huì)頻現(xiàn)?？梢?jiàn)，要想最終達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度的目標(biāo)，必將減小混凝土中漿體和骨料兩者在性能上的差別。而減小此種差別的關(guān)鍵在于：首先要減小混凝土中骨料的最大粒徑，然后再降低骨料在混凝土中所占的比例，同時(shí)漿體的力學(xué)性能也得到提高。

另外，事實(shí)證明，砂灰比在抗折強(qiáng)度方面的影響并不明顯，原因是由于混凝土屬于脆性材料，而脆性材料的抗折強(qiáng)度對(duì)缺陷的敏感度比較明顯，但抗折強(qiáng)度的基準(zhǔn)值仍然會(huì)處于一個(gè)范圍內(nèi)，本試驗(yàn)制備的試件抗折強(qiáng)度處于287～362MPa。

2.3 硅灰摻量的影響

因?yàn)樵跓狃B(yǎng)護(hù)下無(wú)定形水化產(chǎn)物會(huì)全部轉(zhuǎn)化為鈣硅摩爾比為5/6的C-S-H凝膠，所以在試驗(yàn)中，氧化硅與水泥之比定為0.62。本試驗(yàn)硅灰摻量分別為0、0.2、0.25、0.3、0.35時(shí)對(duì)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土力學(xué)性能的影響。

2.4 減水劑摻量的影響

本試驗(yàn)分析減水劑摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%時(shí)，對(duì)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土力學(xué)性能的影響。

2.5 不同水泥對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)分析自制水泥對(duì)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土力學(xué)性能的影響，如表7所示。

上表顯示：試件的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度受砂含量的變化影響極?。涣硗?，如果用自制水泥替代普通硅酸鹽水泥制備的試件，即使摻加3%的鋼纖維，其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度（240MPa左右）幾乎得不到明顯提高。而在同工藝同養(yǎng)護(hù)條件下，用普通硅酸鹽水泥制備的試件，只摻加2%的鋼纖維，抗壓強(qiáng)度就可明顯提高到282MPa。

2.6 添加不同摻量I型高強(qiáng)骨料的力學(xué)影響

本試驗(yàn)分析加入不同摻量的I型高強(qiáng)骨料，對(duì)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表8）。

2.7 添加不同摻量II型高強(qiáng)骨料的力學(xué)影響

本試驗(yàn)分析添加不同摻量的II型高強(qiáng)骨料，對(duì)超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表9）。

上表顯示，在超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土中加入II型高強(qiáng)骨料，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨摻量的增加而呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，摻50%和100%II型高強(qiáng)骨料顆粒的試件與全摻石英砂的試件相比，抗壓強(qiáng)度分別下降8%和14%[4]。其原因主要有兩方面：一方面II型高強(qiáng)骨科顆粒形態(tài)不規(guī)則，且棱角比較明顯，當(dāng)受到壓力時(shí)容易引起應(yīng)力集中，而形態(tài)近擬圓形的石英砂卻與基體有較好的結(jié)合性能；其次是II型高強(qiáng)骨料的彈性模量高于石英砂的彈性模量，與基體的彈性模量型高強(qiáng)骨料形成整體勻質(zhì)性。

本文基于超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土力學(xué)性能的研究，得出了各種強(qiáng)度指標(biāo)、變形模量與混凝土抗壓強(qiáng)度的力學(xué)性能關(guān)系，才更加深入地了解和認(rèn)識(shí)超高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。同時(shí)，也為超高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，使其朝著強(qiáng)韌化、輕量化、多功能化和高效化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2] 西林新藏.日本的超高強(qiáng)混凝土與綠色混凝土[A].第三屆兩岸四地高性能混凝土國(guó)際研討會(huì)論文集[C].

[3] 蔡葦.聚羧酸高性能減水劑的制備及性能研究[D].中北大學(xué)，2013.

[4] 張必昕.超高強(qiáng)度硅酸鹽混凝土的力學(xué)性能和抗彈性能研究[D].南京理工大學(xué)，2013.