摻合料、鋼纖維及試件尺寸對(duì)水泥基材料強(qiáng)度影響

張宇，金祖權(quán)，吳運(yùn)超

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

摻合料、鋼纖維及試件尺寸對(duì)水泥基材料強(qiáng)度影響

張宇，金祖權(quán)，吳運(yùn)超

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

研究礦物摻合料、鋼纖維及試件尺寸對(duì)水泥基材料抗壓與抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律．試驗(yàn)結(jié)果表明：礦物摻合料提高水泥基材料28 d抗折強(qiáng)度，但降低其早期抗壓強(qiáng)度；摻粉煤灰或硅粉對(duì)水泥基材料抗壓強(qiáng)度影響較??；摻2%鋼纖維水泥基材料抗壓強(qiáng)度提高30～50MPa，抗折強(qiáng)度增加1倍以上，28 d抗壓強(qiáng)度接近100MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到22～32MPa．將試件尺寸由40mm×40mm×160mm提高到100mm×100mm×100mm，其抗壓強(qiáng)度大幅度降低．

水泥基材料；強(qiáng)度；礦物摻合料；鋼纖維；尺寸效應(yīng)

0 引言

高強(qiáng)水泥基材料因其強(qiáng)度高、耐久性好，可用于海工結(jié)構(gòu)滿足其高耐久性的要求[1]．目前,抗壓強(qiáng)度達(dá)100～150MPa的高強(qiáng)水泥基材料已有廣泛報(bào)道[3-5]．水泥摻量大、收縮大、易開(kāi)裂等因素限制其在工程中的應(yīng)用．考慮到礦物摻合料可以降低混凝土的水化熱，減小材料收縮，纖維可有效提高材料的韌性[2-7]．本文系統(tǒng)研究水泥基材料中摻加不同類型、不同摻量的粉煤灰、礦粉和硅粉，以及微細(xì)鋼纖維對(duì)其力學(xué)性能的影響，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)水泥基材料的優(yōu)化．與此同時(shí)，本文也研究了不同尺寸水泥基試件的抗壓強(qiáng)度，以期獲得尺寸效應(yīng)的定量影響規(guī)律．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥為山水東岳P O 42.5水泥；成都明凌硅粉，SiO2含量85%，比表面積15 000～20 000m2/kg；魯青I級(jí)粉煤灰；S95礦粉；青島大沽河中砂，過(guò)5mm篩，并用自來(lái)水淘洗至容器內(nèi)的水目測(cè)清澈為止，然后放入盤(pán)中置于烘箱（50±1℃）烘干；蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的潤(rùn)強(qiáng)絲鋼纖維0.2×13mm、PCA-1聚羧酸高效減水劑，減水率為45%；水為自來(lái)水．

高強(qiáng)水泥基材料的W/B為0.2，考慮粉煤灰、礦粉等量取代水泥20%，硅粉取代水泥為20%～30%，以及粉煤灰、礦粉、硅粉復(fù)摻取代水泥40%．并針對(duì)上述水泥基材料摻2%的鋼纖維，高強(qiáng)水泥基材料配合比如表1所示．

表1 高強(qiáng)水泥基材料配合比Tab.1 Mix high-strength cement-basedmaterials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

成型40mm×40mm×160mm砂漿試件，試件成型后用不透水薄膜覆蓋，在實(shí)驗(yàn)室（20±5℃）靜置24h后拆模，隨后將試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（20±1℃且濕度95%）養(yǎng)護(hù)至28 d，測(cè)其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度．成型100mm×100mm×100mm立方體試件，在實(shí)驗(yàn)室（20±5℃）靜置24 h后拆模，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻合料對(duì)水泥基材料的強(qiáng)度影響

針對(duì)水泥基材料中摻20%的粉煤灰、礦粉、硅粉，100mm×100mm×100mm立方體試件，測(cè)試不同齡期的抗壓強(qiáng)度，40mm×40mm×160mm試件測(cè)試其28d抗折強(qiáng)度，結(jié)果如圖1，圖2所示．

由圖1a）可知，水泥基材料中摻20%的粉煤灰、礦粉、硅粉，相比基準(zhǔn)水泥基材料，3 d抗壓強(qiáng)度降低2.2%、27.9%和42.4%．7 d時(shí)，摻粉煤灰、礦粉、硅粉的水泥基材料相比基準(zhǔn)降低4.8%、32.3%和34.6%．但當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至28 d，水泥基材料中摻20%粉煤灰，28 d抗壓強(qiáng)度相比基準(zhǔn)水泥基材料增加4.5%，摻硅粉水泥基材料的抗壓強(qiáng)度相比基準(zhǔn)水泥基材料增加10.1%，水泥基材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到60～70MPa．由圖2可知：水泥基材料中摻20%粉煤灰、礦粉或硅粉，28 d抗折強(qiáng)度相比基準(zhǔn)水泥基材料增加38.1%、27.1%和44.2%，達(dá)到12～14MPa．

圖1 水泥基材料抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strengthof cementbasematerial

2.2 復(fù)摻對(duì)水泥基材料強(qiáng)度的影響

針對(duì)水泥基材料中水泥取代率30%和40%時(shí)，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示．由圖3a）可知，相比基準(zhǔn)，取代率30%的水泥基材料養(yǎng)護(hù)3 d的抗壓強(qiáng)度降低42.2%，取代率40%的同比降低39.8%．當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至7 d，取代率30%的抗壓強(qiáng)度降低1.5%，復(fù)摻同比降低8.4%．但當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至28 d，水泥取代率30%的相比基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度增加9.2%，水泥取代率40%同比降低11.1%．由圖2b）知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，水泥取代率30%和40%的抗折強(qiáng)度相比基準(zhǔn)材料增加61.9%和29.8%，抗折強(qiáng)度達(dá)到12～15MPa．

圖2 水泥基材料抗折強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength cement-basedmaterials

圖3 大摻量條件下強(qiáng)度的演變Fig.3 Strength under the condition of large dosageof evolution

2.3 鋼纖維對(duì)水泥基材料的影響

針對(duì)不同摻合料水泥基材料，摻2%的鋼纖維，測(cè)試不同齡期的抗壓強(qiáng)度，以及28 d抗折強(qiáng)度，結(jié)果如圖4和圖5所示．

由圖4可知，相比素水泥基材料，摻2%鋼纖維的粉煤灰系列3 d、7 d、28d的抗壓強(qiáng)度分別增加34.2%、53.2%和47.9%，礦粉系列分別增加34.2%、94.5%和130%，硅粉系列分別增加27.9%、67.4%和25.1%，復(fù)摻系列增加18.5%、7.8%和32.8%，摻鋼纖維水泥基材料28d抗壓強(qiáng)度接近100MPa．由圖5可知：水泥基材料中摻2%鋼纖維，粉煤灰系列28d抗折強(qiáng)度相比未摻鋼纖維增加76%，礦粉系列增加127.8%，20%硅粉系列增加137.9%，復(fù)摻系列增加119.1%，抗折強(qiáng)度最高能達(dá)到30MPa．鋼纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)增韌效果顯著．

圖4 摻加鋼纖維水泥基材料抗壓強(qiáng)度Fig.4 Adding steel fiber cementbasematerial compressive strength

2.4 尺寸效應(yīng)對(duì)水泥基材料強(qiáng)度影響

養(yǎng)護(hù)28 d的40mm×40mm×160mm和100mm×100mm×100mm高強(qiáng)水泥基材料的抗壓強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)果如圖6、圖7所示．

圖6 不摻加鋼纖維水泥基材料強(qiáng)度對(duì)比Fig.6 Notadding steel fibercementbasematerialstrength contrast

圖7 摻加鋼纖維水泥基材料強(qiáng)度對(duì)比Fig.7 Addingsteel fibercementbasematerial strength contrast

由圖6、圖7分析知：無(wú)論水泥基材料是否摻鋼纖維，小尺寸試件的28 d強(qiáng)度均高于大尺寸試件的強(qiáng)度．100mm×100mm×100mm的粉煤灰、礦粉、20%硅粉、30%硅粉、復(fù)摻系列的素水泥基材料相比小尺寸試件分別降低11.3%、55.8%、12.1%、50.5%和27.1%．摻鋼纖維時(shí)，粉煤灰、礦粉、20%硅粉、30%硅粉、復(fù)摻系列的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的強(qiáng)度相比小尺寸試件分別降低3.7%、31.6%、47.2%、52.5%、44.4%．

3 結(jié)論

1）以P O42.5水泥制備水泥基材料，其早期強(qiáng)度僅能達(dá)到25～40MPa，28 d強(qiáng)度能達(dá)到60～70MPa，抗折強(qiáng)度能達(dá)到12～15MPa，不適合制備超高強(qiáng)水泥基材料．

2）水泥基材料中摻20%粉煤灰或硅粉，其早期強(qiáng)度降低，28 d抗壓強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)；28 d抗折強(qiáng)度提高38%～44%．水泥取代率20%和40%時(shí)，降低了水泥基材料的早期和28 d抗壓強(qiáng)度，但抗折強(qiáng)度提高27～30%．

3）水泥基材料中摻2%鋼纖維，其增強(qiáng)增韌效果明顯．抗壓強(qiáng)度最大可增加54 MPa左右，抗折強(qiáng)最大可增加14MPa左右．

4）尺寸效應(yīng)對(duì)水泥基材料的宏觀力學(xué)性能影響十分明顯，將試件尺寸由40mm×40mm×160mm提高到100mm×100mm×100mm，其強(qiáng)度測(cè)試值最高下降56%，且小尺寸試件的抗壓強(qiáng)度離散性大．

[1]M etha PK，M onteiro M P J．Conceretem icrostructure properties andmaterials[M]．Third Edition．New York：M eGraw Hill，2005：2-13．

[2]高慧婷，孫莉安，榮華，等．硅灰鋼纖維對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（2）：2-4．

[3]劉建忠，孫偉，繆昌文，等．大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的試驗(yàn)研究[J]．新型建筑材料，2008，35（10月增刊）：150-155．

[4]張秀芝，孫偉，張倩倩，等．混雜鋼纖維增強(qiáng)超高性能水泥基材料力學(xué)性能分析[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，38（1）：3-5．

[5]Langan BW，Kweng，Ward M A．Effectof silica fume and fly ash on heatof hydration of Portland cement[J]．Cementand ConcreteResearch，2002，32：1045-1051．

[6]杜修力，田予東，竇國(guó)欽．纖維超高強(qiáng)混凝土的制備及力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]．混凝土與水泥制品，2011（2）：2-9．

[7]蘇俊，陶俊林，李棠．粉煤灰鋼纖維超高強(qiáng)混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究[J]．長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，8（2）：4-6．

[責(zé)任編輯 田豐]

Influenceofmineraladmixtures,steelfiberand specimen sizeeffect on strength of cement-basedmaterials

ZHANG Yu，JIN Zu-quan，WU Yun-chao

(Schoolof Civil Engineering,Qingdao Technological University,Shangdong Qingdao 266033,China)

Mineral adm ixtures,steel fiber and specimen size on compressive and flexuralstrength of thematerialwere studied.The result shows that28 d flexural strength of cement-basedmaterialswithmineral adm ixturewere improved butearly compressive strength reduced；and the contentof fly ashor silica fume shows little influenceon it.M ixedwith 2%steel fibers,the com pressive strength of cement-basedmaterialsw ere improved by 30～50MPa,flexural strength more than doubled,28 d compressive strength of cement-basedmaterials closed to 100 MPa,flexural strength w ere increased to 22～32MPa.The specimen size of 40mm×40mm×160mm increased to100mm×100mm×100mm,a significant reduction on compressivestrength values.

cementbasematerial;strength;m ineraladm ixtures;steel fiber;size effect

TU 528.58

A

1007-2373(2014)06-0105-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.027

2014-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（51178230，51378269）；青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目（13-1-4-176-jch，13-1-4-115-jch）

張宇（1989-），男（漢族），碩士．通訊作者：金祖權(quán)（1977-），男（漢族），博士，教授，Email：jinzuquan@126.com．

數(shù)字出版日期：2014-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141217.0855.005.htm l