膨脹劑對早齡期鋼纖維混凝土動態(tài)壓縮性能影響試驗分析

黃 偉，徐桂麗

(1.淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑工程系， 安徽 淮南 232038;2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心， 安徽 淮南 232001;3.淮南市路橋開發(fā)有限公司， 安徽 淮南 232001)

膨脹劑對早齡期鋼纖維混凝土動態(tài)壓縮性能影響試驗分析

黃 偉1,2，徐桂麗3

(1.淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑工程系， 安徽 淮南 232038;2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心， 安徽 淮南 232001;3.淮南市路橋開發(fā)有限公司， 安徽 淮南 232001)

采用SEM和XRD微觀試驗方法研究HCSA膨脹劑成份， 利用分離式SHPB試驗技術(shù), 對不同膨脹劑摻量下3 d和7 d齡期鋼纖維混凝土進行動態(tài)單軸壓縮性能試驗。膨脹劑摻量為8%時， 補償收縮鋼纖維混凝土峰值動態(tài)抗壓強度最高； 3 d齡期混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的分段性, 主要分為彈性壓縮階段、彈塑性壓縮階段和塑性破壞階段；7 d齡期混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力凸顯; 隨著沖擊氣壓的增大, 試件破壞的離散性增強, 但摻入鋼纖維后, 利用其空間約束效應(yīng), 使得混凝土破碎塊度的尺寸較大。

HCSA膨脹劑；SHPB；鋼纖維混凝土；壓縮性能

補償收縮混凝土是在普通素混凝土中添加一定摻量的外加劑(膨脹劑)配制而成,水化反應(yīng)產(chǎn)物有鈣礬石和氫氧化鈣,造成混凝土產(chǎn)生體積微膨脹。根據(jù)混凝土膨脹應(yīng)力情況,膨脹混凝土分劃分補償收縮混凝土和自應(yīng)力混凝土,補償收縮混凝土指的是自應(yīng)力大小為0.2 MPa～1.0 MPa的混凝土[1],該類混凝土具有補償混凝土干縮和密實作用。鋼纖維可以改善混凝土的韌性,控制混凝土初始裂縫發(fā)展,增強混凝土的沖擊性能。目前煤礦巷道支護混凝土由于施工掘進經(jīng)常收到爆破荷載沖擊作用,尤其是施工班組連續(xù)作業(yè),要求支護材料具有早齡期抵抗沖擊的能力,另外為了改善巷道的工作條件,要求支護混凝土能夠具有防滲效果,上述兩種材料組合具有明顯的復(fù)合疊加效應(yīng),膨脹劑與水泥水化產(chǎn)物可以減輕混凝土自收縮,提高混凝土密實度,同時利用鋼纖維的空間分布效應(yīng),限制了膨脹劑水化產(chǎn)物產(chǎn)生的過度膨脹和混凝土干縮,這種疊加效應(yīng),可以顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊環(huán)境下的使用壽命。

對于膨脹劑和鋼纖維對混凝土性能研究較多[2-4],大部分通過混凝土靜態(tài)力學(xué)性能試驗來分析其優(yōu)缺點。對于兩種材料組合的動態(tài)性能研究甚少,隨著SHPB試驗技術(shù)成熟應(yīng)用,國內(nèi)外利用SHPB技術(shù)各種材料如水泥砂漿[5]、混凝土[6-7]和鋼纖維混凝土[8-10]等動態(tài)性能廣泛開展研究,積累了大量的試驗數(shù)據(jù),有利于水泥制品類材料在抗沖擊、抗爆炸等工程中的應(yīng)用。結(jié)合礦井井巷施工特點和支護材料要求,提出補償收縮鋼纖維混凝土支護結(jié)構(gòu)材料,開展材料的早齡期動態(tài)力學(xué)性能,有助于推廣該類復(fù)合材料在沖擊環(huán)境下的應(yīng)用程度。

1 膠凝材料微觀試驗及補償收縮機理

1.1 試驗方法和試驗儀器

材料的組成及其結(jié)構(gòu)特征對混凝土材料的宏觀性質(zhì)影響較大,通過微觀試驗手段對P.O42.5水泥和HCSA膨脹劑進行測試,可以清楚分析水泥和膨脹劑微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)和礦物成份。

為了分析兩種材料的顆粒大小、晶體行貌及其微觀結(jié)構(gòu)特征,采用S-3000N掃描電子顯微鏡和XD-3射線衍射儀對兩種材料進行微觀實驗。SEM試樣的制作,首先將把試樣放置在儀器盤中，然后放置在干燥的真空環(huán)境中鍍一層銀膜,最后把試樣放入S-3000N掃描儀器中進行試驗;XRD試驗試樣制作:先把粉末樣品放入干凈的樣品板淺槽中,壓實后放入XD-3試驗機中進行XRD試驗。

1.2 微觀試驗結(jié)果分析

微觀試驗結(jié)果見圖1和圖2。從圖1放大3 000倍的SEM照片可以看出,普通硅酸鹽水泥微觀顆粒大小比較均勻,近體形貌比較單一,顆粒粒徑基本在2 μm～5 μm。HCSA膨脹劑從SEM照片看顆粒大小、礦物晶體與水泥差不多。

圖2為XRD試驗結(jié)果,普通硅酸鹽水泥中硅酸三鈣和硅酸二鈣的衍射峰較強,石膏的衍射峰值較弱,表明硅酸鹽水泥中硅酸三鈣和硅酸二鈣結(jié)晶物相對較多,石膏結(jié)晶物較少,與硅酸鹽水泥水化反應(yīng)的一般特征基本一致[11]。HCSA膨脹劑中氧化鈣結(jié)晶物質(zhì)衍射峰值較強,結(jié)晶物質(zhì)較多,說明該物質(zhì)屬于氧化鈣類膨脹劑。

1.3 補償機理分析

HCSA膨脹劑水化反應(yīng)方程式如下:

(1)

圖1 水泥與膨脹劑SEM試驗結(jié)果

普通硅酸鹽水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物有水化鋁酸鈣,水化鋁酸鈣與石膏可進一步發(fā)生反應(yīng),生成水化硫鋁酸鈣,具體如化學(xué)反應(yīng)方程式:

3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O=

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

(2)

根據(jù)上述兩種材料的水化過程可以看出,兩種材料具有相同水化產(chǎn)物,膨脹劑水化產(chǎn)物可以促進混凝土膠凝材料的發(fā)展速度,兩者具有較好的適宜性。

從上面分析可知，早期濕養(yǎng)環(huán)境下,膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定微膨脹，從而抵消混凝土早期干縮，達到控制混凝土早期裂縫和增強內(nèi)部密實性能的作用。

圖2 水泥與膨脹劑XRD試驗結(jié)果

2 補償收縮鋼纖維混凝土SHPB試驗

2.1 試驗原理及裝置

霍普金森壓桿實驗技術(shù)的雛型是由Hopkinson提出,當初僅用于測量沖擊荷載下的壓力脈沖波形。1949年,Kolsky建立分離式霍普金森壓桿(SHPB)[12],將試件放入兩根桿中間，來測量試件應(yīng)力應(yīng)變曲線。經(jīng)過后期專家和學(xué)者的研究,目前已經(jīng)形成比較完整的SHPB試驗技術(shù),由于該類方法操作簡便、測量精巧,使得許多學(xué)者深入討論和廣泛應(yīng)用。試驗利用安徽理工大學(xué)入射桿直徑為74mm的SHPB實驗裝置開展。

2.2 試樣制作與方案設(shè)計

根據(jù)補償收縮混凝土規(guī)程和鋼纖維混凝土規(guī)范要求設(shè)計補償收縮混凝土配合比。鋼纖維采用壓痕型波紋型,規(guī)格為0.3 mm×1.0 mm×35 mm,長徑比48.5 mm,抗拉強度≥600 MPa,鋼纖維體積摻量為1.0%，通過改變膨脹劑摻量進行混凝土設(shè)計配合比分組,具體見表1?；炷猎嚇硬捎梅菢藴蕦Ｓ迷嚹仓B(yǎng)護打磨而成。

表1 配合比一覽表

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 試件應(yīng)力應(yīng)變曲線對比

利用二波法[13]處理試驗數(shù)據(jù),圖3為四種方案SHPB試驗結(jié)果,考慮混凝土試件的離散型較大,本文取應(yīng)變率基本接近的單組數(shù)據(jù)進行對比分析。

從圖3中可以看出補償收縮混凝土3 d和7 d齡期單軸沖擊壓縮性能試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線的整體變化趨勢基本一致。3 d齡期混凝土試件應(yīng)力與變形之間呈現(xiàn)三段式關(guān)系,第一段為彈性階段,應(yīng)力隨變形呈現(xiàn)線性變化;第二段為彈塑性變形階段,應(yīng)力基本沒有增長,應(yīng)變持續(xù)增大,也反映了3 d齡期混凝土的早期剛度小,變形大的特點;第三段為塑性破壞階段,這是鋼纖維混凝土顯著特征,應(yīng)力逐漸減小,應(yīng)變保持一定范圍,變化幅度比較小,顯示鋼纖維對混凝土的增韌能力。7 d齡期混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定的峰值凸顯,由于試件剛度增大所致。

不摻膨脹劑時,3 d和7 d齡期混凝土典型試件的動態(tài)抗壓強度表現(xiàn)最好,分別達到36.45 MPa和56.22 MPa,相對普通混凝土而言,膨脹劑對混凝土動態(tài)抗壓強度沒有增強作用。

但對補償收縮鋼纖維混凝土,在應(yīng)變率基本相同的情況下,3 d齡期BGC-1、BGC-2和BGC-3混凝土典型試件對應(yīng)混凝土動態(tài)抗壓強度峰值分別為29.43 MPa、32.05 MPa和28.63 MPa;7 d齡期BGC-1、BGC-2和BGC-3混凝土典型試件對應(yīng)混凝土動態(tài)抗壓強度峰值分別為54.18 MPa、55.81 MPa和51.79 MPa。從結(jié)果分布來看,膨脹劑摻量對鋼纖維混凝土動態(tài)抗壓強度有一定影響,幅度不明顯,從數(shù)據(jù)定量分析上看,鋼纖維摻量為1%、膨脹劑摻量為8%時,補償收縮鋼纖維混凝土動態(tài)抗壓強度效果達到最佳。

2.3.2 試件破壞特征

圖4為典型試件3 d和7 d齡期時,在三種氣壓加載作用下的沖壓壓縮破壞特征,從圖4中可以看出,隨著沖擊氣壓的增大,試件的離散型明顯增強,齡期對混凝土破壞特征影響較大,沖擊氣壓在0.4 MPa時,3 d齡期典型試件破壞比較嚴重,整個試件截面全面開裂,而7 d齡期典型試件基本沒有破碎,只有少量碎片；氣壓在0.8 MPa時,3 d齡期典型試件,基本完全破碎,破碎塊體比較均勻且比較小,鋼纖維與混凝土之間大部分完全分離,7 d齡期典型試件,試件破碎程度也顯著增大,破碎塊體大小不均勻,有部分混凝土試塊尺寸較大,表明水泥膠凝材料與鋼纖維之間具有一定的粘結(jié)力造成的。

圖3 補償收縮鋼纖維混凝土試件SHPB應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 典型試件破壞圖

3 結(jié) 論

(1) 通過微觀試驗可以了解水泥和膨脹劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物成份,分析兩種材料的水化反應(yīng),得出普通硅酸鹽水泥和膨脹劑水化產(chǎn)物一致,兩者之間具有較好的適宜性。

(2) 利用SHPB實驗技術(shù),分析3 d和7 d齡期補償收縮鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度及其應(yīng)力與應(yīng)變變化趨勢,得出膨脹劑摻量對動態(tài)抗壓強度產(chǎn)生一定影響,不摻膨脹劑時,鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度最高,表明膨脹劑對早齡期鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度有一定的減弱作用;對于補償收縮鋼纖維混凝土而言,膨脹劑摻量在8%、鋼纖維摻量1%時,混凝土動態(tài)抗壓強度峰值表現(xiàn)最高,與靜態(tài)補償收縮混凝土抗壓強度表征一致。

(3) 根據(jù)沖擊試驗試件破壞特征可以看出,補償收縮鋼纖維混凝土的整體性強,沖擊氣壓較低時,混凝土結(jié)構(gòu)基本沒有破碎,隨著沖擊氣壓增大,試件離散性加大,但是破碎塊度由于鋼纖維的連接作用,試塊尺寸較大。

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Experimental Study on the Dynamic Compression Performance of Steel Fiber Reinforced Concrete at Eearly-age Influenced by Different Dosage of Expansive Agent

HUANG Wei1,2, XU Guili3

(1.DepartmentofCivilEngineering,HuainanUnionUniversity,Huainan,Anhui232038,China;2.TheMineUndergroundEngineeringResearchCenteroftheMinistryofEducation,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China; 3.HuainanRoadandBridgeDevelopmentCo.,Ltd.,Huainan,Anhui232001,China)

The microscopic testing method of SEM and XRD was used to study the composition of HCSA expansive agent and the compatibility between the expansive agent and ordinary Portland cement hydration reaction, in order to prepare shrinkage compensation steel fiber reinforced concrete (SCSFRC). Uniaxial compression test was conducted on the steel fiber reinforced concrete specimens of 3 d and 7 d with different dosage of expansive agent by using separate SHPB techniques. The dosage of expansive agent has certain effects on the dynamic compressive strength of SCSFRC, which peaks when the expansive agent content reaches 8%. Stress-strain curves of the three kinds of specimens are unanimous. The curve of the 3 d specimen is sectional, namely the elastic compression stage, elastic-plastic compression stage and plastic failure stage; whereas the curve of the 7 d specimen presents a more obvious peak stress. With the increment of the impact pressure, the specimen failure becomes more dispersive, while after the addition of steel fiber, the broken pieces of the specimen becomes bigger due to the space restraint effect of the steel fiber.

HCSA expansive agent; SHPB; steel fiber reinforced concrete; compression performance

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.003

2015-05-08

2015-05-29

安徽省高校省級優(yōu)秀人才基金重點項目(2013SQRL140ZD)；安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)計劃項目(2013YF-55)

黃 偉(1980—)，男，安徽青陽人，博士，副教授，在站博士后，主要從事混凝土材料及沖擊動力學(xué)研究。 E-mail: hwaust@163.com

TU528.572

A

1672—1144(2015)05—0009—05