高抗折水泥基復(fù)合材料的性能研究＊

孟祥竹， 孫宗光

（大連海事大學(xué)，遼寧 大連116026）

長(zhǎng)期以來(lái)，在各種PHC管樁施工中，受到?jīng)_擊荷載作用，樁頭的開(kāi)裂破壞導(dǎo)致廢樁率極高，增加了建設(shè)成本，延誤工期；在路用混凝土、橋面混凝土、鐵路枕木等頻繁承受動(dòng)力荷載作用的結(jié)構(gòu)中，混凝土結(jié)構(gòu)也普遍出現(xiàn)早期開(kāi)裂現(xiàn)象，這主要是由于高強(qiáng)混凝土的脆性缺陷導(dǎo)致的.活性粉末混凝土［1］（RPC）的出現(xiàn)很快引起了行業(yè)人員的廣泛興趣.它有效地克服了混凝土的高脆性，在許多特種工程中得到了廣泛的應(yīng)用.但RPC材料的能耗和成本高，使得其在普通工程中的應(yīng)用比例較低.為此，進(jìn)行了普通成型和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，高抗折水泥基體的配制試驗(yàn)與性能研究.

1 試驗(yàn)原材料

水泥：大連小野田P·O52.5；硅灰：鞍美國(guó)貿(mào)實(shí)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，密度2.3g／cm3，微硅粉中細(xì)度小于1μm的占80%以上，平均粒徑為0.3μm，比表面積為25m2／g；礦粉：遼寧礦渣微粉有限責(zé)任公司，規(guī)格S95級(jí)，密度2.9g／cm3，比表面積412m2／kg；粉煤灰：一級(jí)粉煤灰，密度2.24g／cm3，燒失量1.9%，細(xì)度為2%（45μm篩篩余）；砂：普通河沙，細(xì)度模數(shù)2.3；高效減水劑：遼陽(yáng)科隆公司生產(chǎn)的SPC－100，褐黃色液體，減水率35%，含固量40%；消泡劑：東莞市德豐消泡劑有限公司，聚醚類(lèi)消泡劑，透明黏稠狀液體.

2 試驗(yàn)方法

混合料的制作采用行星式膠砂攪拌機(jī).加料攪拌順序：膠凝材料攪拌均勻；加2／3的水?dāng)嚢?；加砂攪拌；加減水劑、消泡劑和剩余1／3的水，實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)成型，試塊規(guī)格40mm×40mm×160mm.將試模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃，相對(duì)濕度≥90%，（24±2）h后拆模.拆模后，室溫下靜停2h，放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中升溫2h至養(yǎng)護(hù)控制溫度（90±5）℃，恒溫養(yǎng)護(hù)8h，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，取出試件放入90℃的熱水中降溫至室溫［2］，然后測(cè)定其性能.部分對(duì)比試塊用水浸泡繼續(xù)放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期［3］.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合成本控制的要求，所有配合比試驗(yàn)中，減水劑摻量（含固量計(jì)）控制為水泥用量的0.8%，消泡劑用量控制為水泥用量的萬(wàn)分之二.膠凝材料總量不變，水泥用量控制在70%，震動(dòng)成型24h后拆模，采用蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)8h，考察不同比例膠凝材料摻量對(duì)抗折性能的影響［4］.蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后測(cè)得的數(shù)據(jù)為3d強(qiáng)度數(shù)據(jù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期7d及28d，然后分別測(cè)得7d及28d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度.

3.1 礦渣與粉煤灰雙摻配比試驗(yàn)

表1 礦渣與粉煤灰雙摻正交配比試驗(yàn)方案Tab.1 The orthogonal experiment scheme mixed with slag and fly ash

礦渣與粉煤灰雙摻正交配比試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，表中W／B為水膠比，C為水泥，F(xiàn)A為粉煤灰，S為砂，W為水.本文其他表格中出現(xiàn)的相同符號(hào)的意義與表1相同.

礦渣與粉煤灰雙摻配比試驗(yàn)對(duì)水泥基流動(dòng)度的影響見(jiàn)圖1.從圖1可以看出，拌合物流動(dòng)度較好，保持在300mm以上，隨著礦渣摻量增加，粉煤灰摻量減小，拌合物流動(dòng)度呈下降趨勢(shì)，但是下降幅度較小.這是由于粉煤灰顆粒滾珠狀形態(tài)可以分散膠凝材料，降低材料間的摩阻力，流動(dòng)度增大，所以隨著粉煤灰摻量的下降，拌合物流動(dòng)度有所下降，但是下降的幅度對(duì)拌合物的工作性沒(méi)有影響.觀察五組試件試驗(yàn)后的斷裂面，拌合物有較明顯分層，存在較少的氣泡，密實(shí)較好.

圖2為蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)8h后，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d所測(cè)強(qiáng)度相對(duì)于3d時(shí)所測(cè)強(qiáng)度的增幅情況.從圖2中可以看出，蒸汽養(yǎng)護(hù)后，各個(gè)試驗(yàn)組別的28d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3d抗壓強(qiáng)度增幅很小，最大增幅出現(xiàn)在第三組試件，為7%，最小增幅為零.但是各個(gè)試驗(yàn)組別的28d抗折強(qiáng)度相對(duì)于3d抗折強(qiáng)度增幅很明顯，最大增幅達(dá)到78%，最小增幅也有6.5%.說(shuō)明蒸汽養(yǎng)護(hù)加速了拌合物強(qiáng)度的增長(zhǎng)，特別是加速了抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，3d抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)；但蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)于加速抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用有限.從粉煤灰與礦渣復(fù)配的角度看，隨著粉煤灰摻量的增加，礦渣摻量的減小，水泥基體的抗折強(qiáng)度后期增長(zhǎng)明顯，說(shuō)明粉煤灰對(duì)于拌合物后期抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)比礦渣的作用明顯.在對(duì)于水泥基體后期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用上，則正好相反，礦渣貢獻(xiàn)明顯比粉煤灰大.分析認(rèn)為礦渣活性較粉煤灰大，活性物質(zhì)含量更高，同比例摻量下，單摻礦渣的拌合物最終抗壓強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于單摻粉煤灰的拌合物，高強(qiáng)度帶來(lái)的脆性增加的負(fù)面效應(yīng)導(dǎo)致這一現(xiàn)象的出現(xiàn).從圖2可以看出，兩者摻量比例為1︰1的時(shí)候，粉煤灰與礦渣顆粒級(jí)配的疊加效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，使得抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度在后期都會(huì)有較大的增長(zhǎng).

粉煤灰與礦渣雙摻時(shí)水泥基的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖3.從圖3可以看出，A1～A3抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，但在粉煤灰與礦渣摻量比例小于1︰1之后，抗壓強(qiáng)度增加，而抗折強(qiáng)度反而下降.折壓比隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖4，在這五組試件中，A2和A3組試件的折壓比隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，說(shuō)明抗折強(qiáng)度增幅超過(guò)了抗壓強(qiáng)度，拌合物的韌性增加，抗折性能較好.

3.2 礦渣、硅灰和粉煤灰三摻對(duì)抗折性能的影響

礦渣、硅灰和粉煤灰三摻正交配比見(jiàn)表2.

表2 礦渣、硅灰、粉煤灰三摻正交配比試驗(yàn)方案Tab.2 The orthogonal experiment scheme mixed with slag，silica fume and fly ash

從試驗(yàn)后試件破裂面觀察，所有試件密實(shí)較好，無(wú)明顯氣泡，孔隙率小.編號(hào)B1～B4四組試件中，均出現(xiàn)較明顯分層現(xiàn)象；編號(hào)B5～B10六組試件，拌合物均勻，無(wú)分層現(xiàn)象.可能與硅灰的摻量有關(guān)，基本表現(xiàn)出隨著硅灰摻量的增加，拌合物均勻性越好.

礦渣、硅灰與粉煤灰混摻對(duì)水泥基的流動(dòng)度的影響見(jiàn)圖5.從圖中可以看出B1～B4流動(dòng)度在306mm左右，B5～B7流動(dòng)度在295mm左右，B8～B9流動(dòng)度在284mm左右；整體上來(lái)看，從B1～B10組件，流動(dòng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì).B1～B4，B5～B7，B8～B9，B10這四大組件流動(dòng)度穩(wěn)定，每個(gè)組件中，硅灰摻量分別為5%、10%、15%、20%.說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題：一是硅灰摻量固定時(shí)，粉煤灰與礦渣雙摻對(duì)水泥基體流動(dòng)度影響不大；二是隨著硅灰摻量的增加，水泥基體流動(dòng)度會(huì)下降，這主要與硅灰相對(duì)于礦渣和粉煤灰的活性要高，水化反應(yīng)快，需水量大有關(guān).

蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)8h后，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d，所測(cè)強(qiáng)度相對(duì)于3d時(shí)所測(cè)強(qiáng)度的增幅情況見(jiàn)圖6.從圖中可以看出，各組試件的抗折強(qiáng)度后期增長(zhǎng)幅度十分明顯，最高增幅達(dá)到75%，最小增幅29%；在B5～B7試件中，抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度十分穩(wěn)定，維持在30%左右，說(shuō)明硅灰摻量固定為10%時(shí)，粉煤灰與礦渣相對(duì)摻量的變化，對(duì)于后期抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度影響甚微.對(duì)硅灰摻量相同的各組試件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：粉煤灰與礦渣相對(duì)摻量的變化對(duì)水泥基體抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度影響較小.

隨著硅灰固定摻量的變大，礦渣增加，粉煤灰降低，水泥基體抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小.特別是在硅灰摻量超過(guò)10%以后，硅灰與礦渣總摻量超過(guò)20%時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度甚至出現(xiàn)回縮，并且隨著硅灰摻量的增加，回縮幅度有越來(lái)越大的趨勢(shì)，在養(yǎng)護(hù)中期抗壓強(qiáng)度回縮達(dá)到8%.由于硅灰和礦渣的活性較大，硅灰摻量的大幅度增加，使得早期抗壓強(qiáng)度和早期抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)明顯；特別是在蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)，抗壓強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)所達(dá)到的指標(biāo).通過(guò)試驗(yàn)，建議蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)條件下，硅灰摻量控制在10%以?xún)?nèi)，需要與礦渣復(fù)配時(shí)，硅灰與礦渣總摻量控制在20%以?xún)?nèi).

圖7表示的是三摻下抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的關(guān)系，可以看出抗折強(qiáng)度并不完全表現(xiàn)出隨著抗壓強(qiáng)度的增加而增加的規(guī)律，抗壓強(qiáng)度高并不意味著抗折強(qiáng)度也高.三摻時(shí)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥基的折壓比的影響見(jiàn)圖8，從圖中可以看出，各個(gè)組件的折壓比隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，說(shuō)明各個(gè)試驗(yàn)組件隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，水泥基體的韌性增加，抗折性能得到提升.綜合圖7和圖8，在抗壓強(qiáng)度100MPa以上時(shí)，抗折強(qiáng)度最大為B9，達(dá)到32.8MPa，折壓比0.3，此時(shí)硅灰摻量15%.從圖6可以看出此時(shí)抗壓強(qiáng)度會(huì)有較明顯回縮，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用成本控制，硅灰單價(jià)較高，控制在5%更合適.綜合對(duì)比，B4組件性能指標(biāo)更符合要求，抗壓強(qiáng)度105.8MPa，抗折強(qiáng)度27.6MPa，折壓比0.26.

3.3 高抗折水泥基試驗(yàn)最優(yōu)配合比

通過(guò)以上試驗(yàn)，綜合考慮成本控制，拌合物流動(dòng)度、孔隙率等指標(biāo)，設(shè)計(jì)出C100高抗折水泥基的最優(yōu)配合比，28d折壓比0.2以上，見(jiàn)表3.第一組和第二組分別為粉煤灰與礦渣雙摻和硅灰、礦渣與粉煤灰混摻時(shí)的最優(yōu)配合比，最優(yōu)配比的高抗折水泥基的性能指標(biāo)見(jiàn)表4.

表3 最優(yōu)配合比Tab.3 The best mix proportion

表4 最優(yōu)配合比的高抗折水泥基性能表Tab.4 The properties of best mix proportion of high flexural cement based materials

4 高抗折水泥基性能機(jī)理探討

從表4可以看出，第一組的指標(biāo)要優(yōu)于第二組，同時(shí)從成本的角度考慮也更經(jīng)濟(jì).但是硅灰的摻入對(duì)于水泥基體的抗?jié)B性能和抗氯離子腐蝕有一定的作用，所以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不同，表3中兩套配比均有一定的參考意義.

不同摻和料最優(yōu)配比的性能數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表5，從表中可以看出，相同膠凝材料下，水泥摻量固定，粉煤灰－礦渣－硅灰三摻情況下，拌合物抗折性能最穩(wěn)定，折壓比的平均值最高，抗折強(qiáng)度的平均值最高，其次為礦渣－粉煤灰雙摻時(shí)的拌合物.從表觀狀態(tài)來(lái)看，三摻情況下的拌合物密實(shí)情況最好，其次是礦渣－粉煤灰雙摻時(shí)的拌合物.對(duì)比圖4和圖8的數(shù)據(jù)，可以看出粉煤灰－礦渣－硅灰三摻情況下，抗折強(qiáng)度和折壓比的離散性更小.

表5 不同摻和料類(lèi)別配比性能數(shù)據(jù)分析Tab.5 The data analysis of different mix proportion

分析其原因，粉煤灰中含有大量的珠狀顆粒，起到很好的分散和潤(rùn)滑作用，減少顆粒間的摩擦作用，使得拌合物有較好的流動(dòng)度.礦渣顆粒細(xì)度大，起到很好的微集料效應(yīng)，改善混合料的顆粒級(jí)配，減小孔隙率，提高拌合物的密實(shí)度.硅灰的火山活性高，對(duì)于其他膠凝材料有較好的分散作用，隨著摻量的增加，拌合物的均勻性越好，能顯著提高拌合物的強(qiáng)度.同時(shí)拌合物自干燥收縮較大，高脆性明顯，于抗折極其不利，但是粉煤灰的干燥收縮小，需水量小，可以彌補(bǔ)這一缺陷.有礦渣參與的試驗(yàn)中，隨著礦渣摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)，主要因?yàn)榈V渣需水量小，活性不如水泥和硅灰，在相同水膠比條件下，礦渣摻量越多，拌合物中的自由水相對(duì)越多，導(dǎo)致拌合物流動(dòng)度大，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，試塊出現(xiàn)分層現(xiàn)象.

5 結(jié) 論

（1）雙摻粉煤灰－礦渣情況下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)早期強(qiáng)度低；通過(guò)蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)，3d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到28d指標(biāo)；粉煤灰和礦渣總量不變，抗折強(qiáng)度隨著礦渣的增加而先增大后減小，礦渣摻量與粉煤灰摻量比值在0.8～1.2之間，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，折壓比也最大.礦渣的摻入對(duì)于拌合物的抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于抗壓強(qiáng)度.礦渣摻量過(guò)多，將導(dǎo)致終凝時(shí)間有較大延長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)泌水.

（2）粉煤灰、礦渣和硅灰混摻情況下，復(fù)合效應(yīng)顯現(xiàn).粉煤灰、礦渣和硅灰摻量總量不變，三者摻量比例1︰2︰3，粉煤灰對(duì)流動(dòng)度的保證、礦渣對(duì)密實(shí)度的提高、硅灰對(duì)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)均有較好的體現(xiàn)，同時(shí)三種材料的復(fù)合疊加效應(yīng)也彌補(bǔ)了對(duì)于單摻粉煤灰早期強(qiáng)度小、單摻硅灰自干燥收縮大、混摻礦渣拌合物分層不均勻等缺陷.

（3）有硅灰摻和情況下，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，拌合物抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加而增長(zhǎng)，但是隨著硅灰摻量的增加，28d抗壓強(qiáng)度甚至出現(xiàn)回縮，隨著硅灰摻量的增加，回縮幅度有越來(lái)越大的趨勢(shì)，硅灰的摻入對(duì)于拌合物的抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于抗折強(qiáng)度.建議蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，硅灰摻量控制在10%以?xún)?nèi)，需要與礦渣復(fù)配時(shí)，硅灰與礦渣總摻量控制在20%以?xún)?nèi).

（4）試驗(yàn)表明，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，通過(guò)粉煤灰、礦渣和硅灰的復(fù)配，控制成本，配制出C100，折壓比0.3，抗折強(qiáng)度達(dá)到32.8MPa的高抗折水泥基體.

［1］覃維祖，曹峰.一種超高性能混凝土—活性粉末混凝土［J］.工業(yè)建筑，1999，29（4）：16－18.

［2］胡曉曼，董獻(xiàn)國(guó).C60高性能蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土試驗(yàn)研究［J］.施工技術(shù)，2015，3（1）：23－26.

［3］吳炎海，何雁斌，楊幼華，等.養(yǎng)護(hù)制度對(duì)活性粉末混凝土（RPC）強(qiáng)度的影響［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（5）：31－35.

［4］安明哲，王慶生.活性粉末混凝土的配置原理及應(yīng)用前景［J］.建筑技術(shù)，2001，32（1）：15－16.

［5］劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010（9）：35－39.

［6］陳兵，張東.新型水泥基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用［J］.新型建筑材料，2000，4（2）：25－28.

［7］姚武，吳夢(mèng)雪，魏永起.三元復(fù)合膠凝體系中硅灰和粉煤灰反應(yīng)程度的確定［J］.材料研究學(xué)報(bào)，2014，3（1）：19－25.

［8］楊鴻.粉煤灰與礦粉摻入比例對(duì)混凝土常規(guī)性能的影響［C］／／高性能砼與高性能減水劑技術(shù)研討會(huì)論文集，2007：223－226.