高性能混凝土力學(xué)性能試驗檢測研究

陳寧

（中犇檢測認證有限公司，河南 鄭州 450000）

高性能混凝土優(yōu)勢在于其具有較好的路用性能，能夠適應(yīng)不同工程環(huán)境條件，在此基礎(chǔ)上就需要對影響混凝土工程性能的關(guān)鍵因素做出研討，探究如何保障混凝土材料具備足夠的耐久性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇質(zhì)量可靠、性能良好的原材料并采取盡可能小的水灰比設(shè)計方案[1,2]。

1 高性能混凝土的制備

考慮到高性能混凝土在性能、配比上所具有的特殊性，其組分材料可能會產(chǎn)生較為突出的影響，導(dǎo)致路用性能發(fā)生變異[3]。

1.1 水泥

作為混凝土材料中至關(guān)重要的組分，水泥的強度往往主導(dǎo)著結(jié)構(gòu)的強度及耐久性[4]。在設(shè)計環(huán)節(jié)中，水泥的選擇應(yīng)當(dāng)滿足我國現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細則》的具體要求，再本研究中最終選定為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本性能如表1 所示。

表1 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥的基本性能

1.2 粉煤灰和礦粉

對于混凝土設(shè)計而言，若僅在其中摻加粉煤灰常常會導(dǎo)致混凝土的早期強度下降，引發(fā)這一不良現(xiàn)象的主要原因在于粉煤灰的活性較低，在反應(yīng)早期難以形成強度[5]。

在本研究中，材料設(shè)計所用的粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，根據(jù)現(xiàn)場試驗檢測得到其主要性能指標如表2 所示；材料設(shè)計所用的礦渣粉為S95 礦粉，根據(jù)試驗檢測得到其主要性能指標如表3 所示。

表2 試驗測得粉煤灰主要性能指標

表3 試驗測得S95 礦粉的性能指標

1.3 集料

1.3.1 粗集料

在本研究中控制碎石的最大粒徑在31.5mm 以內(nèi)。為便于區(qū)分，根據(jù)粒徑不同將集料分為5-10mm、10-20mm及10-30mm 三類，其各自的試驗檢測結(jié)果如表4 所示。

表4 粗集料的主要性能指標

1.3.2 細集料

在設(shè)計混凝土?xí)r應(yīng)當(dāng)對細集料的配比設(shè)計予以足夠重視，優(yōu)先選用堅硬潔凈的河砂，在本研究中所用細集料的基本性能如表5 所示。

表5 細集料的主要性能指標

1.4 外加劑

外加劑即是為了改善混凝土性能而摻入到材料內(nèi)且摻加量在5%以內(nèi)的一類化合物。經(jīng)過長期的發(fā)展，目前外加劑的類型與數(shù)量都得到了極大的發(fā)展，其主要有減水劑、緩凝劑及引氣劑等。減水劑作為混凝土設(shè)計中常見的一類組分，其能夠在不影響設(shè)計功能的同時，發(fā)揮減少用水的作用[6]。在本研究中選用聚羧酸高效減水劑進行摻加，其基本技術(shù)指標如表6 所示。

表6 聚羧酸高效減水劑的基本技術(shù)指標

1.5 聚丙烯纖維

本研究采用聚丙烯進行設(shè)計，其具有重量小、耐腐蝕、電絕緣的優(yōu)點，所以在工程中往往也能夠表現(xiàn)出較好的效果，本文所用纖維的基本技術(shù)指標如表7 所示。

表7 聚丙烯纖維的基本技術(shù)指標

2 力學(xué)性能試驗分析

本研究主要針對聚丙烯纖維在混凝土材料中發(fā)揮的力學(xué)性能影響作用展開分析，對于不同纖維摻量下的試件分別進行抗折、抗壓及抗沖擊試驗。本研究共設(shè)置了五組對照試件，其纖維摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

2.1 抗壓強度

在試驗設(shè)計中借助響應(yīng)面法對混凝土的配比設(shè)計進行優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)制作了規(guī)格為150mm×150mm×150mm 的標準試驗試塊，每一組共制作三個試件并編號。將試件置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護約24h，并在3d、7d 及28d 時分別對五組不同纖維摻量下的試件進行抗壓試驗。

本研究中借助萬能液壓伺服機來測定試件的抗折強度，且始終保持加載速度在0.8MPa/s 的標準下，荷載持續(xù)施加至試件破壞。將試驗測得各組三個試件的實測值取算術(shù)平均作為這一組試件的代表值。若該組試件的實測值中任一與中間值之間的偏差大于15%，則可取該中間值作為該組代表值。若該組試件最大及最小值與中間值之間的偏差均大于15%，則可認定該組試件無效，應(yīng)當(dāng)重新制作試件完成試驗。

對不同纖維摻量下混凝土的抗壓強度試驗可得到圖1 所示結(jié)果。

圖1 不同纖維摻量下混凝土試件的抗壓強度

根據(jù)圖1 可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻加對于混凝土試件抗壓強度存在一定的削弱作用，而在纖維的體積摻量達到1.0%后，試件抗壓強度達到穩(wěn)定。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于聚丙烯纖維的抗壓能力較差，其摻加將導(dǎo)致混凝土試件的有效受壓面積減小。所以在更高的纖維摻量下，混凝土的有效受壓面積也就更小，進而使得試件的抗壓強度下降。

2.2 抗折強度

制作規(guī)格為150mm×150mm×550mm 的標準試驗試塊，每一組共制作三個試件并編號。將試件置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至預(yù)期齡期，并在7d 及28d 時分別對五組不同纖維摻量下的試件進行抗折試驗。

借助萬能液壓伺服機來測定試件的抗折強度，且始終保持加載速度在0.08MPa/s 的標準下，荷載持續(xù)施加至試件破壞。將試驗測得各組三個試件的實測值取算術(shù)平均作為這一組試件的代表值。若該組試件的實測值中任一與中間值之間的偏差大于15%，則可取該中間值作為該組代表值。若該組試件最大及最小值與中間值之間的偏差均大于15%，則可認定該組試件無效，應(yīng)當(dāng)重新制作試件完成試驗。

對不同纖維摻量下混凝土的抗折強度試驗可得到圖2 所示結(jié)果。

圖2 不同纖維摻量下混凝土試件的抗折強度

根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻加對于混凝土試件抗折強度存在一定的增強作用，而在纖維的體積摻量達到1.5%后，試件抗折強度達到穩(wěn)定，同時在纖維的體積摻量達到2.0%后，試件抗折強度出現(xiàn)了小幅度的削弱，但從整體上來看，聚丙烯的摻加能夠顯著改善混凝土材料的抗折能力。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于纖維在受拉時能夠發(fā)生一定的變形，有助提升構(gòu)件抗拉性能的提升，同時延緩裂縫的產(chǎn)生。

2.3 抗沖擊性能

選用低速落錘進行試驗，制作尺寸為150mm×150mm×150mm 的標準試塊并在標準條件下養(yǎng)護28d。在沖擊試驗開始前將試件切分為厚度為40mm 及60mm 的三類小試件，且其高度應(yīng)不高于2mm。記錄下試件受沖擊出現(xiàn)第一條裂紋所需的沖擊次數(shù)N1以及試件完全破壞所需的沖擊次數(shù)N2，其所對應(yīng)的能量分別定義為E1和E2。計算可按以下公式進行：

其中：Ei——試件初裂（E1）和最終（E2）破壞時所對應(yīng)的沖擊能量；Ni——在初裂（N1）和最終（N2）破壞時所對應(yīng)的沖擊次數(shù)；m——落錘的質(zhì)量（0.5kg 或1kg）；g——重力加速度（9.81m/s2）；h——落錘釋放高度（900mm）?？箾_擊強度保留率指標能夠較好地評價在出現(xiàn)裂紋后混凝土試件的力學(xué)性能，同時也能夠較好地表征混凝土的延展性，其計算可按式（2）進行：

對于不同試驗組，其代表值可按該組試件測得的算術(shù)平均值來確定，若該組試件的實測值中任一與平均值之間的偏差大于15%，則可認定該值無效；若該組所有試件的實測值中至少有兩個與平均值之間的偏差大于15%，則可認定該試驗結(jié)果無效，需要重新按照要求制作試件并完成試驗?；诓煌郾├w維摻量下的混凝土試驗可以得到厚度為40mm 和60mm 時，混凝土試件的抗沖擊能力，如圖3-圖4 所示。

圖3 厚度為40mm 時

圖4 厚度為60mm 時

根據(jù)圖3-圖4 可以發(fā)現(xiàn)：聚丙烯纖維的摻加能夠有效改善混凝土試件的抗抗沖擊韌性，且在較高的纖維摻量下其改善效果更加突出；同時，試件厚度的提升也將導(dǎo)致混凝土在開裂后吸收更多的能量。分析上圖中沖擊次數(shù)、纖維摻量之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間大致存在二次關(guān)系，這也表明纖維摻量對于混凝土抗沖擊韌性的提升作用并非無限制的，所以在設(shè)計中需要合理確定纖維的最佳摻量范圍。

3 結(jié)論

本文基于聚丙烯纖維對于混凝土材料的改性作用展開分析，同時基于試驗結(jié)果進行了深入的研討，得到以下幾點結(jié)論：

3.1 聚丙烯纖維摻量的提升，舒蝶混凝土材料抗壓性能呈現(xiàn)出下降的趨勢，同時隨著養(yǎng)護時間的不斷推進逐漸穩(wěn)定。當(dāng)摻量達到1.0%時，混凝土材料的抗壓強度逐步平緩。但纖維的抗壓能力較差，因此使得混凝土試件內(nèi)的有效受壓面積減小，使得混凝土抗壓能力呈現(xiàn)出下降的趨勢。

3.2 聚丙烯纖維的摻加使得混凝土抗折能力不斷上升，而當(dāng)其摻量達到1.5%，混凝土抗折能力達到穩(wěn)定狀態(tài)且在2.0%摻量附近發(fā)生一定的下落，但總體來看聚丙烯纖維對于混凝土抗折能力具有積極影響。

3.3 聚丙烯纖維的摻加能夠有效改善混凝土的抗沖擊韌性，且其摻量的提高能夠提升初裂沖擊強度，但對于破壞沖擊強度的影響較為微弱。