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高性能混凝土的影响因素研究

日期：2016-12-21 9:33:39　来源：互联网　浏览数：
　

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0· 引言
    现代建筑施工方便快速，结构强度大，结构体系多样，使用环境复杂多变，建筑物呈现出了高层化、大跨化、轻量化、地下化和使用环境严酷化等特点，迫切要求在建筑工程中应用的混凝土强度日益提高，耐久性、可靠性、流动性良好，这些需求促成了高强高性能混凝土乃至超高强高性能混凝土的出现和发展，研究高性能的水泥基复合材料已相当迫切。因此，研究和开发高性能混凝土具有极其重要的意义，超高强高性能混凝土已成为水泥基复合材料发展的重要方向之一［1 － 2］。
    1· 试验
    1．1 原材料
    试验所采用原材料及其品质如下:
    水泥: 普通硅酸盐水泥( P·O 52．5 级) ;
    硅灰: 山东六福微硅粉有限公司产的硅灰;
    钢纤维: 表面镀铜，长为13 mm，直径为0．2 mm;
    减水剂: 聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%，含固量20%;
    水: 普通自来水，符合JGJ 63—2006 要求。
    水泥、硅灰的化学成分见表1。

    1．2 试验配合比
    为最终得到砂胶比、水胶比、硅灰掺量、钢纤维掺量、砂粒径对高性能混凝土工作性能及力学性能的影响，采用聚羧酸高效减水剂，各组使用量统一为胶凝材料总量的2%，本试验利用正交试验法设计配合比，如表2 所示。

    1．3 试验方法
    根据GBT 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》［3］的要求，采用跳桌法测定新拌混合物的流动度;根据GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法( ISO 法) 》［4］，将水泥胶砂试块标准养护至预定龄期，测试试件抗折强度和抗压强度。
    2· 试验结果与分析
    2．1 试验结果
    根据规范要求制作高性能混凝土试件，在标准养护室内分别养护3、14、28 d 取出，参照GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法( ISO 法) 》进行，分别测试试件3、14、28 d 的抗折强度和抗压强度。
    2．2 试验分析
    五个因素( 砂胶比A、水胶比B、硅灰掺量C、钢纤维掺量D 和砂粒径范围E) 对混凝土的流动度、28 d 抗折强度、28 d 抗压强度影响的直观极差分析见表3。

    2．2．1 各影响因素对HPC 流动度的影响
    由表3 可以看出，五个因素对流动度影响程度: 水胶比＞钢纤维掺量＞砂粒径范围＞硅灰掺量＞砂胶比。胶凝材料能很好的包裹骨料并填充其空隙，减小颗粒之间的摩擦。砂胶比大，平均浆体厚度减小，很难将骨料颗粒完全隔离开来，骨料之间的摩擦阻力，影响浆体的流动，所以高性能混凝土的流动性变小。
    水胶比大，即拌合物中含水量大，一部分水进行水化反应，但大部分水是以游离形式存在，拌合物被稀释，流动度大; 反之，拌合物的流动性差。
    硅灰可以提高流动度，一方面硅灰的表面被一层表面活性物质所覆盖，硅灰在水泥颗粒之间产生“滚珠”作用，使拌合物流动性增加; 另一方面硅灰能够将水泥颗粒空隙中的填充水置换出来，使之成为自由水，从而改善新拌混凝土的工作性［5］。硅灰的活性高，当掺量过大使浆体的黏度增加，流动度降低。
    钢纤维的长径比大，自身流动性较差，比表面积大，使包裹骨料和钢纤维的水泥浆层变薄，润滑作用减弱; 钢纤维掺量大容易产生交叉搭接现象，在拌合物中形成网络结构，使高性能混凝土流动度明显降低。
    砂的比表面积小需水量大，不利于流动性; 砂的颗粒大不容易悬浮在浆体中，同样不利于流动性。砂粒径范围为0～2．36 和0．3～2．36 时，小粒径砂比例大，砂整体比表面积大，用于润滑砂浆表面及填充空隙的水泥浆量增大，砂粒之间的接触几率高，摩擦力增大，流动性变差。砂粒径范围为1．18～2．36 时，大粒径颗粒比例大，不能悬浮在浆体中的砂粒多，流动性差。
    图1是五个因素对流动性的影响分析图，随着砂胶比和钢纤维掺量的增大，流动度呈下降趋势，水胶比对流动度影响呈现正相关关系，而随着硅灰掺量的增大流动度先上升后下降，存在最佳掺量为15%，砂粒径范围对流动度影响亦是如此，粒径范围最佳为0．6～2．36。

    2．2．2 各影响因素对HPC 抗折强度研究
    由表3 可以看出，五个因素对抗折强度影响程度: 钢纤维掺量＞砂粒径范围＞砂胶比＞水胶比＞硅灰掺量。
    砂胶比对水泥胶砂试块的抗折强度的影响与拌合物的密实程度有关，砂胶比小，平均浆体厚度增加，整个拌合物连接为一个有效的整体，砂粒与浆体间的黏结力大大增加，抗折强度就会明显增大。反之，砂胶比大，抗折强度小。但这并不意味着砂胶比愈小抗折强度愈高，在混凝土中砂、石可以起到很好的骨架作用，并传递应力，故砂胶比过小也会影响抗折强度。
    水胶比小，即用水量少，没有多余的游离水，但拌合物的黏性大，在振捣过程中不易振捣密实，折断后可明显看到断面处存在大量孔洞，这对截面的削弱作用非常明显，大大降低了抗折强度; 水胶比过大，拌合物中会存在大量多余的游离水，在水泥硬化的过程中多余的游离水逐渐蒸发，混凝土中存在大量气孔，这些孔隙的存在，减少了抵抗荷载作用的有效面积，降低了抗折强度。
    硅灰可填充于水泥浆体的孔隙间和水泥颗粒的空隙间，微观上，增加了高性能混凝土的密实度，从而提高了强度，这就是硅灰的“填充效应”。此外，硅灰的火山灰效应可以将对强度不利的氢氧化钙转化成C-S-H 凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进了强度的增长。颗粒最紧密堆积时，相对密度达到了最大值。而硅灰掺量进一步增大时，由于硅灰的比表面积大，多余的硅灰表面会吸附大量水分，导致需水量增大，水化反应多余部分的水分存在于混凝土密闭孔隙中，从而会导致其相对密度的降低，影响抗折强度。
    钢纤维可以很好的限制水泥基材料在外力作用下的裂缝扩展，随着荷载的逐渐增大，开始出现裂缝，水泥基体逐渐退出工作，由于钢纤维的抗拉强度远远强于水泥基体，延缓了裂缝的扩大速度，此时横跨裂缝的钢纤维就成了主要的受力对象，跨越裂缝的钢纤维越多，则裂缝稳定扩展的持续时间就会越长，最终达到的峰值拉应力也就越高，即高性能混凝土的抗折强度越大。但当钢纤维掺量大于2%后，混凝土内部大量的钢纤维互相搭接，使试块内部形成大量孔洞，对强度产生不良影响，故钢纤维的体积掺量由2%增加到3%时其强度提高不明显。
    砂最大粒径确定，粒径范围越大，所含小颗粒砂比例越大，形成的拌合物填充效果更好，抗折强度增大，当粒径为0～2．36 mm 时，抗折强度最小，是因为砂中含泥量大，导致骨料之间的拉力减小，且由于空隙率增大，强度薄弱区域增加，最终导致抗折强度降低。
    图2 是五个因素对抗折强度的影响分析图，随着钢纤维掺量的增大，高性能混凝土的抗折强度呈上升趋势，考虑到其对抗折强度的影响和经济性等因素，最佳掺量为2%，而随着砂胶比、水胶比，硅灰掺量的变化，混凝土抗折强度均先上升后下降，综合考虑，故存在最佳值分别为1．0、0．18、15%，砂粒径范围对混凝土的影响亦是如此，粒径范围最佳为0．3～2．36。

    2．2．3 各影响因素对HPC 抗压强度研究
    正交试验极差分析见图3，高性能混凝土抗压强度的影响程度钢纤维掺量＞水胶比＞硅灰掺量＞砂胶比＞粒径范围。
    砂胶比和粒径范围对高性能混凝土抗压强度的影响与抗折强度的影响机理一样，如2．2．2 影响机理分析。水胶比对高性能混凝土强度的影响存在两面性［6］，即水胶比过小时，在振捣过程中不易振捣密实，导致抗压强度的降低; 水胶比过大时，虽然能使拌合物振捣密实，但体系中存在较多的游离水，在水泥浆体硬化过程中多余的游离水蒸发，而在水泥砂浆体内留有大量孔洞，降低了水泥胶砂试块的抗压强度。硅灰具有相当高的活性，可以快速与水泥的水化产物Ca( OH)2反应生成C-S-H 凝胶，加快水泥的水化反应速度。此外，硅灰的火山灰效应、微粒充填效应和界面效应，都能使强度得以提高。过高掺量反而会降低抗压强度，一方面可以从密实度角度进行解释( 硅灰掺量对抗折强度影响已有解释，不再赘述) ，另外，硅灰加入量过多时由于其没有水硬性，其强度也会相应降低。钢纤维，一方面使混凝土在受压过程中的横向膨胀受到约束，延缓破坏进程，从而提高了抗压强度; 另一方面，界面特性决定了钢纤维对高性能混凝土抗压强度的影响程度，硅灰会强化钢纤维与基体间的界面层，因此在一定的掺量范围内，钢纤维的掺入不会使界面破坏，而是对抗压强度的增加是有利的。但是，钢纤维掺量过大，界面上会出现很多微小的裂缝，使混凝土中产生内部缺陷，抗压强度增大趋势变缓。

    图3 是五个因素对抗压强度的影响分析图，随着钢纤维掺量的增大，高性能混凝土的抗压强度呈上升趋势，考虑到其对抗压强度的影响和经济性等因素，最佳掺量为2%，而随着砂胶比、水胶比、硅灰掺量的变化，混凝土抗折强度均先上升后下降，综合考虑，故存在最佳值分别为1．1、0．18、10%，砂粒径范围对混凝土的影响亦是如此，粒径范围最佳为0．3～2．36。
    3 ·结语
    ( 1) 基于高性能混凝土的配合比设计思想，通过正交试验，探讨了砂胶比、水胶比、硅灰掺量、钢纤维掺量以及砂粒径范围对高性能混凝土工作性及强度的影响规律。
    ( 2) 掺入钢纤维，可以有效地提高高性能混凝土的抗折和抗压强度，但也降低了工作性; 砂胶比增大，工作性降低，抗折强度和抗压强度取得最大最大值时砂胶比不同，所以高性能配合比设计要综合考虑各个性能的要求。
    ( 3) 水胶比太小，虽然没有多余的游离水，但是水胶比较低时拌合物的黏性很大，在振捣过程中不容易密实，降低了的抗折强度和抗压强度。因此，在配制高性能混凝土时应该综合考虑水胶比对高性能混凝土工作性的影响。
    ( 4) 砂粒径范围对高性能混凝土流动度影响是很明显的，粒径范围在0．3～2．36，流动度最好; 砂粒径范围对高性能混凝土的强度是有一定影响，但强度波动范围不大。