1、超高性能砼的级配效应研究摘要：超高性能混凝土(UHPC)由于具有超高强度和优异的耐久性，已成为水泥基复合材料发展的重要方向。本文主要通过矿物微粉的级配效应对抗压强度和的干缩率影响来研究了超高性能砼的级配效应。 关键词：超高性能；砼；级配效应 中图分类号： TU37 文献标识码： A 1 引言 超高性能混凝土(UHPC)由于具有超高强度和优异的耐久性，已成为水泥基复合材料发展的重要方向。但是，混凝土作为脆性材料，其抗拉性能低仍是工程中一个难题。如何进一步提高超高性能混凝土的抗压强度和抗拉强度，并增强其韧性，一直是混凝土研究工作者的目标。 自 1824 年波特兰水泥问世以来，以水泥为主要胶结材料的
2、混凝土，以其抗压强度高、耐久性好、价格低廉等一系列优点，已发展成为用量最多、使用范围最广的建筑材料，已被广泛应用于建筑、桥梁、隧道、水港码头、道路等各个领域，已成为土木工程中一种不可替代的材料。科学技术及土木工程自身的不断发展，一些高层大跨、有特殊功能要求的重要建筑的不断出现，如高层建筑物、大跨或超大跨径的桥梁等，要求混凝土必须朝着有更高的强度、更好的耐久性、更优的可靠性方向发展，这些需求促成了高性能混凝土乃至超高性能混凝土的出现与发展。 随着高性能混凝土和超高性能混凝土的出现及应用，并伴随着活性矿物掺合料和高效减水剂的广泛应用，以及相关技术的不断成熟，满足了制备高性能混凝土对原材料和工艺的苛
3、刻要求。自上世纪八十年代末以来，人们对高性能混凝土的认识逐渐清晰，高性能混凝土的研究与应用不断被提高到新的水平，并在工程实践中越来越广泛地应用。 目前，超高性能混凝土已成为水泥基复合材料发展的重要方向。超高性能混凝土基本是由 lmm 粒径以下的胶凝基质(水泥和矿物细掺料)组成的，具有超高强度和优异的耐久性。另外，混凝土作为脆性材料，其抗拉性能低仍是工程中的一个难题。虽然研制的高性能和超高性能混凝土，能大幅地提升混凝土的抗压强度，但是对其抗拉性能却几乎没有什么提高。 与传统混凝土不同，超高性能混凝土是通过低水胶比获得的，因此设计配合比时必须在保持混凝土拌和物具有足够和易性的前提下尽量减小用水量。
4、高效减水剂和活性矿物细掺料的复合掺入，能有效解决超高性能混凝土低用水量与和易性之间的矛盾。混凝土拌和物中的水可以分为两个部分:一是填充水，它填充于颗粒的空隙中，并不影响混凝土的流动性;二是表层水，它在颗粒的表面形成一层水膜，用于实现拌和物的和易性。高效减水剂主要减少颗粒表层吸附的水量，与填充水无关，而矿物细掺料的粒径通常比水泥小，可填充在水泥颗粒间隙中，置换出填充水，从而改善拌合物的和易性。此外，由于矿物细掺料的粒径小于水泥颗粒粒径，所以掺入矿物细掺料后能置换一部分水泥，填充在水泥及其水化产物的微小空隙里，提高水泥石的密实度，从而提高混凝土的强度及其它性能。目前，针对于超高性能混凝土材料中水泥
5、粒径区以下矿物微粉与水泥的颗粒级配研究及其指导配合比设计的工作却少有报道。 2 矿物微粉的级配效应对抗压强度的影响 强度是硬化浆体和混凝土的一个重要性质。混凝土的其它许多性质，诸如弹性模量、抗渗性能等均直接与强度有关。在试验中，保持水胶比W/B= 0.22 不变，高效减水剂的掺量为胶凝材料的 2.0，矿物微粉的质量掺量从 0 增加到 40%，以 10%为单位，成型净浆试件，分别测定净浆 3d, 7d 和 28d 的抗压强度。 2.1 矿物微粉的掺量对硬化浆体抗压强度的影响 在水胶比相同的情况下，各个掺量的矿物微粉水泥浆体的强度均随着龄期的增加而增长。 2.1.1 磨细矿渣（GGBS） GGBS
6、 体系中，在 3d 龄期时，GGBS 各个掺量的浆体抗压强度都比纯水泥净浆的强度要低，并且随着掺量的增加，强度逐步降低。而在 7d 和28d 龄期时，10%掺量 GGBS 浆体抗压强度略高于水泥净浆强度，当掺量超过 10%后，浆体强度又逐步减小。由于 GGBS 粒径与水泥相当，掺入水泥中，并不会提高颗粒体系的堆积密实度，因此其对强度的密实填充效应不明显，从试验结果也可看出，与纯水泥浆体相比，掺入 GGBS 浆体的抗压强度基本没有什么提高。 2.1.2 粉煤灰(FAI 和 UFA) FAI 体系中，在 3d 龄期时，lOFAI 掺量的浆体抗压强度比纯水泥净浆的强度略高些，超过该掺量后，浆体抗压强
7、度显著降低。在 7d 龄期时，各个 FAI 掺量浆体抗压强度逐步减小，下降的幅度明显比 3d 要慢。而在28d 龄期时，随着 FAI 掺量的增加，浆体抗压强度缓慢的增加，当掺量为30%时，强度达到最高，超过该掺量后，浆体抗压强度显著下降。 UFA 体系中，在 3d 龄期时，与 FAI 体系相似，l0%UFA 掺量的浆体抗压强度比纯水泥净浆的强度略高些，超过该掺量后，浆体强度降低，但下降的幅度没有 FAI 体系大。在 7d 龄期时，在掺量小于 30%时，浆体抗压强度基本接近基准水泥净浆强度，超过 30%掺量后，浆体强度显著下降。而在 28d 龄期时，随着 UFA 掺量的增加，浆体强度逐步增加，当
8、掺量为30%时，浆体强度达到最高，但超过该掺量后，浆体强度显著下降。 体系的堆积密实度随 FAI 和 UFA 掺量的增加而逐渐增长，当 FAI 和UFA 质量掺量为 40%时堆积密实度达到最大。当粉煤灰颗粒以较合适的掺量掺入水泥中，并且经历足够长的龄期后，除了矿物微粉贡献的活性效应外，其对强度的密实填充效应也补偿了因水泥用量减少而产生的强度下降，这说明较小粒径的粉煤灰颗粒具有良好的密实填充效应，能提高水泥基材料的抗压强度。 2.1.3 硅灰(SF) SF 体系中，在 3d 龄期时，l0%SF 掺量的浆体抗压强度比纯水泥净浆的强度略高些，并且超过该掺量后，浆体强度没有显著降低，当掺量超过 30%
9、时，强度显著下降。在 7d 龄期时，在掺量小于 30%时，浆体抗压强度基本接近基准水泥净浆强度，超过 30%掺量后，浆体强度显著下降。而在 28d 龄期时，随着 SF 掺量的增加，浆体抗压强度增大，当掺量为 20%时，浆体强度达到最高，超过该掺量后，浆体强度逐渐下降。 从以上试验结果可看出，掺 SF 浆体的 28d 抗压强度变化趋势与 CPM模型计算的堆积密实度变化结果有很好的相关性，颗粒体系的堆积密实度在 SF 掺量为 20%时达到最大，而在同样掺量下，SF 浆体的抗压强度达到最大，这说明 SF 的掺入，除活性效应外，对水泥浆体强度也具有很好的密实填充效应。 因此，颗粒级配与水泥硬化浆体的抗
10、压强度有着密切的关系。浆体的颗粒级配越好，其堆积密实度越高，相应的抗压强度越高。 2.2 矿物微粉的细度对抗压强度的影响 随着龄期的增长，20%掺量矿物微粉的水泥浆体的抗压强度都持续增加。在 3d, 7d 龄期时，粒径比(微粉颗粒与水泥颗粒)最小的 SF 浆体抗压强度最大，其次是 UFA 和 GGBS，FAI 浆体的抗压强度最小。而在 28d龄期时，FAI 浆体的抗压强度超过了 GGBS 浆体，这是因为矿渣有利于提高硬化浆体的早期强度，而粉煤灰的活性效应要到后期才能充分发挥。从 28d 抗压强度看，浆体的抗压强度是随着矿物微粉粒度的减小而提高，这说明在一定掺量下，颗粒体系级配的改善，有利于提高
11、浆体的抗压强度。 当矿物微粉为 40%掺量时，与 20%掺量不同，抗压强度并没有随粒度减小而提高，在 28d 龄期时，抗压强度反而随着粒度的减小而下降。这说明当矿物微粉超过一定的掺量后，密实填充效应不再是对强度提高的主要因素，具体原因有待进一步的研究。因此，在一定掺量下，浆体的28 天抗压强度随矿物微粉粒度的减少而提高。 3 矿物微粉的级配效应对干缩率的影响 保持水胶比 W/B = 0.22 不变，高效减水剂的掺量为胶凝材料的2.0，矿物微粉的质量掺量从 0 增加到 30%，以 15%为单位，成型净浆试件，分别测定净浆 1d, 3d 和 7d 的干缩率。 3.1 矿物微粉的掺量对干缩率的影响
12、在 GGBS、FAI 和 UFA 体系中，掺矿物微粉水泥浆体各个龄期的干缩率都随着掺量的增加而减小。当掺量为 30%时，与纯水泥浆体相比，GGBS浆体 1d，3d 和 7d 的干缩率分别减小了 25%，23%和 6%，FAI 浆体的干缩率分别减小了 59%、28%和 7%，UFA 浆体 1d、3d 和 7d 的干缩率分别减小了 106%、43%和 26%。 水泥硬化浆体的干燥收缩是由于胶结料中的 CSH 凝胶在环境中逐渐失水干燥而引起的。矿渣和粉煤灰掺入到水泥中减少了浆体中的填充水量，增加了自由水量，会补偿浆体内部凝胶因干燥而产生的失水量，因此会减少硬化浆体的干缩率。 SF 体系中，在 1d
13、和 3d 龄期时，各个掺量硬化浆体的干缩率与基准水泥净浆基本接近。在 7d 龄期时，浆体干缩率随着掺量的增加而增大，当掺量为 30%时，与纯水泥浆体相比，SF 浆体 7d 的干缩率增加 30。这是因为硅灰粒径太小，比表面积大，具有较高的需水量，因此掺入水泥浆体后会消耗自由水量，从而导致干缩增大。 上述表明，颗粒级配与水泥硬化浆体的收缩率有着一定的关系。当矿物微粉粒径大小在一定范围内时，硬化浆体的干缩率与固体颗粒体系的堆积密实度存在一定的相关性。随着固体颗粒体系堆积密实度的提高，级配越好，硬化浆体的干缩率有不同程度的减小。但当颗粒粒径太小时，掺入水泥浆体后会大量消耗自由水量，反而会增加硬化浆体的
14、干缩率。 3.2 水胶比对干缩率的影响 由试验结果可知，硬化浆体的干缩率均随着水胶比的增加而增加，随着龄期的增加而增加。纯水泥净浆干缩率随水灰比的增大有一定幅度的增长，但幅度不是很大，当水灰比从 0.35 降至 0.22 时，1d, 3d 和 7d的干缩率分别降低了 80%、56%和 42%。 不同于水泥净浆，掺 30%UFA 浆体干缩率随水胶比的增大有较大幅度的增长，尤其是在水胶比较大的时候。当水灰比从 0.35 降至 0.22 时，1d, 3d 和 7d 的干缩率分别降低了 219% 306%和 318%。 掺 30%SF 浆体和掺 15% UFA+15%SF 浆体的干缩率变化趋势与掺 U
15、FA浆体的基本一致。当水胶比从 0.35 降至 0.22 时，掺 30 %SF 浆体 1d, 3d和 7d 的干缩率分别减小了 55%、126%和 148%；掺 15%UFA+15%SF 浆体的干缩率分别减小了 320%、351%和 450%。 以上试验表明，水胶比的变化对复合掺入矿物微粉的水泥硬化浆体的干缩率影响较大，随着水胶比的增大，硬化浆体的干缩率显著增长。 参考文献： 1姚燕,王玲,田培.高性能混凝土M.北京:化学工业出版社,2006, 2李丽娟.100MPa 超高强高性能混凝土的性能研究J.混凝土,2007,25(7) 3吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土M.北京:中国铁道出版社,2004
