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含粗骨料的超高性能混凝土的力学性能和耐久性能
Juan Yang 1, a, Gai-Fei Peng 1, b, *, Yu-Xin Gao 2, c, Hui Zhang 1, d
1 北京交通大学土木工程amp;建筑学院,北京,100044
2 成都中国建筑搅拌混凝土有限公司,四川,61000
a wechico@163.com, b gfpeng@bjtu.edu.cn,
c gao_h313@sina.com, d 10121228@bjtu.edu.cn
摘要：含粗骨料的超高性能混凝土（超高性能混凝土）由普通原料制备而成，新拌混凝土具有良好的施工性能，其坍落度为265mm，扩展度为673mm，抗压强度在养护56天时可达150Mpa，然而，在压缩载荷过程中发生的压裂方面表明超高性能混凝土具有高脆性。本研究表明，养护56天时劈裂抗拉强度和抗压强度之比约为1/18，抗折强度和抗压强度之比约为1/14,也与超高性能混凝土的脆性有关。新拌混凝土的矿物掺合料和流动性对超高性能混凝土的抗压强度影响显着。此外，超高性能混凝土具有优异的渗透耐久性能，但收缩率较大。UHCP的自收缩不到自由收缩的一半，其原因不明，需要进一步研究。
关键词：超高性能混凝土；粗骨料；强度；耐久性能；脆性
1 引 言
随着高层建筑和小断面构造构件的发展，超高性能混凝土由于其优良的性能（超高强度和超高耐久性）,在实际工程中得到了越来越多的研究和展望。通常情况下，超高性能混凝土作用可包括两种类型的活性粉末混凝土（RPC）和抗压强度100MPa、含粗骨料的混凝土[1]。在本研究中，研究重点是含粗骨料的超高性能混凝土。
近来，超高性能混凝土备受关注和研发[2-3]。在日本，59层住宅塔是第一个抗压强度约为150MPa的超高性能混凝土工程建筑 [4]。在中国，Pu X.C等人对超高性能混凝土进行了早期研发[5,6]。抗压强度约为150MPa的超高性能混凝土成功应用于广州国际金融中心建设[7]。然而, 抗压强度超过100MPa的超高性能混凝土在投入实际施工中仍需研发。此外，高温下超高性能混凝土可能因爆裂剥落而受到威胁。因此，为了在中国进一步推广应用超高性能混凝土，需要对超高性能混凝土力学性能进行研究，并将其作为提高超高性能混凝土抗火性能的研究的第一步。常规UHPC的制备存在原材料成本高，拌合物粘度大，搅拌困难，不宜泵送，高温蒸汽养护困难，常温养护收缩徐变大，生产UHPC需要较大的能耗、较高的投入等方面的缺点。而含粗骨料超高性能混凝土由于粗骨料的掺入，相对PRC材料成本低廉，成型、养护过程技术要求低、耗能小，具有更高的弹性模量和抗收缩开裂能力。直至今天，有关水泥基向更高强度发展的研究报道仍不断地出现，然而具有工程应用前景的并不多：有些因为价格太高，有些因为制备技术太复杂，而有些则在强度提高的同时某些性能指标下降。因此，研究发展面向实际工程应用的UHPC具有很大的工程应用价值及必要性，其中含粗骨料UHPC近些年来成为国内外研究热点。
本文对含粗骨料的超高性能混凝土进行了研究。研究了抗压强度、劈裂抗拉强度强度、抗折强度和静弹性模量等力学性能；超高性能混凝土韧性的相关参数，如劈裂抗拉强度强度与抗压强度的比值、抗折强度与抗压强度的比值。此外,还进行了耐久性试验, 包括渗水性测试、抗氯离子渗透测试和收缩试验。
2 研究内容
2.1 概述
超高性能混凝土由普通材料和常规工艺制备而成。采用石灰石作为粗骨料，其粒径范围为 5～10mm和10～20mm，计算质量比例为3:7，压碎指标为4.0%。采用人工砂作细骨料，其物理性能如表1所示。根据GB/T 18046-2008规定, 确定掺粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、粒化高炉矿渣粉(GGBS)等矿物外加剂的物理性质, 并与ASTM C311-07相符合。结果如表2所示。采用了聚羧酸高效减水剂和聚丙烯酸高效减水剂，并在表三中标为“SPC”和“SPA”。
表1 人工砂物理性质
|
细度 模数 |
表观密度 (Kg/m3) |
堆积密度 (Kg/m3) |
泥浆含量(%) |
黏土含量(%) |
MB值 |
石粉含量(%) |
|
2.2 |
2730 |
1590 |
4.6 |
0.5 |
0.5 |
4.6 |
表2 矿物外加剂性质
矿物指标 密度 比表面积 烧失量 抗压强度(MPa) 活性指数(%)
|
(Kg/m3) |
(cm2/g) (%) |
7d |
28d |
7d |
28d |
|
|
SF 2.09 |
251000 |
2.8 |
34.8 |
52.4 |
94 |
121 |
|
FA 2.48 |
7850 |
2.1 |
26.6 |
41.6 |
72 |
96 |
|
GGBS 2.90 |
7460 |
0.5 |
31.8 |
49.5 |
82 |
109 |
表3 高效减水剂的固化量和用量
|
聚羧酸盐 |
聚丙烯酸 |
||
|
高效减水剂种类 SPC-1 |
SPC-2 SPC-3 |
SPC-4 |
SPA |
|
固含量(%) 20 |
20 24 |
24 |
20 |
|
用量 (wt. %) 4 |
4 4 |
4 |
2 |
表4 超高性能混凝土的掺和比例(Kg/m3)
|
掺和料 |
种类 |
W/B |
矿物添加剂 |
沙 |
粗骨料 |
|||
|
C |
SF |
FA |
GGBS |
|||||
|
1 |
0.21超高性能混凝土-S |
0.21 |
810 |
90 |
0 |
0 |
620 |
930 |
|
2 |
0.22超高性能混凝土-S |
0.22 |
810 |
90 |
0 |
0 |
620 |
930 |
|
3 |
0.23超高性能混凝土-S |
0.23 |
810 |
90 |
0 |
0 |
620 |
930 |
|
4 |
0.24超高性能混凝土-S |
0.24 |
810 |
90 |
0 |
0 |
620 |
930 |
|
5 |
0.18超高性能混凝土-S-F |
0.18 |
630 |
90 |
180 |
0 |
620 |
930 |
|
6 |
0.18超高性能混凝土-S-F-G |
0.18 |
540 |
90 |
180 |
90 |
620 |
930 |
“SPC-1”分别表示0.21超高性能混凝土-S，0.22U HPC-S，0.23超高性能混凝土-S，0.24超高性能混凝土-S，0.18超高性能混凝土-S-F和0.18超高性能混凝土-S-F-G六种超高性能混凝土样品，其混合比例如表4所示。
混合后，测量其坍落度和扩展度以评估其和易性。浇筑后，每个样品用塑料薄膜覆盖并在室温下贮存24小时，然后脱模并在（20plusmn;2）℃的温度和相对湿度95％以上的标准养护室养护，直到进行测试。对所有类型的超高性能混凝土进行抗压强度测试，仅有0.22超高性能混凝土-S和0.18超高性能混凝土-S-F-G通过所有其他的力学性能测试和耐久性测试
2.2 力学性能测定
根据GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法的标准进行抗压强度，劈裂抗拉强度，抗折强度和静态弹性模量等力学性能测试。
制备边长为100mm的立方体用于
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