饱和轻质含砂量对超高性能混凝土关键性能的影响外文翻译资料

 2021-12-31 22:46:28

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饱和轻质含砂量对超高性能混凝土关键性能的影响

孟维纳，卡迈勒·卡亚特

（美国密苏里科技大学土木、建筑与环境工程系，密苏里州罗拉市16街500号，邮编65409）

摘 要：在这项研究中，0至75％体积的河砂被等量的预饱和轻量级和（LWS）取代，以增强机械性能并减少超高性能混凝土（UHPC）的自收缩。LWS的使用被证明可以有效地减速并减少内部相对湿度的下降和UHPC的自收缩。等温量热法和热重分析结果表明，LWS的使用促进了水化28天后的水泥水化程度。 汞侵入量热法和扫描电子显微镜分析表明，使用LWS可以提高孔隙率，并且砂和水泥基质之间的界面性能可提高25％。LWS对河砂的最佳替代率为25％，压缩强度最高（91d时为168MPa），弯曲强度（28d时为24MPa），28天时自生收缩率限制在365ụm/ m。

关键词： 自收缩； 内部固化； 轻质沙子； 机械性能； 显微； 超高性能混凝土

1 介绍

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有优异力学性能和耐久性的新型水泥复合材料[1,2]。然而，低水胶比(w/b lt; 0.25)的UHPC可导致水泥水化程度较低，通常lt; 50%[3]。超高性能混凝土可能含有大量的未水化水泥颗粒，这些颗粒对力学性能的发展没有有效的贡献。低w/b也会导致显著的自收缩，导致UHPC开裂[4,5]。自干燥增加了孔隙流体中的毛细管张力，导致低w/b体系[6]自收缩。补充水分促进水化反应，减少自干燥。然而，由于UHPC的显著的高不透水性，有限的外部固化剂水可以穿透基体，维持水泥的水化[7]。对于低w/b 混凝土来说，内养护是一种很有前途的替代方法，可以补充水来固化水泥基材料[1,8-11]。

内部养护的好处已经被证明包括减少高性能混凝土的收缩[12,13]，增加抗压强度[8]，减少潜在裂缝[14]，增加耐久性[15]。Bentz等人[16]认为，与大的内固化剂相比，小的掺杂物在基体中可以更好的分散，在搅拌和凝固过程中可以更有效的储存水分，然后逐渐释放水分进行内固化。De la Varga和Gray-beal [1]认为，利用预饱和轻质骨料进行内部固化可显着降低水泥基复合材料的自收缩率。 然而，过去关于UHPC内部固化的文献表明，在使用超高吸收性聚合物或稻灰的情况下，机械性能与混凝土的自收缩之间相互平衡。Justs等人。[6]使用超吸收性聚合物作为内部固化剂，可以减少UHPC的自发收缩。然而，以往UHPC内部养护的文献表明，采用高吸水性聚合物或稻灰对混凝土的力学性能和自收缩性能有一定的影响。Justs等人[6]采用高吸水性聚合物作为室内固化剂，降低UHPC的自收缩率。然而，据报道，使用高吸水性聚合物可显著降低混凝土的工作性[17]和抗压强度[6]。Mechtcherine等人[18]将高吸水性聚合物应用于UHPC，在第7天(D)达到1100mu;m的高自收缩率，从而实现了完全的自收缩。但是，高吸水性聚合物的加入使混凝土的抗压强度从150 MPa降低到100 MPa以下，卓托夫斯基和科夫勒[15]认为，在内固化混凝土中存在过多的额外孔隙可能导致抗压强度的降低。稻壳灰也被证明是一种良好的内部固化剂和火山灰材料的UHPC[19，20]。Habeeband FayyDH[21]指出，细粒稻壳灰分提高了混凝土的抗压强度，但也增加了混凝土的自收缩。在低w/b(lt;0.36)[22]的水泥基材料体系中，预饱和轻集料的使用比超吸水性聚合物提供了更有效、更长的固化时间。然而，关于轻质砂(LWS)对UHPC内部固化性能的影响信息有限。有人担心轻质砂的相对大的颗粒尺寸可能对UHPC的机械性能产生不利影响。

在这项研究中，LWS首次作为内部固化剂用于制备UHPC，旨在减少自收缩和提高机械性能。系统地评估了LWS对UHPC材料性能影响的机理。研究了UWS含量在0~75％范围内河沙体积替代的UHPC混合物的水泥水化，内部相对湿度（IRH）演变，自收缩，压缩和弯曲性能以及微观结构的变化。

2 材料

2.1 原料

使用II型波特兰水泥，C级粉煤灰（FAC）和硅粉（SF），良好分级的河砂（NS），砖石砂（MS）和膨胀的shaleLWS来生产UHPC。这些材料的化学成分和物理特性列于表1中。

三种砂（NS，MS和LWS）的粒度分布如图1所示。根据ASTM C1 28 [23]，NS和MS的吸水值分别为0.1 4%和0.06permil;]。根据ASTM C1761 [23]，浸泡在水中24小时（h）后LWS的吸水值和使用离心法的LWS的相对解吸分别测定为17.6％和96.4％。72小时的吸水率也测量为18.4％。此外，Henkensiefken等人[14]报道，这种类型的LWS中96％的水在92％RH下损失，这意味着可以在高RH下从LWS tocement糊状物中有效地输送水用于内部固化。散装LWS的水分含量根据ASTM C128 [23]测量。通过从LWS的总需水量中减去LWS中的水含量来确定LWS中添加的剩余水量，以确保饱和表面干燥(SSD)条件。在将剩余量的水加入LWS后，将LWS用水均化，然后置于密封的塑料袋中24小时，然后进行配料，确保SSD条件[11,12]。

使用基于聚羧酸盐的高范围减水剂(HRWR)，其具有23％的固体质量含量和1.05的比重。 选择的HRWR增强了UHPC混合物的流动性保留和纤维分布[24]。 采用空气去训练混合物来减少UHPC中夹带的空气含量。 加入直径为0.2毫米，长度为13毫米的钢纤维。纤维的拉伸强度和弹性模量分别为1.9和203GPa。

2.2 混合设计

在本研究中，作者设计的一种UHPC混合物被用作参考混合物[25]。对于粘结剂，水泥、FAC和SF的掺量分别为55%、40%和5%.参比混合物中MS和NS的含量分别占总砂体积的30%和70%。按体积计算，胶砂比(b/s)为1：1.w/b固定在0.20，按质量计算。混合设计列于表2。HRWR的活性组分用量为1%，空气脱练剂用量为0.8%。在所研究的混合物中加入2%的钢纤维的体积分数。在ASTM C 1761中建立了一个理论模型来预测水泥浆体在水化过程中提供附加水以抵消自干燥和化学收缩的影响所需的内固化剂的用量[26]。内部固化剂引入的水逐渐释放，以维持相对较高的IRH，并确保水泥浆体中的毛细孔隙在最大水化程度下充满水。由于水化产物沉淀空间不足，水泥的水化反应终止[10,26]。所提出的模型已经应用于不同的混凝土，并证明了很好的效果[1,11]。根据ASTM C1608 [23]，在本研究中，参考混合物的化学收缩率确定为0.055克水/克水泥，LWS的饱和度测量为1.0。给定W / cm为0.20，根据模型，水泥的最大潜在水合程度被计算为0.50 [26]。因此，使用在ASTM C1761中推荐的模型，按体积计算用LWS替代的用于补偿化学收缩和保持混凝土的SSD状态在最大水合度下的NS的最小百分比为25％。

但是，Justs等人[6]声称用于测定内部固化剂含量的模型可能无法对UHPC进行适当的预测。因为使用该模型计算的内部固化剂的量不足以防止自干燥和补偿化学收缩[6]。原因可能是因为在模型中没有考虑为水合产物的沉淀提供额外空间的内部固化剂的孔。由内部固化剂引入的空间对于普通混凝土来说是非常重要的，但对于具有非常低的w / b和有限的沉淀空间的UHPC，额外的空间可以允许更高的水合度，这是不可忽视的。因此，可能需要更大量的内部固化剂。此外，内部固化水的行进距离在UHPC中限制为与非常低的w / b相关的低渗透率。可能需要仔细考虑内部固化剂的含量，以确保大部分糊状物在固化水的行进距离内。在这种情况下，对具有更高体积分数（z 25％）的LWS进行调查。 UHPC的内部固化是非常需要的。因此，本研究考虑了大范围的LWS /（NS LWS），从0％到75％，称为LWS含量。

3 实验方法

3.1 UHPC的混合、铸造和固化

使用19升Horbart混合器以四个步骤制备UHPC混合物：（1）以60rpm混合砂60秒（s）; （2）在60转/分钟下均匀干燥水泥质材料2分钟（分钟）; （3）加入90％的混合水和HRWR，以120rpm混合3分钟; （4）引入剩余的水和HRWR，并在120rpm下混合6分钟。鉴于自巩固性能，所有样品都在一个升降机中铸造而没有机械整合。样品立即用湿粗麻布和塑料片预制覆盖，1天后脱模，然后在石灰饱和水中室温下固化直至测试年龄。

3.2 水化热

使用等热传导量热计（Calmetrix I-CAL 8000）监测水合速率和程度，其被编程以将样品保持在20℃ 0.1℃的恒定温度下。将约75g新鲜混合物密封在塑料小瓶中并置于量热计中。

从UHPC混合完成后2 min开始，连续72h连续测量水化热，用粘结剂的质量对测定结果进行归一化处理。

3.3 内部相对湿度

测量尺寸为75times;75times;285mm的UHPC棱镜样品用于IRH测量。通过在模板中放置两个塑料管，在40mm的深度处，在每个UPC样品中产生两个孔，这是获得IRH的稳定和可重复读数的最佳深度[27]。在浇筑过程中，在每根管子上插入一根直径与管内径相同的橡胶棒。在最后的设置，橡皮筋被拆除，并使用旋转钻打破表面的底部的孔。然后，在孔内放置一个带有橡胶盖的校准湿度传感器，测量IRH，直到168 h。所有样品用多层铝带密封，并储存在23℃t 1 * C和50％ 3％RH的温度和湿度控制室中。

3.4 自收缩

根据ASTM C1 698 [23]测量自收缩率。收缩测量从最终设定开始和12小时开始，然后每天进行第一周和每周一次，直到28天。将样品浇铸在波纹塑料管中，并在浇铸后立即在23℃至1℃和50％t 1％RH的恒温环境室中储存。

3.5 UHPC的新拌混凝土和硬化特性

新鲜UHPC混合物的单位重量和微小坍落流动值分别根据ASTM C138和ASTM C230 / C230M [23]测量。根据EFNARC建议[28]，使用迷你V型漏斗测量流动时间。初始和最终凝固时间根据ASTM C403 [23]进行测试。根据ASTM C109 [23]，使用50-mm立方体评估1,7,28和91 d的抗压强度。28天的杨氏模量根据ASTM C469 [23]进行评估。使用棱镜样品评估弯曲性能，该样品在28天时根据ASTM C1609 [23]测量305times;76times;76mmin。每次测试准备三个样品重复。报告了平均结果。

3.6 材料表征

使用热分析仪（Netzsch STA 409 PC）进行热重（TG）分析以评估LWS对胶凝材料的水化动力学的影响。获得质量损失与温度曲线的关系以指示UHPC中存在的水合程度和相。对于每种混合物，将大约25times;25times;25mm的UHPC样品研磨成最大粒度为63mu;m的细粉末。 沙被包括在电力中，钢纤维被排除在外。 然后，将重约100mg的粉末样品在氮气气氛中以10℃/ min的加热速率加热至1000℃，连续测量试样的质量损失。对于每种混合物，测试来自三个不同样品的三种不同的功率样品，并报告它们的平均结果。此外，在分析中进行了对砂，砖石和轻质砂的TG试验并进行了考虑。

使用压汞孔隙率测定法（MIP）测定样品的总孔隙率和孔径分布。对于每种预处理的UHPC混合物，测试了大约5times;5times;5mm的三个样品。在MIP测试中，施加的低压和高压分别为0.28和414MPa; 接触角为1 40; 表面张力为480mN / m。对于TG和MIP评估，UHPC样品的水合反应在28天通过将样品浸泡在99.8％异丙醇中并在50℃下在烘箱中干燥24小时而终止，然后检查。

使用金刚石锯从完整的块状UHPC小心地切割小立方体样品用于扫描电子显微镜（SEM）分析。样品根据ASTM C1723制备。所有UHPC都浸渍有低粘度环氧树脂，以在样品制备过程中稳定微结构。 浸渍包括排空空气和其他气体，并用环氧树脂填充裂缝和孔隙，同时样品处于真空状态。通过切割，研磨和抛光样品进行浸渍。在检查之前，使用99.8％异丙醇冲洗样品，在50℃下烘箱干燥24小时，然后涂覆非常薄的金层用于传导。

4 实验结果

4.1 新拌混凝土的属性

表3总结了所研究的UHPC混合物的新鲜和硬化性质。所有研究的混合物似乎是自固结的并且稳定，具有不小于275mm的微坍落度值。随着LWS含量从0增加到75％，单位重量从2.5逐渐减少到2.3，这可归因于LWS的相对较低的单位重力，如表1所示。迷你坍落度值略有增加增加LWS，从275到290毫米。然而，当LWS含量从0增加到75％时，迷你V-漏斗流动时间从40秒显着减少到12秒，表明塑料粘度显着下降。随着LWS的增加，初始和最终凝固时间都逐渐增加。LWS75混合物的初始和最终凝固时间分别为8.2和16.2小时，而参比混合物为5.6和9.0小时。

4.2 机械性能

从表2可以看出，随着LWS含量从0增加到75％，1d的抗压强度从80MPa降低到60MPa。LWS的使用延缓了早期的力量发展。然而，LWS50混合物达到了最高的7-d压缩强度，比LWS00混合物高12％。LWS25获得了次高的7-d抗压强度，仅比LWS50低1MPa。在28天和91天，LWS25混合物达到最高抗压强度，比LWS00混合物的相应抗压强度大约22％。随着LWS含量从0增加到25％，28-d杨氏模量从52降至51 GPa。然而，当LWS含量从25％增加到75％时，杨氏模量从51 GPa显着下降到40 GPa。

图2显示了UHPC混合物的载荷 - 挠度关系，证明了延性行为。LWS25混合物的抗弯强度最大，为24兆帕，比

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资料编号：[2708]

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