改性材料及其摻量對超高性能混凝土力學性能的影響

唐咸遠,胡賢松,羅 杰,馬杰靈,周長紅

(桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院,廣西智慧交通重點實驗室,廣西 桂林 541010)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)性能優異,具有超高的抗壓強度、高韌性、優異的耐久性等,在土木工程中的應用前景廣闊[1-3]。UHPC常由水泥、硅灰、石英粉、砂土以及高效減水劑和鋼纖維配制而成,因受不同原材料因素影響,配方較為復雜,造價較高,在一定程度上限制了其推廣應用。

為降低UHPC的制備成本,可在混凝土中加入鋼渣微粉、碎石、再生骨料、特殊纖維等以制備經濟型UHPC[4-5]。王虹等[6]研究了鋼渣微粉的摻量對UHPC力學性能的影響,認為鋼渣微粉可作為膠凝材料制備超高性能混凝土;鄒敏等[7]從物理、化學特性和凝膠性能出發對鋼渣微粉進行了分析,認為當鋼渣微粉摻量適量時,水泥等基礎材料性能得到有效改善。黃政宇等[8]、沈楚琦等[9]、陳倩[10]研究發現,粗骨料摻量增大時,UHPC抗壓強度先增大后減小,摻入粗骨料在保證其力學性能的同時能減少膠凝材料的用量,從而降低成本。王雙飛等[11]研究不同水膠比對UHPC抗壓強度的影響,發現UHPC的抗壓強度隨著水膠比的增大呈現先增大后減小的趨勢;許有俊等[12]、Yang等[13]嘗試在原材料中加入特殊纖維制備UHPC,發現特殊纖維對抗壓強度的進一步提升有不利影響,但鋼纖維對混凝土的抗壓性能有積極的作用;吳琛等[14]通過控制鋼纖維摻量和減水劑類型來改善UHPC的基本性能。綜上所述,目前考慮單一因素對UHPC抗壓強度影響的研究較多,而對多種經濟性原材料的摻量對抗壓強度的影響的研究相對較少。

本文中選取鋼渣微粉、粗骨料、河砂、鋼纖維4種材料作為添加劑對UHPC進行改性,并分析每種材料的摻量對UHPC抗壓強度的影響,設計四因素三水平正交試驗優選不同改性材料的最佳摻量配方,在保證力學性能的同時降低制造成本;利用極差法分析每種材料的摻量對UHPC抗壓強度的影響;通過受壓破壞試驗分析UHPC的韌性和破壞形態。

1 材料與方法

1.1 試驗方法與儀器設備

參照《混凝土物理學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行試驗。

儀器設備:JSM-6390A型掃描電鏡(SEM,日本電子株式會社); 篩具(篩網孔徑分別為0.02、0.03、0.045、0.15、0.30、0.60、1.18、2.36、4.75、9.50、16.00、19.00 mm,紹興市上虞區宇鼎標準篩具廠); HJW-60型攪拌機(河北路建工程材料有限公司); STYE-2000C型全自動壓力試驗機(浙江土工儀器制造有限公司); Ut110Y型靜態應變采集儀(武漢優泰電子技術有限公司)。

1.2 原料分析

水泥(興安海螺水泥有限責任公司)為袋裝P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;硅灰中二氧化硅的質量分數>90%,水的質量分數(含水率)≤3%;鋼渣微粉中,鋼渣需先進行磁選,然后摻入質量分數為18%的II級粉煤灰,混合后進行細磨,鋼渣微粉的比表面積為620 m2/kg,所含游離氧化鈣的質量分數≤1%。水泥、鋼渣微粉和硅灰的篩分曲線如圖1所示。

圖1 水泥、鋼渣微粉和硅灰的篩分曲線

鋼渣微粉與硅灰SEM圖像如圖2所示。由圖可見,鋼渣微粉組分較雜亂,多呈條形聚集,空隙較大;硅灰顆粒表面光滑,附著的細微結晶顆粒堆積密實且孔隙較小;硅灰顆粒比鋼渣微粉的粒徑小,能有效地填充混凝土結構中的孔隙,從而提高混凝土強度。

(a)鋼渣微粉

河砂(廣西全州湘江)采用平均粒徑為0.4 mm的天然河砂;粗骨料采用粒徑為5～20 mm、級配良好的碎石,母巖強度為100～120 MPa。河砂和粗骨料的篩分曲線如圖3所示。

(a)河砂

鋼纖維為平直型鍍銅鋼纖維,長度為13 mm,直徑為0.22 mm,抗拉強度為2 500 MPa;粉狀高效減水劑的減水率>30%;拌合用水為自來水。

1.3 試件制作

抗壓強度測試采用邊長為100 mm的正方體試件,分析破壞形態測試用長方體試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm(長度×寬度×高度),均采用鋼模制作。

拌合時先將原材料加入攪拌機中干拌5 min,再加入水后攪拌8 min攪拌均勻,后加入模具中,置于平板振動器上振實并抹平表面。試件蓋上薄膜保持濕潤,在室內養護1 d后拆模,放入90 ℃高溫養護箱養護2 d,后進行標準養護至28 d。

1.4 正交試驗設計

參照文獻[15]制備對照組正方體試件L,水泥、硅灰、鋼渣微粉、河砂、水、減水劑的加入量(摻量,下文同)分別為900、475、175、950、312、46.8 kg/m3。在制備正方體試件L的基礎上進一步優化鋼渣微粉、河砂、粗骨料和鋼纖維的摻量,將摻入UHPC的鋼渣微粉、河砂、粗骨料的加入量和鋼纖維體積分數(摻量,下文同)設為4個因素A、B、C、D,每個因素的值各取3個水平,設計四因素三水平即L9(34)正交試驗方案。正交試驗方案設計如表1所示。正交試驗方案中各正方體試件所含的改性材料配方如表2所示。

表1 正交試驗方案設計

表2 正交試驗方案中各正方體試件所含的改性材料配方

2 結果與分析

2.1 養護齡期對抗壓強度的影響

不同齡期各正方體試件的抗壓強度及其比值如表3所示。由表可知,與齡期為3、7 d時相比,齡期為28 d時各正方體試件的抗壓強度均大于100 MPa,但較對照組L均有不同程度的下降;T4的抗壓強度最大,達到134.4 MPa,比對照組L的僅下降了7.6%;3 d的抗壓強度僅為28 d的68.5%～88.1%,7 d的抗壓強度僅為28 d的76.9%～93.6%,說明養護齡期為28 d時T4的抗壓性能最好。因為粗骨料會導致UHPC內部質地不均勻,并且粗骨料的強度低于UHPC的,所以摻入粗骨料會使UHPC的抗壓強度降低;另外,在高溫養護的作用下,正方體試件內水化反應加速使得混凝土呈現出早高強性。

表3 不同齡期各正方體試件的抗壓強度及其比值

2.2 抗壓強度的極差分析

利用極差法[16-17]分析實驗結果可知,改性材料摻量對正方體試件抗壓強度的平均值的影響如表4所示。由表可知,改性材料鋼渣微粉、河砂、粗骨料、鋼纖維摻量水平分別為1、2、3時,K1、K2、K3分別為對應水平的所有試件的抗壓強度的平均值的代號;隨著鋼渣微粉、粗骨料摻量的增大,UHPC的抗壓強度平均值先增大后再減小,K2最大,即鋼渣微粉、粗骨料摻量水平為2時試件的抗壓強度的平均值最大;隨著河砂摻量的增大,UHPC的抗壓強度平均值緩慢減小,K1最大,即河砂摻量水平為1時抗壓強度的平均值最大;隨著鋼纖維摻量的增大,UHPC的抗壓強度小幅增大,K3最大,即鋼纖維摻量水平為3時抗壓強度的平均值最大。綜上,改性材料的最優配方為A2B1C2D3,也就是說,當鋼渣微粉、河砂、粗骨料的加入量分別為210、855、640 kg/m3,鋼纖維的體積分數為1.5%時,即正交試驗方案中的試件T4抗壓強度最大。

表4 改性材料摻量對試件抗壓強度的平均值的影響

改性材料對試件抗壓強度平均值的極差的影響如表5所示。由表可知,抗壓強度平均值的最大值Kmax與最小值Kmin之差即為抗壓強度平均值的極差R,4種改性材料對應的極差R分別為7.60、7.57、7.77、0.84,表明粗骨料、鋼渣微粉、河砂對改性后的UHPC的抗壓強度的影響較大,鋼纖維對改性后的UHPC抗壓強度影響較小。

表5 改性材料摻量對試件抗壓強度平均值的極差的影響

2.3 改性材料對UHPC韌性的影響

改性前后UHPC的破壞形態和裂縫如圖4所示。由圖可見,當長方體試件兩端受壓時,試件在幾何中心最先開裂,幾何中心處為最大受力變形位置;試件L為瞬間崩裂,試件的幾何中心處混凝土結構部分為粉末狀顆粒,裂縫也布滿整個試件;試件T4的裂縫沿著斜向下和斜向上方向,試件不會瞬間炸裂且整體形態完整,這是因為鋼纖維在UHPC中均勻分布,為UHPC提供側向的約束力,當試件受壓破壞時,鋼纖維能牢牢拴住破碎的混凝土塊,增強了UHPC韌性。

(a)改性前,試件L

3 結論

選取鋼渣微粉、粗骨料、河砂、鋼纖維4種材料作為添加劑對UHPC進行改性,設計四因素三水平正交試驗優選不同原材料的最佳摻量,在保證力學性能的同時降低制造成本,利用極差法分析每種材料的摻量對UHPC抗壓強度的影響,并通過試驗分析UHPC的破壞形態。結論如下:

1)當鋼渣微粉的加入量分別為193、210、228 kg/m3時,隨著鋼渣微粉摻量的增大,UHPC的抗壓強度先增大后再減小;當河砂的加入量分別為855、1 045、1 140 kg/m3時,隨著河砂摻量的增大,UHPC的抗壓強度緩慢減小;當粗骨料的加入量分別為320、640、1 280 kg/m3時,隨著粗骨料摻量的增大,UHPC的抗壓強度先增大后再減小; 鋼纖維的體積分數分別為1.5%、2.0%、2.5%時,隨著鋼纖維摻量的增大抗壓強度小幅增大。鋼渣微粉、河砂、粗骨料和鋼纖維的極差值分別為7.60、7.57、7.77、0.84,表明粗骨料、鋼渣微粉、河砂對UHPC的抗壓強度的影響較大,鋼纖維對UHPC抗壓強度影響較小。

2)當鋼渣微粉、河砂、粗骨料的加入量分別為210、855、640 kg/m3,鋼纖維的體積分數為1.5%,養護齡期為28 d時,經改性的UHPC抗壓強度最大,為134.4 MPa。

3)改性后的UHPC受壓破壞時不會瞬間炸裂,整體形態完整,鋼纖維在UHPC中為混凝土提供了側向的約束力。

4)鋼渣微粉和粗骨料的添加降低了改性后的UHPC制造成本,且經優化4種改性材料的摻量后UHPC的抗壓強度降幅較小,但韌性增強,力學性能得到了保障。

利益沖突聲明(Conflict of Interests)

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(Author’s Contributions)

唐咸遠進行了原材料購買、實驗設計與指導、論文修改,胡賢松進行了試件制作與力學性能實驗、論文寫作以及論文格式編輯,羅杰、馬杰靈和周長紅進行了實驗數據分析、實驗結果可視化。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The purchase of raw materials,experimental design and guidance,and manuscript revision,were carried out by TANG Xianyuan.The specimen fabrication and mechanical property experiments,manuscript writing,and manuscript format editing,were carried out by HU Xiansong.The analysis of the experimental data,and the visualisation of the experimental results were carried out by Luo Jie,Ma Jieling and Zhou Changhong.All authors have read the last version of paper and consented for submission.