自密實鋼纖維超高強(qiáng)混凝土試驗

曾翠云1， 李慶來2， 陳 兵3

(1. 派麗徳高(上海)建材有限公司， 上海 200436； 2. 上海東浩蘭生國際服務(wù)貿(mào)易(集團(tuán))有限公司， 上海 200040；3. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240)

摘 要：測試了水膠比、減水劑摻量、鋼纖維用量、微硅粉及礦粉摻量對超高強(qiáng)混凝土流動性、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響，對比分析了各因素影響作用的大小。結(jié)果表明：在試驗范圍內(nèi)，水膠比、減水劑摻量及鋼纖維用量對混凝土流動度及強(qiáng)度均有顯著影響；在水膠比為0.20～0.22的情況下，摻入不低于2%的減水劑、不大于2.5%的鋼纖維、4%～6%的微硅粉、10～15%的礦粉可制備得到抗壓強(qiáng)度大于120MPa、抗折強(qiáng)度大于20 MPa的自密實超高強(qiáng)混凝土。

關(guān)鍵詞：鋼纖維； 超高強(qiáng)混凝土； 自密實特性； 抗壓強(qiáng)度

隨著建筑結(jié)構(gòu)對混凝土性能要求的提高與“節(jié)能施工”的需求，超高強(qiáng)混凝土(Ultra High Performance Concrete, UHPC)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛[1]。由于制備超高強(qiáng)混凝土?xí)r往往采用較低的水膠比，纖維的引入嚴(yán)重影響了超高強(qiáng)混凝土的流動性能。因此，制備具有自密實特性的纖維增韌混凝土是高強(qiáng)混凝土研究需要克服的技術(shù)難點之一[2]。

在建筑工程施工過程中，自密實混凝土可有效解決普通混凝土澆筑作業(yè)的嚴(yán)重噪聲、進(jìn)度緩慢及復(fù)雜結(jié)構(gòu)澆筑困難等問題。自密實混凝土(Self-Compacting Concrete)這一概念最早由日本學(xué)者于上世紀(jì)八十年代提出[3]。隨后，我國混凝土工作者便對其開展了大量研究工作，并取得了豐富的研究成果。國內(nèi)外學(xué)者研究并制備得到自密實纖維增韌高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土(抗壓強(qiáng)度為60～120 MPa)，認(rèn)為技術(shù)的難點主要在于低水膠比、高流動度、高強(qiáng)度及優(yōu)韌性等特性的融合[4, 5]。

與聚丙烯纖維相比，鋼纖維增韌制備的混凝土能大幅提高抗壓強(qiáng)度，且能使其抗沖擊能力提高數(shù)十倍，韌性顯著增加。微硅粉與礦渣微粉常用來分別改善高強(qiáng)混凝土的密實性和流動性。在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究以52.5級硅酸鹽水泥為基料，輔以鋼纖維、微硅粉、礦粉等材料制備抗壓強(qiáng)度≥120 MPa，抗折強(qiáng)度≥20 MPa的自密實超高強(qiáng)混凝土。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用膠凝材料包括水泥、微硅粉與礦渣微粉。水泥為江西銀杉白水泥有限公司生產(chǎn)的52.5級白色硅酸鹽水泥，比表面積為3730 cm2/g，化學(xué)組成如表1所示, 初凝時間為3.5 h，終凝時間為5.0 h，其標(biāo)準(zhǔn)需水量為130 ml，28 d抗壓強(qiáng)度為62.5 MPa。微硅粉采用挪威?？瞎旧a(chǎn)的灰白色硅粉，堆積密度為2.19 g/cm3，比表面積約為2×105 cm2/g，化學(xué)組成如表1所示。礦粉為水淬高爐礦渣粉，比表面積約為8800 cm2/g，其化學(xué)組成如表1所示。

表1 膠凝材料化學(xué)組成 %

材料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OSO3TiO2SLOI水泥21.604.134.5764.441.060.110.561.74——0.76硅粉92.400.800.500.910.27—————1.45礦粉32.629.924.2151.538.89——2.92—0.702.32

試驗用細(xì)骨料為由20～200目規(guī)格按不同級配組成的石英砂。試驗用聚羧酸高效減水劑的減水率為35%～40%，1 h無坍落度損失。試驗用消泡劑為聚醚類與脂肪烴按一定比例制備的復(fù)合消泡劑。試驗用鍍銅鋼纖維的長徑比為50(長為12 mm，直徑為0.24 mm)，彈性模量為200 GPa，抗拉強(qiáng)度為2.8 GPa。

1.2 試驗方法

各試驗配方如表2所示。分別研究水膠比(0.16，0.18，0.2，0.22)、減水劑摻量(1%，1.5%，2%，2.5%)、鋼纖維體積摻量(1.5%，2.5%，3.5%，5%)、硅粉占膠凝材料比重(3%，6%，9%，12%)及礦粉占膠凝材料比重(5%，10%，15%)對高強(qiáng)混凝土性能的影響。

表2 一立方超高強(qiáng)混凝土的各材料組成 kg/m3

編號膠凝材料水泥硅粉礦粉石英砂水減水劑鋼纖維消泡劑S192466110132017627.51951.1S292466110132019827.51951.1S392466110132022027.51951.1S492466110132024227.51951.1S592466110132024201951.1S6924661101320242111951.1S792466110132024216.51951.1S8924661101320242221951.1S992466110132024227.501.1S1092466110132024227.51171.1S1192466110132024227.51951.1S1292466110132024227.52731.1S1392466110132024227.53901.1S149900110132024227.51951.1S1595733110132024227.51951.1S1689199110132024227.51951.1S17858132110132024227.51951.1S181034660132024227.51951.1S199796655132024227.51951.1S2086966165132024227.51951.1

試件制備：將按既定比例稱量的膠凝材料、石英砂等粉狀固體倒入攪拌裝置，干拌2～3 min使其充分?jǐn)嚢杈鶆?，隨后將鋼纖維慢速、均勻地加入混合物，繼續(xù)攪拌3～4 min，依次加入水、減水劑及消泡劑快速攪拌4～5 min。而后，將攪拌均勻的拌合物倒入模具中，自流平成型。

將澆筑完成的模具置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，取出試件進(jìn)行抗壓及抗折強(qiáng)度測試。依據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》測試試件的抗壓及抗折強(qiáng)度，用于抗折試驗的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，用于抗壓試驗的試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。砂漿流動度依據(jù)GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進(jìn)行測定，測試方法為：將拌合物倒入截錐形試模(底內(nèi)徑為100 mm)，搗實、刮平表面后，向上輕提試模讓拌合物自流，靜止后測試流開面的直徑，如圖1所示。

圖1 拌合物流動度測試方法

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比

水膠比對高強(qiáng)混凝土拌合物流動度的影響如圖2a所示。由圖可以看出，隨水膠比的增加，拌合物流動度顯著增加，水膠比為0.22時，拌合物流動度為31.9 cm，較水膠比為0.16的拌合物流動度高出54.1%；當(dāng)水膠比低于0.16時，拌合物中的鋼纖維出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼纖維分布不均勻，進(jìn)而影響其力學(xué)性能；水膠比由0.16增加到0.18時，其流動性可滿足自密實特性(>25 cm)；水膠比為0.22時，拌合物流動性良好，鋼纖維在拌合物中的分布亦十分均勻。圖2b給出了水膠比對試件28 d抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，隨水膠比的增大，抗壓強(qiáng)度呈明顯的降低趨勢，水膠比為0.22的試件抗壓強(qiáng)度為128.3 MPa，較水膠比為0.16的試件強(qiáng)度低了9.3%，抗折強(qiáng)度相應(yīng)地降低了11.6%，同水膠比對流動度的改善程度相比，可以認(rèn)為，在水膠比0.16～0.22范圍內(nèi)，可優(yōu)先根據(jù)流動度確定試件的基準(zhǔn)用水量。

圖2 水膠比對流動度及強(qiáng)度的影響

2.2 減水劑摻量

不同摻量的減水劑對高強(qiáng)混凝土拌合流動度的影響如圖3a所示?？梢钥闯?，隨減水劑摻量的增加，拌合物流動度呈逐漸增加的趨勢；當(dāng)減水劑摻量為1%與2%時，拌合物流動度僅為18.2 cm與25.2 cm，而當(dāng)減水劑摻量增大至2.5%時，拌合物流動度出現(xiàn)大幅提高，可達(dá)31.9 cm，這可能是因為此摻量達(dá)到了使膠凝材料絮凝體內(nèi)部包裹水分被充分釋放的臨界減水劑用量。圖3b給出了減水劑對混凝土試樣28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的影響?？梢钥闯觯S減水劑摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)遞增的趨勢；當(dāng)減水劑摻量高于2%時，試件抗壓強(qiáng)度有較明顯的增加，這可能是因為隨拌合物流動性的增加，減少了硬化試件的內(nèi)部孔隙量，使硬化試件更加密實，從而提高試件強(qiáng)度；隨著拌合物具有自密實特性，繼續(xù)摻加減水劑對試件強(qiáng)度的影響較小。因此，制備自密實超高強(qiáng)鋼纖維混凝土?xí)r，減水劑摻量應(yīng)不低于2.0%。

圖3 減水劑對流動度及強(qiáng)度的影響

2.3 鋼纖維摻量

不同摻量的鋼纖維對高強(qiáng)混凝土拌合流動度的影響如圖4a所示。可以看出，隨鋼纖維摻量的增加，拌合流動度逐漸降低，其主要原因是鋼纖維在拌合物中容易形成縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大了拌合物漿體向四周擴(kuò)散的阻力，同時由于鋼纖維不具有流動性，包裹鋼纖維的漿體亦難以向四周擴(kuò)散；當(dāng)鋼纖維摻量小于2.5%時，拌合物流動度的降低幅度較小，當(dāng)其摻量大于2.5%時，拌合物流動度顯著降低，同時伴隨有一定程度的“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象。

圖4b給出了鋼纖維摻量對試件抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，隨鋼纖維摻量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均大幅提高；當(dāng)鋼纖維摻量小于2.5%時，抗壓強(qiáng)度較不摻鋼纖維的試件強(qiáng)度增加15.8%，增加速率明顯大于鋼纖維摻量大于2.5%的試件，究其原因，則是鋼纖維一定程度的“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象影響了試件內(nèi)部的均勻性與密實性；當(dāng)少量的鋼纖維摻入試件后，試件的抗折強(qiáng)度顯著提高，隨鋼纖維摻量的繼續(xù)增加，試件抗折強(qiáng)度基本呈線性增加；摻1.5%鋼纖維試件的抗壓與抗折強(qiáng)度比不摻鋼纖維的試件強(qiáng)度分別高出7.9%與81.7%，這表明，鋼纖維的引入顯著提高了高強(qiáng)混凝土的折壓比，即改善了混凝土的韌性。

圖4 鋼纖維對流動度及強(qiáng)度的影響

2.4 微硅粉及礦粉摻量

不同摻量的微硅粉及礦粉對拌合物流動度的影響如圖5a所示?？梢钥闯?，拌合物流動度分別隨硅粉摻量的增加而降低、隨礦粉摻量的增加而增加，這表明硅粉對拌合物流動性具有負(fù)面影響；微硅粉摻量大于6%時，拌合物流動度的降低幅度更大。圖5b給出了不同摻量的微硅粉及礦粉對試件抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，隨微硅粉摻量的增加，試件抗壓、抗折強(qiáng)度均有顯著提高；礦粉摻量對試件抗壓強(qiáng)度的影響較小，15%礦粉摻量試件抗壓強(qiáng)度僅比無礦粉試件強(qiáng)度高出2 MPa左右。綜合以上分析可知，微硅粉及礦粉的使用量應(yīng)分別以4%～6%及10%～15%為佳。

圖5 微硅粉及礦粉對流動度及強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

(1)水膠比、減水劑摻量、鋼纖維用量及微硅粉、礦粉摻量均可一定程度地影響高強(qiáng)混凝土拌合物流動度，其中水膠比、減水劑摻量及鋼纖維用量是拌合物流動度的決定性因素。水膠比為0.22、減水劑摻量為2.5%、鋼纖維(體積)用量為2.5%、微硅粉摻量為6%及礦粉摻量為10%的拌合物流動度可達(dá)31.9 cm，基本滿足自密實混凝土對流動度的要求。

(2)在試驗范圍內(nèi)，隨水膠比由0.16增大到0.22，混凝土抗壓及抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著降低；由于減水劑的加入可改善拌合物的均質(zhì)性及密實性，因此，混凝土抗壓及抗折強(qiáng)度亦隨減水劑摻量有小幅增加；混凝土強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增加而增加，與抗壓強(qiáng)度相比，鋼纖維對抗折強(qiáng)度的改善更為顯著，即提高了混凝土的折壓比，改善了混凝土韌性；微硅粉對混凝土強(qiáng)度有一定的提高作用，礦粉對強(qiáng)度的作用并不顯著。

(3)通過合理選材和配比優(yōu)化，可以得到抗壓強(qiáng)度大于120 MPa、抗折強(qiáng)度大于20 MPa的自密實超高強(qiáng)混凝土，基礎(chǔ)配方如下：水膠比0.2～0.22，減水劑不低于2%，鋼纖維摻量不大于2.5%，微硅粉摻量4%～6%，礦粉摻量10%～15%。

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Experiments on the Self-compacting Steel Fiber Reinforced UHPC

ZENG Cui-yun1, LI Qing-lai2, CHEN Bing3

(1. ParexDavco(Shanghai) Co Ltd, Shanghai 200436, China; 2. Shanghai East Best and Lansheng International Trade in Services(Group) Co Ltd, Shanghai 200040, China； 3. School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：The effects of the ratios of water to binder (w/c), superplasticizer contents, steel fiber contents and the addition of silica fume and superfine slag powder on the fluidity, compressive strength and flexural strength of UHPC were investigated. The experimental results indicate that the w/c, superplasticizer contents and steel fiber contents have significant influence on the fluidity and strength. A type of UHPC with compressive and flexural strength of over 120 MPa and 20 MPa can be obtained by adding 2% superplasticizer, 2.5% steel fiber, 4%～6% silica fume and 10%～15% superfine slag powder.

Key words：steel fiber; UHPC; self-compacting; compressive strength

收稿日期：2016-07-08

修回日期：2016-12-30

作者簡介：陳 兵(1973-)，男，安徽安慶人，教授，博士，研究方向為高性能水泥基復(fù)合材料性能(Email: hntchen@sjtu.edu.cn)

基金項目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目(15DZ1204500)

中圖分類號：TU

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-0985(2017)02-0029-04