混凝土的抗压强度最大(超高性能混凝土原材料优选及配合比设计研究)

Posted 2023-06-01

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混凝土的抗压强度最大(超高性能混凝土原材料优选及配合比设计研究)

樊占东刘元炜姚冬冬卢喆

中交三公局第一公路工程局有限公司吉林省交通科学研究所长安大学公路学院

摘要：根据超高性能混凝土材料特点，采用最紧密堆积理论，研究设计了超高性能混凝土配合比，通过抗压强度和抗折强度试验，对超高性能混凝土的原材料进行优选，并优化配合比设计，为制备综合性能优越的超高性能混凝土提供理论依据。结果表明，只掺加粒径<1 mm石英砂的UHPC的28 d抗压强度高于掺加河砂对照组的28 d抗压强度值。用粗集料、细集料和粗细集料取代河砂时，UHPC的28 d抗压强度无明显增加。

关键词：超高性能混凝土;原材料优选;配合比设计;抗压强度;抗折强度;

基金：国家重点研发计划:组合结构城市桥梁高效施工关键技术研究(2017YFC0703408);

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)是一种新型超高性能水泥基复合材料。与传统水泥混凝土相比，UHPC抗压强度高，韧性和抗断裂性能优异，使得结构物在超载或地震条件下具有更优异的结构可靠性。研究表明，可利用超细粒子的最紧密堆积理论，制备水胶比为0.14，抗压强度为236MPa的混凝土。Wang等采用水胶比0.16，胶凝材料总量为900kg/m3(50%水泥，10%硅灰，20%磨细矿粉，20%石灰石粉)，掺入减水剂和缓凝剂时，混凝土最大坍落度为268mm,90d抗压强度为175.8MPa,365d抗压强度为182.9MPa。邓宗才等剔除了硅灰，制备了超细水泥超高性能混凝土。当水胶比小于0.18，砂胶比为0.9左右，骨料为0.16～0.63mm粒径范围时，超高性能混凝土的抗压强度较高。由此可见，超高性能混凝土原材料的选择及配合比设计对于UHPC的性能具有至关重要的影响。

本文根据超高性能混凝土配合比设计理论(即紧密堆积理论)，设计超高性能混凝土配合比，通过抗压强度试验、抗折强度试验，测试配制超高性能混凝土的力学强度，对超高性能混凝土的原材料进行优选，并优化配合比设计，为制备综合性能优越的超高性能混凝土提供理论依据。

1 原材料

选用河北冀东水泥厂商生产的52.5硅酸盐水泥，技术指标见表1。

表1 普通硅酸盐水泥52.5的技术指标下载原图

粉煤灰采用河南巩义厂商生产的I级粉煤灰，满足GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》规范要求，其烧失量小于3%，粉煤灰的组成成分见表2。

表2 粉煤灰组成成分下载原图

硅灰采用河南巩义厂商生产的优质硅灰，硅灰的具体技术指标见表3。

表3 硅灰性能指标下载原图

石英砂由石家庄市灵寿县振铃矿产加工厂加工生产，具体技术指标见表4。河砂细度模数为2.4，具体筛分结果见表5，其主要技术指标见表6。

粗、细集料选用规格为5～10mm、0～5mm粗集料与细集料，粗集料具体筛分结果见表7，主要指标见表8，细集料具体筛分结果见表9，技术指标见表10。

表4 石英砂技术指标下载原图

表5 河砂筛分结果下载原图

表6 河砂主要技术指标下载原图

表7 粗集料筛分结果下载原图

表8 粗集料技术指标下载原图

表9 细集料筛分结果下载原图

表1 0 细集料技术指标下载原图

减水剂选择聚羧酸系高性能减水剂(HK-1)，基本指标见表11。

表1 1 聚羧酸系高性能减水剂技术指标下载原图

纤维为镀铜钢纤维，镀铜钢纤维技术指标见表12。

表1 2 镀铜钢纤维技术指标下载原图

2 试验方法

根据《JTG E30—2005》中水泥混凝土立方体抗压强度试验方法(T 0553—2005)，水泥混凝土抗弯拉强度试验方法(T 0558—2005)，进行混凝土的抗压强度与抗折强度试验。

3 结果与讨论

3.1 UHPC的抗压强度

为了考虑集料类型对UHPC抗压强度影响，选用石英砂取代河砂进行配合比设计(见表13)，粗集料(5 mm～10 mm)、细集料(0～5 mm)及粗、细集料取代河砂等方式的具体配合比设计见表14，表15和表16。

表1 3 石英砂取代河砂配合比设计/(kg/m3) 下载原图

表1 4 粗集料取代河砂配合比设计/(kg/m3) 下载原图

表1 5 细集料取代河砂配合比设计/(kg/m3) 下载原图

表1 6 粗、细集料取代河砂配合比设计/(kg/m3) 下载原图

不同级配及掺量变化的石英砂取代河砂后对UHPC3 d、7 d、28 d抗压强度的影响如图1所示。由图1可知，只考虑石英砂掺量时，随着粒径1～2 mm石英砂比例的增加，UHPC的3 d抗压强度呈现先减小后增加再缓慢减小的趋势;7 d抗压强度则先减小后逐渐增大。只掺加粒径<1mm石英砂的UHPC的3d抗压强度、7d抗压强度值均最大，均高于只掺加河砂的UHPC的3d抗压强度、7d抗压强度。这表明相较于河砂，只掺入粒径小于<1mm的石英砂，对UHPC的早期抗压强度的提升有利。

只考虑石英砂掺量时，随着粒径1～2mm石英砂比例的增加，UHPC的28d抗压强度呈现先减小后逐渐增大的趋势，但均小于只掺加<1mm石英砂的UHPC的28d抗压强度，只掺加粒径<1mm石英砂的UHPC的28d抗压强度最大，最大值为98MPa，高于掺加河砂对照组的UHPC的28d抗压强度值。UHPC的强度影响因素有集料的最大粒径、集料的表面形状和级配等，其中集料的最大粒径越大，集料表面的形状和级配越好，UHPC的抗压强度就越高，掺加石英砂后UHPC的28 d抗压强度比河砂对照组的抗压强度高，因为石英砂是由石英石经过加工破碎而成，是一种坚硬、耐磨的硅酸盐矿物，相对于河砂表面更光滑，颗粒形状比较规则，且无棱角，而河砂颗粒形状不规则，且本身存在一定的含泥量会影响强度发展。

图1 不同级配及掺量的石英砂取代河砂对UHPC抗压强度的影响下载原图

不同级配的粗集料取代河砂，对配制UHPC的3 d、7 d、28 d抗压强度的影响见图2。由图2可知，随着粗集料掺量的增加，UHPC的3d抗压强度值在45MPa～60MPa之间波动，呈现先上升后下降再缓慢上升的发展趋势，当河砂与粗集料掺配比例为9∶1时，UHPC的3d抗压强度达到峰值，为58MPa，高于掺入河砂对照组的UHPC的3d抗压强度;UHPC的7d抗压强度在55～75MPa之间波动，在粗集料与河砂掺配比例5∶5时达到峰值，73MPa，高于掺入河砂对照组的UHPC的7d抗压强度。分析认为掺入粗集料后UHPC的早期抗压强度存在高于河砂对照组抗压强度的情况，因为集料的最大粒径，集料的表面形状和级配对UHPC力学性能影响显著，而粗集料具有粒径大，表面形状好等特点，所以早期强度会出现高于河砂对照组强度的情况;当粗集料与河砂级配不佳时，粗集料粒径大伴随而来的孔隙大的问题，影响拌制UHPC的密实度，从而影响抗压强度。

UHPC的28d抗压强度呈现先下降后上升趋势，在粗集料与河砂掺配比例5∶5时达到峰值，为92MPa,28d抗压强度较不掺粗集料的河砂对照组无明显增加。分析认为掺入粗集料后，尽管粗集料粒径大，集料表面的形状和级配好，但由于粗集料粒径过大，导致水泥浆体之间的孔隙增大，达不到集料之间的最紧密堆积状态，从而影响UHPC后期抗压强度的发展。

图2 不同级配的粗集料取代河砂对UHPC抗压强度影响下载原图

细集料取代河砂，对配制UHPC的3d、7d、28d抗压强度的影响见图3。由图3可知，随着细集料掺量的增加，UHPC的3d、7d抗压强度呈现先增大后减小趋势，在河砂与细集料掺量比为7∶3时，UHPC的3d、7d抗压强度均达到最大值，其中3d抗压强度最大值为66MPa,7d抗压强度峰值为77 MPa，均高于只掺河砂对照组的抗压强度。根据河砂与细集料的筛分结果可以明显发现，河砂比细集料粒径小，在掺入细集料后，拌制的UHPC抗压强度与细集料的最大粒径、表面形状、级配等息息相关，而筛分后的细集料由于表面形状较好，粒径较河砂大，级配良好，故存在早期抗压强度比只掺入河砂对照组的抗压强度高的情况。

在不掺入细集料时UHPC的28d抗压强度达到90MPa，随着细集料的掺入，在河砂与细集料掺配比例7∶3时达到峰值，28d抗压强度峰值为88MPa，低于只掺河砂对照组的抗压强度，其原因可能与砂和胶凝浆体的连接性有关。

不同级配的粗细集料取代河砂后，对配制UHPC的3d、7d、28d抗压强度的影响见图4。由图4可知，随着粗细集料的复配掺入，UHPC的3d抗压强度在粗细集料掺配比例3∶7时达到峰值，为58MPa;7d抗压强度在粗细集料掺配比例5∶5时达到峰值72MPa;28d抗压强度在粗细集料掺配比例5∶5时达到峰值89MPa，但低于只掺细集料的UHPC的28d抗压强度对照组。掺入粗、细集料后，对UHPC的后期抗压强度会产生不利影响，因为粗集料粒径远比细集料粒径大，粗、细集料之间的空隙，远远大于细集料与细集料之间的空隙，导致拌制的UHPC的孔隙变大，容易产生集料嵌挤不密实的情况，达不到集料之间的最紧密堆积状态。

图3 不同级配的细集料取代河砂对UHPC抗压强度影响下载原图

图4 不同级配的粗细集料取代河砂对UHPC抗压强度影响下载原图

3.2 UHPC的抗折强度

集料类型对UHPC抗折强度影响见图5。分析图5可知，掺入石英砂后UHPC的28d抗折强度均低于只掺河砂对照组的28d抗折强度;其中掺加石英砂的测试组中，仅掺入粒径<1mm的石英砂的UHPC的28d抗折强度最大，随着粒径1～2mm石英砂比例的增加，UHPC的28d抗折强度呈现先减小后逐渐增大的趋势。当用部分粗集料取代河砂后，UHPC的28 d抗折强度呈现先减小后增大趋势，但均低于只掺入河砂对照组的抗折强度。用部分细集料取代河砂时，当河砂与细集料掺量比例为9∶1时，UHPC的28d抗折强度达到最大值，为12MPa，高于只掺河砂对照组的抗折强度;随着细集料取代河砂量继续增大，UHPC的28d抗折强度在9～11MPa之间波动，均低于只掺河砂对照组的28d抗折强度。当用不同比例的粗细集料全部取代河砂时，UHPC的28d抗折强度，明显低于只掺河砂对照组的抗折强度。

用不同类型的集料取代河砂后，试验仅有一组即河砂与细集料掺量比例为9:1时，UHPC的28d抗折强度高于只掺河砂对照组的28d抗折强度，所以本试验所考虑的集料种类，对UHPC的抗折强度提升几乎无正面作用。

图5 集料类型对UHPC抗折强度影响下载原图

4 结论

(1)只掺加粒径<1mm石英砂的UHPC的28d抗压强度最大，高于掺加河砂对照组的28d抗压强度值。用粗集料取代河砂时，UHPC的28d抗压强度较河砂对照组的抗压强度值无明显增加。用细集料、粗细集料分别取代河砂时，UHPC的28d抗压强度值均低于只掺河砂对照组的28d抗压强度。

(2)用不同类型的集料取代河砂后，对UHPC抗折强度的提升无明显作用。

参考文献

[1] Blais P Y,Couture M. Precast,prestressed pedestrian bridgeworld’s first reactive powder concrete structure. PCI J,1999; 44(55):60-71.

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[4] Larrard F D,Sedran T. Optimization of ultra-high-performance concrete by the use of a packing model. Cement Concrete Research,1994,24(6):997-1009.

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[6] 邓宗才，肖锐，申臣良．超细水泥活性粉末混凝土的配合比设计．建筑材料学报，2014,17,(4):659-665.

[7] 龙广成，王新友，肖瑞敏．矿物掺合料对C3A胶凝体系的填充效应研究．建筑材料学报，2002,(3):215-219.

[8] Yu R,Spiesz P,Brouwers H J H. Mix design and properties assessment of ultra-high performance fibre reinforced concrete(UHPFRC). Cement Concrete Resesrch,2014,56:29-39.

[9] 朱春银，张云升，高建明．超高性能混凝土的制备与物理力学性能研究．混凝土与水泥制品，2010(01):13-15.

[10] 郭军．碱激发超高性能混凝土(UHPC)的制备与性能研究．福州:福州大学，2017.

混凝土的抗压强度最大(超高性能混凝土原材料优选及配合比设计研究)

混凝土的抗压强度最大(超高性能混凝土原材料优选及配合比设计研究)

樊占东 刘元炜 姚冬冬 卢喆

中交三公局第一公路工程局有限公司 吉林省交通科学研究所 长安大学公路学院

1 原材料

2 试验方法

3 结果与讨论

3.1 UHPC的抗压强度

3.2 UHPC的抗折强度

4 结论

参考文献

樊占东刘元炜姚冬冬卢喆

中交三公局第一公路工程局有限公司吉林省交通科学研究所长安大学公路学院