高抗折强度路面混凝土脆性研究*

汪日灯 袁静波 王选仓

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司1) 广州 510230) (长安大学公路学院2) 西安 710064)

混凝土是一种多相复合而成的弹塑性材料,随着混凝土强度的提高,塑性下降,而脆性增强.当混凝土的拉应力无法承受荷载的竖向应力、水平冲击以及化学收缩、温度变形产生的拉应力时,混凝土将产生开裂,并出现裂缝[1].因此,高抗折强度和低脆性对路面混凝土来讲都是至关重要的.高抗折强度路面混凝土(HBSPC)是一种高技术混凝土,是为满足重载交通水泥混凝土路面的要求,在大幅度提高普通路面混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土,属于高强、高性能混凝土,其特点是“高抗折强度”、“高耐久性”和“优良工作性”[2].本文针对高抗折强度路面混凝土的脆性进行了系统研究.

1 HBSPC脆性破坏机理分析

高抗折强度路面混凝土的断裂特征与普通混凝土有所不同.普通混凝土断裂时,集料一般不断裂,断裂面是绕开集料的,从界面区断开.而高抗折强度路面混凝土则不然,其断裂面(见图1)上切断了相当部分的集料,使其断裂面的曲折度减小,真实断裂面积变小,断裂速度加快.

由高抗折强度路面混凝土和普通混凝土断裂面差异可见,普通混凝土由于砂浆基体和界面的强度较低,控制混凝土材料断裂的是界面和砂浆本身的强度,集料岩石的断裂特性对混凝土材料的断裂没什么影响.高抗折强度路面混凝土则不同,由于基体和界面的增强,集料岩石的断裂特性对混凝土材料的断裂力学行为有着举足轻重的影响.因为在混凝土中占总体积70%～80%的是粗集料,粗集料岩石的断裂特性在很大程度上决定着高抗折强度路面混凝土的断裂特性和脆性.

图1 HBSPC抗折试件断面

2 HBSPC脆性指标研究

高强混凝土的脆性反映在其抗拉强度并不能随抗压强度的提高而同步成比例地增大,其抗拉强度的提高率显著地低于抗压强度的提高率,拉压比随抗压强度的提高而降低.普通混凝土的拉压比为1/10～1/14,而高强混凝土的拉压比则为1/14～1/18[3].

混凝土的脆性目前尚无统一的衡量标准,工程界常用的指标有压折比(混凝土的抗压强度与抗折强度之比)和抗折弹模两种.混凝土的脆性系数即压折比,它反映混凝土的脆性即抗变形性能,脆性系数愈小,抗变形能力愈好,反之则愈差.本研究相应地对以上两种指标进行了测试和计算,试验分二批进行,混凝土的配合比见表1和表2.试验结果见表3、表4、图2和图3.

表1 第一批HBSPC配合比方案

表2 第二批HBSPC配合比方案

表3 HBSPC脆性指标计算结果

由表4可知,NC 7 d,28 d,90 d和180 d压折比由7.5到7.2,HBSPC的压折比平均比NC大,聚合物HBSPC比NC小,但 HBSPC 28 d抗压强度及抗折强度较NC有很大程度提高.

由表3可知,单掺高效减水剂HBSPC 7,28,90和180 d压折比分别为9.7,8.1,8.5和9.4,可见单掺高效减水剂HBSPC的早期脆性较大,这主要是由于试验所用的R型水泥抗压强度的早强效应大于抗折强度的早强效应,使混凝土的7 d抗压强度增长率(与28d相比)大于抗折强度的增长率,从而使混凝土的早期脆性增加.

由表3将不同类型HBSPC(A 2,B2,C2,D2)的试验结果进行对比分析可以发现,粉煤灰和矿渣HBSPC随着龄期的发展,其压折比低于单掺高效减水剂HBSPC,掺加粉煤灰和矿渣使HBSPC的脆性得到一定程度的改善.沸石粉 HBSPC的脆性系数随着龄期的发展逐渐增大,且28 d以后的压折比高于其它类型HBSPC,可见掺入沸石粉使混凝土的脆性增大.

由表4可知,硅粉HBSPC 7 d,28 d压折比低于单掺HBSPC;90 d,180 d压折比高于单掺HBSPC.说明掺加硅粉降低了 HBSPC早期脆性,硅粉ⅠHBSPC压折比随龄期降低的趋势不明显;硅粉ⅡHBSPC压折比随龄期有所提高,180 d压折比明显大于其他类型HBSPC.这一点与沸石粉HBSPC相近.

纤维网 HBSPC压折比随龄期发展变化不大,但其总体上比单掺HBSPC略低,说明纤维网改善了HBSPC结构,使其脆性降低.

表4 HBSPC脆性指标计算结果

图2 HBSPC压折比随龄期变化图

图3 HBSPC压折比随龄期变化图

由图3可知,聚合物HBSPC的脆性系数随龄期发展而降低的变化规律很明显.说明随着龄期的增长,聚合物在HBSPC的改性作用不断增强,使其脆性不断得到改善.

从抗折弹模看,单掺HBSPC的抗折弹模最小,硅粉II HBSPC的最大,这表明压折比与抗折弹模各自只能反映出HBSPC脆性的某些方面,并不能全面的反映混凝土的脆性.

由表4可知,HBSPC比普通水泥混凝土的抗折弹性模量高,这说明HBSPC在获得高抗折强度的同时脆性并没有大幅度增大.由此来看,HBSPC的脆性程度对路面工程来说是可以接受的.

3 HBSPC脆性主要影响因素和低脆性实现途径

3.1 脆性主要影响因素

脆性一般指材料破坏过程中的能量消耗值,是和韧性相对的指标.其实质是断裂临界点以前材料内部积累起来的最大弹性能快速地转化为主裂纹断裂表面能的能量转化过程.断裂表面能起着抵抗裂纹扩展,抑制材料断裂的作用,是材料脆性大小的一种量度,其取决于材料的组成、结构和显微结构的特性参数[4].因此,改善材料的脆性,应从提高材料的断裂表面能入手.由于原材料、施工工艺等方面的限制,混凝土内部存在大量的微裂缝及不均匀性,内部结构表现出极端的复杂性,因而改善混凝土的脆性也变得相对困难.从微观上讲,改善其内部结构,改善孔结构,降低孔隙率,改善水泥石与骨料过渡层的界面结构和性能,减少内部微裂缝,控制破坏时微裂缝的开裂和扩展等.从宏观上讲,混凝土的脆性可以从原材料、配合比、施工工艺,以及通过与金属材料或高分子材料的复合等途径来改善.

3.2 低脆性实现途径

1)从原材料、配合比及施工工艺入手 材料的宏观行为取决于材料的组成和内部结构,HBSPC的性能也决定于其组成和内部结构.硬化HBSPC由粗观、细观和微观三个不同尺度的内部结构,由水泥浆体、界面过渡区和集料三个重要环节组成.因此,改善HBSPC的脆性,可以从粗观、细观的角度来提高混凝土水泥浆体、界面过渡区和集料的性能(目前从微观角度来控制混凝土的宏观行为的研究成果相当有限).孔是混凝土微结构重要的组成之一,孔隙率及孔结构对HBSPC的宏观行为起着重要的影响作用.可通过宏观手段调节孔结构、孔隙率,从而在一定程度上控制混凝土的性能.界面过渡区是由集料表面向水泥石本体过渡的区域,是混凝土中相对比较薄弱的部位.由于界面过渡区的水灰比较大,Ca(OH)2的含量大,结晶颗粒大且晶体取向生长,在受荷载前就充满了微裂缝,因此过渡区的性质对混凝土的性能有着很大的影响.

不影响强度的微细孔隙率的增大可从一定程度上降低混凝土基体材料的脆性,合理选用胶凝材料、水灰比、施工工艺等来改善过渡层的性质,减少Ca(OH)2量,降低Ca(OH)2的取向生长,提高粘结力,减少微裂缝的数量.表面粗糙的集料可以降低Ca(OH)2的取向;细化粗集料粒径,选用高强低脆的最佳粗集料(7～8 mm)粒径,可以在相同原材料的情况下一定程度的降低混凝土的脆性;对于高抗折强度路面混凝土,选择不仅具有高强度且具有坚硬胶结物的非匀质集料如花岗岩,可增加塑性断裂能,进而大幅度降低脆性;活性矿物掺合料,如粉煤灰、矿渣、硅灰等,掺入后可以消耗界面处Ca(OH)2,并限制Ca(OH)2的取向,从而改善过渡层的性质,同时矿物掺合料的填充作用,还可以降低过渡层的孔隙率.高抗折强度路面混凝土的搅拌、摊铺和养护等施工工艺也能影响界面的结构和性质.有资料显示,先用部分水润湿的砂、石和水泥搅拌再加剩余水的裹石工艺,可以使界面过渡层的Ca(OH)2生成量不富集,结晶颗粒减少,取向性不再出现,孔隙率也大大减少.而硅灰裹石掺合混凝土可以大幅度提高混凝土抗折强度,降低混凝土脆性系数[5-6].

因此,可以通过原材料、配合比及施工工艺等改善HBSPC的孔结构,降低孔隙率,改善界面过渡层的性能,提高混凝土的密实度来降低HBSPC的脆性.

2)采用复合方法 改善混凝土脆性的另一种有效可行的途径是通过与金属材料或高分子材料的复合,如采用掺入纤维、三维配筋、钢管约束,聚合物改性等复合方式[7],其中适合于高抗折强度路面混凝土的主要是掺纤维和聚合物等复合方式.这些复合方式一般是通过提高裂缝启裂、扩展和聚合及失稳扩展的阻力,即阻裂强韧化的途径来实现混凝土的韧化.

其实,无论是套箍混凝土,各种网格混凝土,还是纤维增强混凝土,聚合物改性混凝土,对混凝土脆性的改善措施和方法在本质上都是一致的,即是对混凝土进行各种方式的复合.但是,这都只是单一材料对混凝土的复合,只能有限地改善混凝土的脆性,而两种或多种材料对混凝土的复合可以更加有效的改善混凝土的脆性.如采用不同性能和不同尺度的纤维混杂增强,能使其在混凝土的不同的结构层次和性能层次上充分发挥各种纤维的尺度和性能效应,达到逐级阻裂与强化的功能;同时,可以克服单一纤维性能的缺陷,如钢纤维的锈蚀,有机纤维的弹性模量低等方面的不足,使各种纤维增强性能进行叠加.又如,在纤维增强混凝土中加入粉煤灰、硅灰、矿渣等矿物掺合料或聚合物,可以增加纤维与混凝土基体的粘接力,从而进一步降低混凝土的脆性.

4 结 束 语

HBSPC的压折比平均比NC大,HBSPC的断裂特性和脆性在很大程度上由粗集料岩石的断裂特性决定.与单掺高效减水剂HBSPC相比较,沸石粉HBSPC和硅粉HBSPC的压折比随龄期发展提高最多,180 d硅粉HBSPC压折比最大;粉煤灰HBSPC和矿渣HBSPC的压折比随龄期发展有所降低;纤维网HBSPC和聚合物HBSPC改善了HBSPC结构,降低了其脆性,HBSPC在获得高抗折强度的同时脆性并没有大幅度增大.

通过原材料、配合比及施工工艺,如采用掺入纤维网、聚合物改性等方式来改善混凝土的内部结构,可以降低HBSPC的脆性,使用两种或多种材料复合时效果更佳.

[1]陈拴发,职雨风,李炜光,等.超早强修补水泥混凝土的低脆性能研究[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2001(3):57-61.

[2]尚志远,王选仓,汪日灯.高抗折强度路面混凝土抗折弹性模量研究[J].公路,2008(6):100-102.

[3]袁 玲,陈贤树,李化建.矿物掺合料对高强混凝土断裂脆性的影响[J].建材技术与应用,2001(4):3-5.

[4]刘建忠,李天艳.混凝土脆性的改善措施[J].福建建筑,2001(3):68-69.

[5]Zhou F P.Fracture properties of high strength concrete with varying silica fume content and aggregates[J].Cement and Concrete Research,1995(3):543-552.

[6]Kumar T A.Pavement quality concrete using blended cements[J].Indian Concrete Journal,2002(2):117-120.

[7]刘 刚.高强混凝土的断裂脆性及其增韧减脆措施试验研究[D].武汉:武汉大学材料系,2004.