硅粉掺量对混凝土抗拉强度影响的试验研究

温和哲，丁 琳，王 丹

（1.黑龙江省交通科学研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080；3.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨 150001）

0 引言

混凝土的抗拉强度是混凝土的重要力学性能指标之一［1－2］，高性能混凝土对混凝土的抗拉强度提出了更高的要求［3－4］，国内外许多学者正在积极研究高性能混凝土的各种耐久性指标［5－6］，但是对硅粉掺量与混凝土抗拉强度之间的关系研究较少，本文依据科学实验，研究了硅粉掺量对混凝土抗拉强度的影响。

混凝土的抗拉强度测定用轴向拉伸试验，但是由于荷载轴线与试件轴线不一致而产生偏拉，而且夹具处经常产生应力集中从而发生局部破坏［7］，因此拉伸试验测试非常困难，测试值的误差也较大，故国内外通常采用劈裂试验法，间接测定混凝土的抗拉强度［8］，即混凝土的劈裂抗拉强度。劈裂法不但简单且精确度很高［9］。本文试件为直径150mm，高300mm的圆柱体，应用劈裂法求得混凝土的抗拉强度值。劈裂法获得的混凝土抗拉强度计算公式如下：

式中fts为混凝土的劈裂抗拉强度（MPa）；F为混凝土试件的破坏荷载（N）；d为混凝土圆柱体直径（mm）；l为混凝土圆柱体高（mm）。

混凝土抗拉强度测定的另一种方法是通过混凝土的抗弯拉强度试验［10］，亦称混凝土抗折强度试验［11］。本文选用尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，应用混凝土的抗弯拉强度试验，支座的跨度400mm。抗弯拉强度计算公式如下：

式中ff为混凝土的抗弯拉强度（MPa）；F为混凝土试件的破坏荷载（N）；l为试验机的支座间跨度（mm）；h为混凝土试件截面高度（mm）；b为混凝土试件截面宽度（mm）。

1 研究采用的试验方案

按《普通混凝土力学性能试验方法》（GB／T 50081—2002）的规定进行相关试验，每组为同条件制作和养护的试件6个。混凝土成分之间的比例关系是，水泥∶细骨料∶粗骨料＝1∶1.25∶2.2。水胶比设计值分别为0.26、0.30、0.34、0.38和0.42。减水剂占水泥与硅粉总质量的3.0%。各种成分的具体质量见表1。

2 试验数据分析

混凝土的劈裂抗拉强度随硅粉掺量的变化见图1。由图1可见，加入硅粉可显著提高混凝土的劈裂抗拉强度，但是当硅粉掺量＞15%时，继续增加硅粉掺量对混凝土劈裂抗拉强度影响不大，加入硅粉掺量＞20%～25%，则混凝土的劈裂抗拉强度开始下降。水胶比为0.26～0.42，硅粉掺量为0%～20%，将混凝土劈裂抗拉强度试验值的平均值进行拟合，得到式（3）。按式（3）计算值与试验值比较见图2。

式中ftsf为混凝土的劈裂抗拉强度（MPa）；ft为无硅粉掺量的混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；SF为硅粉占水泥和硅粉总量之和的百分比。

表1 混凝土原材料的组分Table 1 Mix proportions of concrete

图1 不同水灰比混凝土试件的劈裂抗拉强度曲线Fig.1 various W ∕C with split tensile strength

图2 劈裂抗拉强度试验与公式计算结果拟合Fig.2 Comparison between experimental result and predicted result of split tensile strength

混凝土的抗弯抗拉强度随硅粉掺量的变化，见图3。由图3可见，硅粉可显著提高混凝土的抗弯抗拉强度，但过高掺量的硅粉会使混凝土抗弯抗拉强度下降。混凝土的抗弯抗拉强度的峰值点随着水胶比的增加而延后，即当水胶比越大，硅粉混凝土抗弯抗拉强度的峰值点处硅粉掺量越多。水胶比为0.26～0.42时，硅粉掺量为0%～15%时，将混凝土抗弯抗拉强度的试验平均值进行了拟合，见式（4）。公式计算结果与试验得到结果比较见图4。

式中fmst为混凝土的抗弯抗拉强度（MPa）；fmt为无硅粉的混凝土抗弯抗拉强度（MPa）；其它同上。

图3 不同水灰比的抗弯抗拉强度与硅粉掺量的关系Fig.3 Flexural tensile strength with silica content in various W ∕C

3 结论

图4 混凝土的抗弯抗拉强度试验值与公式计算值的拟合Fig.4 Comparison between experimental and predicted values of flexural tensile strength

本文依据不同水灰比及不同硅粉掺量的室内试验，取得了大量的混凝土抗拉强度数据，通过对数据进行数学分析及公式耦合，提出了硅粉掺入可显著提高混凝土的劈裂抗拉强度，但是加入硅粉太多时（＞20%～25%），则使混凝土劈裂抗拉强度下降。水胶比在0.26～0.42时混凝土中最优硅粉掺量为15%。

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