高性能混凝土配合比及力学性能研究*

刘源 李大来

福州理工学院 福建 福州 350506

引言

高性能混凝土为二十世纪九十年代欧美发达国家提出，以混凝土抗渗性、体积稳定性为主要特征的新型混凝土设计理念[1]。高性能混凝土相较于普通混凝土在耐久性、工作性、适用性、体积稳定性、强度等均有所改善，因此在各种建筑工程中广泛使用。

普通混凝土主要以抗压强度和坍落度为设计依据，而高性能混凝土以耐久性为设计指标，同时具有良好的力学性能与和易性[2]。混凝土耐久性主要受内部孔隙影响，多项研究表明，混凝土内部贯通的大孔隙会降低混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等。可通过调整配比、添加外掺剂等方法改善混凝土内部孔隙分布情况。粉煤灰、矿渣等外掺剂在混凝土硬化过程中，可以作为胶凝材料降低水胶比，使得胶凝材料占比例增大，硬化后大孔隙数量减少，混凝土耐久性增强。粉煤灰、矿渣也可替代水泥降低水化热，改善混凝土体积稳定性。同时，多项研究表明，钢纤维的掺入，可以使混凝土的力学性能得到有效提高。因此高性能混凝土常用粉煤灰、矿渣、钢纤维等外掺剂提高耐久性、力学性能与及和易性

本文分别对普通混凝土（C）、掺钢纤维混凝土（CF）、矿渣混凝土（SC）、掺钢纤维矿渣混凝土（SCF）进行立方体抗压试验，劈裂抗拉试验，对不同配比下的矿渣混凝土力学性能进行研究。

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1 水泥：

1.1.2 矿渣粉：

S95级矿渣粉，比表面积400m2/kg。

1.1.3 粗骨料：粒径5～16mm的碎石颗粒。

1.1.4 细骨料：河沙。

1.1.5 减水剂：高效聚羧酸减水剂，最大减水率可达40%。高效减水剂的掺用量通常为水泥质量的0.5%～1.5%。本试验采用1%的掺用量，即每立方米减水剂用量为4.28 kg。

1.1.6 钢纤维：贝卡尔特端弯型钢纤维，纤维类型为端弯型，抗拉强度1345Mpa，弹性模量220GPa，长度 35mm。

最终确定各材料用量，水灰比为0.38，配比如表1。

表1 混凝土试验配比表（kg/m3）

试验按照配比不同分为四组，编号为C、CF、SC、SCF，依次对应普通混凝土、掺钢纤维混凝土、矿渣混凝土、掺钢纤维矿渣混凝土。试件拆模后放置养护室养护，分别到达7d、28d、60d、90d龄期时进行立方体抗压试验和劈裂抗拉试验。

1.2 试验方法

立方体抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准[3]》（GB/T5008-2011），试件尺寸为100mm×100mm×100mm。试件在养护箱中进行标准养护，到达相应龄期后进行立方体抗压试验。取试件成型时的侧面为上下受压面，加载速度以0.5MPa/s连续均匀加载直至试件破坏。

综上所述，关节镜半月板成形术可有效减轻盘状半月板损伤患者各相关症状，同时促进膝关节功能的恢复，且术后并发症发生率较低，临床应用价值显著。

劈裂抗拉试验《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T5008-2011），试件尺寸为100mm×100mm×100mm。试件在养护箱中进行标准养护，到达相应龄期后进行立方体抗压试验。试件劈裂承压面和劈裂面应与试件成型顶面垂直，加载速度以0.05～0.08Mpa连续均匀加载直至试件破坏。

2 结果分析与讨论

2.1 立方体抗压试验

不同龄期下混凝土立方体抗压强度试验数据如图1所示，由图可知：

图1 混凝土立方体抗压强度（MPa）

2.1.1 材料的影响：普通混凝土C、掺钢纤维混凝土CF、矿渣混凝土SC、掺钢纤维矿渣混凝土SCF养护龄期为7d时，立方体抗压强度大小关系为：CF＞C＞SCF＞SC。养护龄期28d、60d、90d时，立方体抗压强度大小关系为：CF＞C＞SCF＞SC。

7d时，矿渣混凝土SC与掺钢纤维矿渣混凝土SCF立方体抗压强度略小于普通混凝土C，这是由于早期矿渣并不产生活性效应，此时混凝土粗细骨料间由其余胶凝材料提供强度，因此在混凝土早期强度增长过程中，矿渣含量越高，混凝土立方体抗压强度越低。

养护龄期28d、60d、90d时，矿渣混凝土SC、掺钢纤维矿渣混凝土SCF立方体抗压强度逐渐大于普通混凝土C、掺钢纤维混凝土CF。90d时，SC立方体抗压强度比C增大了21.53%，SCF立方体抗压强度比C增大了22.36%。这是由于在混凝土后期强度增长过程中，矿渣产生化学活性，水泥水化生成的氢氧化钙与矿渣中的活性氧化硅和活性氧化铝发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化胶凝产物，提高混凝土立方体抗压强度。同时，矿渣内部多为微粉颗粒，这些微小颗粒均匀分布在胶凝材料中，填充混凝土内部孔隙和裂缝，改善混凝土的孔隙分布，提高混凝土立方体抗压强度。并且，矿渣混凝土SC、掺钢纤维矿渣混凝土SCF由于硅酸盐水泥熟料中混有矿渣掺和物，矿渣的存在降低了水泥水化过程中的水化热，使得混凝土在强度增长的过程中减少不均匀受热，减少局部应力和裂缝的产生，水泥水化更均匀充分，由此提高混凝土立方体抗压强度。

对于SCF，钢纤维的存在使得混凝土内部产生桥连接作用，孔隙与孔隙间由钢纤维填充，从而SCF立方体抗压强度大于SC。

2.1.2 龄期的影响：普通混凝土C、掺钢纤维混凝土CF、矿渣混凝土SC、掺钢纤维矿渣混凝土SCF其立方体抗压强度随混凝土龄期增长逐渐上升。

四类混凝土材料立方体抗压强度在7d、28d、60d、90d逐渐增大，同时增长率都是呈现先增大，后减小的趋势，且增长率在60d达到最大。该变化规律是由于混凝土内部硅酸盐水泥熟料不断水化，混凝土强度逐渐提高。SC、SCF，由于其硅酸盐水泥熟料中混有矿渣掺和物，矿渣的存在使得早期立方体抗压强度小，后期立方体抗压强度较大,因此7d、28d，抗压强度增长率大于C、CF。并且，矿渣的存在使得SC、SCF立方体抗压强度能够继续发展，因此60d、90d，SC、SCF抗压强度增长率仍大于C、CF。

2.2 劈裂抗拉试验

混凝土劈裂抗拉强度结果如图2所示，由图可知，混凝土立方体劈裂抗拉性能影响分析如下。

图2 混凝土劈裂抗拉强度（MPa）

2.2.1 材料的影响：普通混凝土C、掺钢纤维混凝土CF、矿渣混凝土SC、掺钢纤维矿渣混凝土SCF，劈裂抗拉强度，在养护龄期为7d、28d、90d时大小关系为SCF＞CF＞SC＞C。在养护龄期为60d时大小关系为SCF＞CF＞C＞SC。

在所有养护龄期下，普通混凝土C与矿渣混凝土SC劈裂抗拉强度相近，掺钢纤维混凝土CF与掺钢纤维矿渣混凝土SCF劈裂抗拉强度相近。同时CF、SCF劈裂抗拉强度大于C、SC。试验表明：在承受荷载时，混凝土内部裂缝的生成与扩展被钢纤维有效地阻止，因此劈裂抗拉强度提高。

2.2.2 龄期的影响：普通混凝土C、掺钢纤维混凝土CF、矿渣混凝土SC、掺钢纤维矿渣混凝土SCF其劈裂抗拉强度随混凝土龄期增长逐渐上升。强度上升原因为混凝土内部硅酸盐水泥熟料不断水化，混凝土强度逐渐提高。

3 结束语

通过对四类混凝土进行立方体抗压试验、劈裂抗拉试验，并对试验结果进行了对比分析。研究不同配比、不同材料、掺和物矿渣对高性能混凝土力学性能的影响，主要结论如下：

C、CF、SC、SCF，立方体抗压强度随养护龄期增长呈逐渐增长趋势。在7d时，含有矿渣的混凝土，其立方体抗压强度低于未含有矿渣的混凝土。在7d以后，含有矿渣的混凝土，其立方体抗压强度高于未含有矿渣的混凝土。在60d后，未含有矿渣的混凝土立方体抗压强度速率趋于稳定，含有矿渣的混凝土立方体抗压强度继续发展。矿渣在7d前水化反应缓慢，7d后开始活跃。

C、CF、SC、SCF，劈裂抗拉强度随养护龄期增长呈逐渐增长趋势。在所有养护时间段内，含有钢纤维的混凝土，其劈裂抗拉强度高于未含有钢纤维的混凝土。钢纤维对混凝土劈裂抗拉强度增强效果明显。

矿渣、钢纤维均可作为提高高性能混凝土力学性能的外加掺和物。矿渣在混凝土水化后期提高立方体抗压强度作用明显，钢纤维提高劈裂抗拉强度作用明显。