改性材料及其掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

唐咸远,胡贤松,罗 杰,马杰灵,周长红

(桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院,广西智慧交通重点实验室,广西 桂林 541010)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)性能优异,具有超高的抗压强度、高韧性、优异的耐久性等,在土木工程中的应用前景广阔[1-3]。UHPC常由水泥、硅灰、石英粉、砂土以及高效减水剂和钢纤维配制而成,因受不同原材料因素影响,配方较为复杂,造价较高,在一定程度上限制了其推广应用。

为降低UHPC的制备成本,可在混凝土中加入钢渣微粉、碎石、再生骨料、特殊纤维等以制备经济型UHPC[4-5]。王虹等[6]研究了钢渣微粉的掺量对UHPC力学性能的影响,认为钢渣微粉可作为胶凝材料制备超高性能混凝土;邹敏等[7]从物理、化学特性和凝胶性能出发对钢渣微粉进行了分析,认为当钢渣微粉掺量适量时,水泥等基础材料性能得到有效改善。黄政宇等[8]、沈楚琦等[9]、陈倩[10]研究发现,粗骨料掺量增大时,UHPC抗压强度先增大后减小,掺入粗骨料在保证其力学性能的同时能减少胶凝材料的用量,从而降低成本。王双飞等[11]研究不同水胶比对UHPC抗压强度的影响,发现UHPC的抗压强度随着水胶比的增大呈现先增大后减小的趋势;许有俊等[12]、Yang等[13]尝试在原材料中加入特殊纤维制备UHPC,发现特殊纤维对抗压强度的进一步提升有不利影响,但钢纤维对混凝土的抗压性能有积极的作用;吴琛等[14]通过控制钢纤维掺量和减水剂类型来改善UHPC的基本性能。综上所述,目前考虑单一因素对UHPC抗压强度影响的研究较多,而对多种经济性原材料的掺量对抗压强度的影响的研究相对较少。

本文中选取钢渣微粉、粗骨料、河砂、钢纤维4种材料作为添加剂对UHPC进行改性,并分析每种材料的掺量对UHPC抗压强度的影响,设计四因素三水平正交试验优选不同改性材料的最佳掺量配方,在保证力学性能的同时降低制造成本;利用极差法分析每种材料的掺量对UHPC抗压强度的影响;通过受压破坏试验分析UHPC的韧性和破坏形态。

1 材料与方法

1.1 试验方法与仪器设备

参照《混凝土物理学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行试验。

仪器设备:JSM-6390A型扫描电镜(SEM,日本电子株式会社); 筛具(筛网孔径分别为0.02、0.03、0.045、0.15、0.30、0.60、1.18、2.36、4.75、9.50、16.00、19.00 mm,绍兴市上虞区宇鼎标准筛具厂); HJW-60型搅拌机(河北路建工程材料有限公司); STYE-2000C型全自动压力试验机(浙江土工仪器制造有限公司); Ut110Y型静态应变采集仪(武汉优泰电子技术有限公司)。

1.2 原料分析

水泥(兴安海螺水泥有限责任公司)为袋装P·O 42.5普通硅酸盐水泥;硅灰中二氧化硅的质量分数>90%,水的质量分数(含水率)≤3%;钢渣微粉中,钢渣需先进行磁选,然后掺入质量分数为18%的II级粉煤灰,混合后进行细磨,钢渣微粉的比表面积为620 m2/kg,所含游离氧化钙的质量分数≤1%。水泥、钢渣微粉和硅灰的筛分曲线如图1所示。

图1 水泥、钢渣微粉和硅灰的筛分曲线

钢渣微粉与硅灰SEM图像如图2所示。由图可见,钢渣微粉组分较杂乱,多呈条形聚集,空隙较大;硅灰颗粒表面光滑,附着的细微结晶颗粒堆积密实且孔隙较小;硅灰颗粒比钢渣微粉的粒径小,能有效地填充混凝土结构中的孔隙,从而提高混凝土强度。

(a)钢渣微粉

河砂(广西全州湘江)采用平均粒径为0.4 mm的天然河砂;粗骨料采用粒径为5～20 mm、级配良好的碎石,母岩强度为100～120 MPa。河砂和粗骨料的筛分曲线如图3所示。

(a)河砂

钢纤维为平直型镀铜钢纤维,长度为13 mm,直径为0.22 mm,抗拉强度为2 500 MPa;粉状高效减水剂的减水率>30%;拌合用水为自来水。

1.3 试件制作

抗压强度测试采用边长为100 mm的正方体试件,分析破坏形态测试用长方体试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm(长度×宽度×高度),均采用钢模制作。

拌合时先将原材料加入搅拌机中干拌5 min,再加入水后搅拌8 min搅拌均匀,后加入模具中,置于平板振动器上振实并抹平表面。试件盖上薄膜保持湿润,在室内养护1 d后拆模,放入90 ℃高温养护箱养护2 d,后进行标准养护至28 d。

1.4 正交试验设计

参照文献[15]制备对照组正方体试件L,水泥、硅灰、钢渣微粉、河砂、水、减水剂的加入量(掺量,下文同)分别为900、475、175、950、312、46.8 kg/m3。在制备正方体试件L的基础上进一步优化钢渣微粉、河砂、粗骨料和钢纤维的掺量,将掺入UHPC的钢渣微粉、河砂、粗骨料的加入量和钢纤维体积分数(掺量,下文同)设为4个因素A、B、C、D,每个因素的值各取3个水平,设计四因素三水平即L9(34)正交试验方案。正交试验方案设计如表1所示。正交试验方案中各正方体试件所含的改性材料配方如表2所示。

表1 正交试验方案设计

表2 正交试验方案中各正方体试件所含的改性材料配方

2 结果与分析

2.1 养护龄期对抗压强度的影响

不同龄期各正方体试件的抗压强度及其比值如表3所示。由表可知,与龄期为3、7 d时相比,龄期为28 d时各正方体试件的抗压强度均大于100 MPa,但较对照组L均有不同程度的下降;T4的抗压强度最大,达到134.4 MPa,比对照组L的仅下降了7.6%;3 d的抗压强度仅为28 d的68.5%～88.1%,7 d的抗压强度仅为28 d的76.9%～93.6%,说明养护龄期为28 d时T4的抗压性能最好。因为粗骨料会导致UHPC内部质地不均匀,并且粗骨料的强度低于UHPC的,所以掺入粗骨料会使UHPC的抗压强度降低;另外,在高温养护的作用下,正方体试件内水化反应加速使得混凝土呈现出早高强性。

表3 不同龄期各正方体试件的抗压强度及其比值

2.2 抗压强度的极差分析

利用极差法[16-17]分析实验结果可知,改性材料掺量对正方体试件抗压强度的平均值的影响如表4所示。由表可知,改性材料钢渣微粉、河砂、粗骨料、钢纤维掺量水平分别为1、2、3时,K1、K2、K3分别为对应水平的所有试件的抗压强度的平均值的代号;随着钢渣微粉、粗骨料掺量的增大,UHPC的抗压强度平均值先增大后再减小,K2最大,即钢渣微粉、粗骨料掺量水平为2时试件的抗压强度的平均值最大;随着河砂掺量的增大,UHPC的抗压强度平均值缓慢减小,K1最大,即河砂掺量水平为1时抗压强度的平均值最大;随着钢纤维掺量的增大,UHPC的抗压强度小幅增大,K3最大,即钢纤维掺量水平为3时抗压强度的平均值最大。综上,改性材料的最优配方为A2B1C2D3,也就是说,当钢渣微粉、河砂、粗骨料的加入量分别为210、855、640 kg/m3,钢纤维的体积分数为1.5%时,即正交试验方案中的试件T4抗压强度最大。

表4 改性材料掺量对试件抗压强度的平均值的影响

改性材料对试件抗压强度平均值的极差的影响如表5所示。由表可知,抗压强度平均值的最大值Kmax与最小值Kmin之差即为抗压强度平均值的极差R,4种改性材料对应的极差R分别为7.60、7.57、7.77、0.84,表明粗骨料、钢渣微粉、河砂对改性后的UHPC的抗压强度的影响较大,钢纤维对改性后的UHPC抗压强度影响较小。

表5 改性材料掺量对试件抗压强度平均值的极差的影响

2.3 改性材料对UHPC韧性的影响

改性前后UHPC的破坏形态和裂缝如图4所示。由图可见,当长方体试件两端受压时,试件在几何中心最先开裂,几何中心处为最大受力变形位置;试件L为瞬间崩裂,试件的几何中心处混凝土结构部分为粉末状颗粒,裂缝也布满整个试件;试件T4的裂缝沿着斜向下和斜向上方向,试件不会瞬间炸裂且整体形态完整,这是因为钢纤维在UHPC中均匀分布,为UHPC提供侧向的约束力,当试件受压破坏时,钢纤维能牢牢拴住破碎的混凝土块,增强了UHPC韧性。

(a)改性前,试件L

3 结论

选取钢渣微粉、粗骨料、河砂、钢纤维4种材料作为添加剂对UHPC进行改性,设计四因素三水平正交试验优选不同原材料的最佳掺量,在保证力学性能的同时降低制造成本,利用极差法分析每种材料的掺量对UHPC抗压强度的影响,并通过试验分析UHPC的破坏形态。结论如下:

1)当钢渣微粉的加入量分别为193、210、228 kg/m3时,随着钢渣微粉掺量的增大,UHPC的抗压强度先增大后再减小;当河砂的加入量分别为855、1 045、1 140 kg/m3时,随着河砂掺量的增大,UHPC的抗压强度缓慢减小;当粗骨料的加入量分别为320、640、1 280 kg/m3时,随着粗骨料掺量的增大,UHPC的抗压强度先增大后再减小; 钢纤维的体积分数分别为1.5%、2.0%、2.5%时,随着钢纤维掺量的增大抗压强度小幅增大。钢渣微粉、河砂、粗骨料和钢纤维的极差值分别为7.60、7.57、7.77、0.84,表明粗骨料、钢渣微粉、河砂对UHPC的抗压强度的影响较大,钢纤维对UHPC抗压强度影响较小。

2)当钢渣微粉、河砂、粗骨料的加入量分别为210、855、640 kg/m3,钢纤维的体积分数为1.5%,养护龄期为28 d时,经改性的UHPC抗压强度最大,为134.4 MPa。

3)改性后的UHPC受压破坏时不会瞬间炸裂,整体形态完整,钢纤维在UHPC中为混凝土提供了侧向的约束力。

4)钢渣微粉和粗骨料的添加降低了改性后的UHPC制造成本,且经优化4种改性材料的掺量后UHPC的抗压强度降幅较小,但韧性增强,力学性能得到了保障。

利益冲突声明(Conflict of Interests)

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献(Author’s Contributions)

唐咸远进行了原材料购买、实验设计与指导、论文修改,胡贤松进行了试件制作与力学性能实验、论文写作以及论文格式编辑,罗杰、马杰灵和周长红进行了实验数据分析、实验结果可视化。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

The purchase of raw materials,experimental design and guidance,and manuscript revision,were carried out by TANG Xianyuan.The specimen fabrication and mechanical property experiments,manuscript writing,and manuscript format editing,were carried out by HU Xiansong.The analysis of the experimental data,and the visualisation of the experimental results were carried out by Luo Jie,Ma Jieling and Zhou Changhong.All authors have read the last version of paper and consented for submission.