粗骨料及玄武岩纤维对超高性能混凝土性能的影响研究.docx

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1、引言超高性能混凝土(UHPC)是以超高的耐久性和超高的力学性能为主要特征的新型水泥基材料。2001年，法国第一次用超高性能混凝土材料建造了铁路桥梁，采取了剔除粗骨料、降低水灰比、掺加钢纤维等方式配置而成。伴随超高性能混凝土电杆、RPC疏散平台板等水泥制品的兴起，超高性能混凝土的应用越来越普及，但在水泥制品生产中，一方面由于没有粗骨料的加入，超高性能混凝土中绝大部分体积由石英砂填充，而石英砂的材料价格较高，导致了生产成本的增加；另一方面，钢纤维提高了混凝土的抗压抗折性能，但水泥制品经过长时间的暴露氧化，外表面容易出现锈斑，造成外观的缺陷。同时，钢纤维混凝土在生产和运输环节，容易对人员造成扎伤和刮

2、伤。本文以C120超高性能混凝土为基准，优选玄武岩碎石(5IOnIm)为试验用粗骨料，对超高性能混凝土加入不同掺量粗骨料后的力学性能进行试验，研究粗骨料对超高性能混凝土力学性能的影响。同时用玄武岩纤维取代钢纤维对超高性能混凝土力学性能进行试验，研究取代钢纤维的可能性，优选其最佳掺量。1、试验部分1.1原材料水泥：P042.5硅酸盐水泥，具体技术指标见表1。硅灰：具体化学成分见表2。石英砂：单粒级0.630.315mm,具体技术指标见表3。钢纤维：抗拉强度2000MPa,长1216mm,直径0.180.22mm。玄武岩：粒径5Iomnb压碎指标6.5%。粉煤灰：望亭电厂，I级。外加剂：聚度酸系减

3、水剂，减水率32%。表1水泥的技术指标平均粒径化学组分/%抗压强度/MPa抗折强度/MPamC3AC3SSO33d7d28d3d7d28d15340230,542.251.26.57.89.8表2硅灰的化学成分%CaOSiO2F2O3MgOK2ONa2OC1oss1.6593.200.580.290.640.181.052.28表3石英砂的技术指标%SiO2含量C含量盘踹云母含量含泥量98.50.0030.160.280.121. 2试验配合比及方法UHPC的基准配合比见表4。表4UHPC基准配合比水泥/(kgm3)硅灰/(kgm3)粉煤灰/(kgm3)石英砂/(kgm3)水/(kgm3)外加

4、剂/(kgn3)钢纤维体积分数/%水股比696214160113016037.41.280.15采用粗骨料玄武岩碎石外掺的方式,直接在原有基准配合比的基础上掺加粗骨料进行拌合试验，配合比见表5,与基准混凝土相同的方式成型养护，通过进行不同掺量粗骨料的超高性能混凝土的试验，研究粗骨料对超高性能混凝土力学性能的影响，确定粗骨料的最佳掺量。表5掺加粗骨料的UHPC配合比编号水泥/(kgm3)硅灰Z(kgm3)粉煤灰/(kgm3)石英砂/(kgm3)水/(kgm3)外加剂/(kgm3)钢纤维体积分数/%相骨料/(kgm3)AO696214160113016037.41.280A169621416011

5、3016037.41.28100A2696214160113016037.41.28200A3696214160113016037.41.28300AA696214160113016037.41.28400A5696214160113016037.41.28500采用掺加玄武岩纤维完全替代原有钢纤维的方式配置，用相同的成型养护方式，对掺加玄武岩纤维的含粗骨料超高性能混凝土进行研究，并确定其最佳掺量，配合比见表6。表6掺加玄武岩纤维的UHPC配合比编号水泥/(kgm3)硅灰/(kgm3)粉煤灰/(kgm3)石英砂/(kgm3)粗骨料/(kgm3)水/(kgm3)外加剂/(kgm3)钢纤维体积分数

6、/%玄武岩纤维体积分数/%BO6962141601130316037.41.28-B16962141601130316037.4-0.1B26962141601130316037.4-0.2B36962141601130316037.4-0.31.3成型与养护按试验设计配合比称量好各原材料，将胶凝材料、石英砂倒入强制式混凝土搅拌机内，先干拌3060s后，然后将减水剂和水一起加入干混料中，搅拌34min至均匀浆体，再将钢纤维用5mm的方孔筛筛入搅拌机内继续搅拌5min,搅拌结束后将混凝土装入钢模，放置温度为(202)C室内养护24h后拆模，拆模后进行蒸汽养护，保持恒温70,24h后进行抗折和抗压

7、试验。超高性能混凝土力学性能的试验方法按照GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准的规定进行，并符合下列规定：(1)抗压强度试验应采用IOOmmX100mmIOOmm的立方体试件，加载速率为1.214MPas;(2)抗折强度试验应采用IoonImXIOOmm400mm的棱柱体试件，加载速率为0.080.IMPa/s；(3)抗压强度与抗折强度试验值均不乘以尺寸换算系数。2、结果与讨论基准配合比试验数据见表7。表7基准配合比试验数据坍落度mm抗折强度/MPa抗压强度/MPa18518.4124.52.1掺粗骨料UHPC力学性能分析图1、图2为不同掺量粗骨料UHPC的抗折、抗压强度

8、。由图1可以看出，粗骨料掺量对超高性能混凝土的抗折强度影响不大。随着粗骨料掺量的增大,对弯曲强度有不利影响。当粗骨料掺量为IOOkg/n?和400kg?时，UHPC的抗折强度略有提高，影响不大。之后随着粗骨料掺量增加到200kg和500kg3时，UHPC的抗折强度降低明显。这是因为，粗骨料掺量较小时，UHPC基体胶凝材料相对较多，纤维的分布更加均匀，纤维有效利用率较高，UHPC基体与钢纤维的粘结力依然发挥了很大的作用，同时粗骨料间的咬合作用对裂缝的发展有一定的阻碍，可以在一定程度上弥补粗骨料加入引起纤维利用率下降的负面效应。当粗骨料掺量逐渐增加后，UHPC工作性能急剧下降，纤维分布不均,钢纤维

9、结团严重，且胶凝材料的减少导致纤维与基体间的粘结作用减小巴从而使UHPC的抗折强度明显降低。整体看，在一定掺量范围内(500kgm3),粗骨料掺量对UHPC的抗折强度影响较小。20.019.619.218.818.418.00100200300400500粗骨料掺量/(kgm3)图1不同掺量粗骨料UHPC的抗折强度由图2可以看出，当粗骨料掺量不大于300kg/时，粗骨料掺量的增加有利于提高UHPC的抗压强度，当粗骨料掺量为300kg/时，UHPC抗压强度达到最大值128.7MPa。随着粗骨料掺量的增加,UHPC抗压强度开始逐渐降低。UHPC立方体抗压强度随着粗骨料掺量的增加(0300kgma)

10、得到提高的原因主要有两方面：一是玄武岩粗骨料压碎值低，低水胶比下骨料界面强度高；二是粗骨料在UHPC材料堆积中形成轮廓骨架，提升了UHPC抗压强度。但粗骨料掺量越大，粗骨料颗粒就会破坏钢纤维在UHPC浆体中自由移动形成的随机分布，降低钢纤维分散性能，使钢纤维团聚在一起。整体看，粗骨料掺量对UHPC抗压强度的影响同抗折强度相似，影响微小。1301281261241221200100200300400500粗骨料掺量/(kgm3)图2不同掺量粗骨料UHPC的抗压强度2. 2掺玄武岩纤维UHPC力学性能分析通过上述粗骨料掺量对超高性能混凝土性能的影响试验，经过对UHPC抗折强度和抗压强度的分析，最终

11、选取以粗骨料掺量300kg?为基础，采用掺加玄武岩纤维完全替代原有钢纤维的方式配置，用相同的成型养护方式，对掺加玄武岩纤维的含粗骨料超高性能混凝土进行研究。试验结果如图3、图4所示。由图3可知，当粗骨料掺量300kg3时，只掺有钢纤维的UHPC抗折强度为18.7MPa,掺加玄武岩纤维取代钢纤维后UHPC的抗折强度明显低于掺有钢纤维的UHPC抗折强度。对于试验的3组试件，掺加0.2%玄武岩纤维的试件抗折强度最高；随着纤维含量增加至0.3%,UHPC的抗折强度呈下降趋势，这是因为适当的纤维添加比例可以增加混凝土的密实度，而过多的纤维添加使其孔隙2.468Q9.876.6.I111EC1工/超Ss忠

12、归率增大，导致其抗折强度提高不明显或者略有下降。15.20.30.00.10.2玄武岩纤维掺量/%图3不同掺量玄武岩纤维UHPC的抗折强度302826242220由图4可知，当粗骨料掺量300kg时，只掺有钢纤维的UHPC抗压强度为128.7MPa,掺加玄武岩纤维后UHPC的抗压强度增长趋势接近于抗折强度的变化。掺加0.2%玄武岩纤维后,UHPC的抗压强度为123.IMPa,明显高于掺加0.1%和0.3%玄武岩纤维的试件，由此可知，对于超高性能混凝土,0.2%的玄武岩纤维是力学性能较优的掺量。但与掺钢纤维的UHPC相比，其抗压强度却降低了5MPa.1180.000.050.100.150.20

13、0.250.30玄武岩纤维掺量/%图4不同掺量玄武岩纤维UHPC的抗压强度结论及展望(1)在一定掺量范围内，UHPC体系中掺入粗骨料对UHPC的抗折强度和抗压强度有一定的提高作用，但整体对UHPC的强度影响不大.。(2)当粗骨料掺量为IOokg/才和400kgm3时，UHPC的抗折强度略有提高；当UHPC体系中掺入粗骨料掺量300kgm3时，UHPC抗压强度达到最大值。但随着粗骨料掺量继续增加，UHPC的抗折强度和抗压强度逐渐降低。(3)含粗骨料的UHPC掺加玄武岩纤维代替钢纤维后1，UHPC的力学性能有所降低，但掺加0.2%玄武岩纤维的UHPC力学性能高于掺量为0.1%和0.3%玄武岩纤维的UHPC力学性能，从而得出0.2%体积掺量的玄武岩纤维是含粗骨料的UHPC较优掺量。我国正在大力推进装配式建筑，作为一种新型材料UHPC在水泥制品方面的应用较为广泛。使用UHPC预制构件如楼梯、阳台、逃生疏散用平台板、桥面板等，同时应用于混凝土电杆、管桩等水泥制品。UHPC的应用为水泥制品提供了性能更好的材料，如超高强、耐冲击、高耐久等，对装配化和水泥制品产业化升级具有重要意义。