成型压力对200MPa级活性粉末混凝土抗压强度和微观结构的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 1 期 (总 第 2 9 1期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0R ET I CAL R ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 1 0 0 8 成型压力对 2 0 0 MP a级活性粉末混凝土 抗压强度和微观结构的影响 孙克平 ，刘永道 ，刘志茂 ，张凯峰 ( 1 中建三局建设工程股份有限公司 技术中心 ，湖北 武汉 4 3 0 0 0 0 ；2 中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 4 3 0 0 0 0 ) 摘要： 为阐明不同成型压力下粉煤灰微珠活性粉末混凝土抗压强度的变化规律 ， 分别研究了不同成型压力、 起始施压时间及 不同养护方式等对活性粉末混凝土抗压强度的影响， 并采用压汞、 S E M 研究 了产物的孔隙率和微观结构。 结果表明： 在 R P C成型 过程 中施加微小压力能显著提高 R P C凝胶产物密实度和基体一 骨料界面黏结程度 ，进而大幅提高其抗压强度。 起始施压时间宜 为 R P C初凝前 l 2 h ， 过早或过晚施压均不利于R P C抗压强度的发展。 高温养护可大幅提高R P C的抗压强度， 但会削弱成型压 力对 R P C抗压强度的增强效果。 关键词 ： 活性粉末混凝土 ；成型压力 ；抗压强度；微观结构 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 2 8 0 3 E ffe c t o f mol d i n g p r e s s u r e o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d mi c r o s t r u ctur e o f 2 0 0 M P a r e a ct i v e p o w e r c on c r e t e SUN Ke pi n g , LI U Yo n gd a o2 , L1 UZh i ma o ， Z HANG Ka i f e n g ( 1 C h i n a C o n s t r u ct i o n T h i r dE n g i n e e r i n g J o i n t s t o c k ， L t d ， T e c h n o l o g yC e n t e r ， Wu h a n4 3 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 C h i n a C o n s t r u c t i o n R e a d y Mi x e d C o n c r e t e C o ， L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r act ： Fo r e x pl o r i ng t he v a r i a t i o n o f c o mp r e s s i v e s tre ng t h o f RPC i n vari o us mol d i ng p r e s s u r e s， e f f e c t o f mo l di n g p r e s s ure， i n i t i a l pr e s s i n g t i me a nd c uri n g c o n d i tio ns o n c omp r e s s i ve s t r e n g t h o f RPC we r e s t ud i e dThe po r o s i t y a n d mi c r os t r u c t u r e o f p r o d uc t s we r e me a s u r e d b y MI P a n d S E M R e s u l t s s h o we d tha t ， the d e n s i ty o f g e l b i n d e r a n d i n t e r f a c e a d h e s i o n b e t we e n b i n d e r a n d a g g r e g a t e s we r e s i g n i fi c a n t l y i mp r o ve d by e x t r e me l y l i t t e r mol d i n g pr e s s u r e， t h u s i mp r o v i n g the c o mpr e s s i v e s tre n g t h o fRPC I t S a p p r o p r i a t e f o r t he i mp r o v e me nt o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t h at th e i n i t i a l p r e s s i n g ti m e s h o u l d b e 1 - 2 h o urs b e f o r e i n i t i a l s e tt i n g t i m e H i 曲 t e mp e r a t u r e c u r i n g c o n d i ti o n c o ul d s i g n i fic an t l y i n c r e a s e the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o fRPC， b u t i t wo u l d b e we a k e n the e n ha nc e me n t e ffe c t b y mo l d i n g p r e s s u r e o n c o m pr e s s i v e s e n g t h o f RPC K e y wor d s ： r e a c t i v e p o we r c o n c r e t e ； mo l d i n g p r e s s u r e ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； mi c r o s t r u c t u r e 0 引 言 活性粉末混凝土( 简称 R P C ) 是 由细砂 、 石英粉、 水泥 、 硅灰 、 高效减水剂及钢纤维等混合后 ， 采取适当 的成型养 护工艺而获 得一种超高性能水泥基材料 1 。 2 0世纪 9 0年 代初 ， 法 国学者 R i c h a r d 等 1 首次制备出 R P C以来 ， R P C以 其优异的力学性能和超高的耐久性 ， 已成为 国际上超高性 能水泥基材料研究的热点 。 近年来 ， 国内外学者通过优选原材料 ， 优化颗粒级配 ， 改变养护方式等措施， 分别制备出了2 0 0 、 5 0 0 和 8 0 0 MP a 级 的R P C 2 - 6 。 一般认为制备 2 0 0 MP a 级以上的R P C时， 除需 采取高温养护外， 还需在成型时对 R P C试体施加一定的压 力以排除体系中多余的水分 ， 使体系更加密实， 进而提高 R P C强度 1 。 实际上 ， 前人的研究 成果均采用较高 的成型 压力 ， 一般在 3 0 MP a 以上 ， 成型条 件极 为苛刻 ， 势必影 响 其应用范 围 1 。 目前 ， 在微小成 型压力对 R P C力学性能的 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 7 - 0 1 28 影响方面的研究 ， 尤其是在常温养护条件下 的相关研究鲜 有报道 。 此外 ， 实际工程中对现浇 R P C及在预制构件制备 过程中施加微小成型压力均相对容易实现。 因此， 本文系统 研究在微小成型压力下 ， 不同成型压力、 加压时间及养护 温度对 R P C抗压强度的影响， 以期阐明不同成型方式对 R P C抗压强度的影响规律 ， 为 R P C工程应用提供理论基础 。 1 原材料及 试验 1 1 主要原材料 武汉华新水泥有限公司P 0 4 2 5 级水泥； 市售麦肯硅 灰 ， S i O 2 含量约 9 3 ， 比表面积 1 8 1 l x l 0 c m 2 g ； 天 津粉煤 灰“ 微珠” ， 比表面积 1 0 7 8 x 1 0 c m V g ， 烧失量 1 5 ， 需水量 比9 2 ； 经烘干后筛分出粒径为 0 3 1 1 8 m m的细河沙 ； 市售石 英粉 ， 平均粒径 为 0 1 5 m m， S i O ： 含量 9 8 ； 市售 镀铜钢纤维 ， 长 1 2 1 3 m m， 长径 比为 1 2 0 ； 公 司 自 配 的聚羧 酸高性能减水剂 ， 固含量 2 4 ， 减水率 2 5 3 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2试 验 方 法 1 2 1 R P C试体制备 称取一定质量比的水泥、 微珠及硅灰并置于砂浆搅拌机 中混合均匀， 再加人称量好的水及减水剂搅拌均匀得到浆体。 河砂、 石英粉及钢纤维按一定比例( 质量比) 与制备好的浆体 混合均匀后分三层浇筑在 7 0 7 m mx 7 0 7 m mx 7 0 7 mm的三 连模 中振动成型 ， 每层振动 6 0 次。 成型后的试体用塑料薄膜 覆盖置于室温、 相对湿度大于 9 5 的养护室养护至一定时间 ( 0 , 6 、 1 0 h ) 后 ， 分别施加 0 , 0 0 3 、 0 0 5 、 0 1 、 0 1 5 MP a 的压力 ， 继 续养护至 2 4 h 脱模 。 将脱模后 的试体分别置 于常温湿气养 护和 9 0蒸汽下( 9 0蒸汽养护 3 d 后置于标准条件下养 护 3 d ) 养护至规定龄期后测其抗压强度。 其配合 比见表 l 。 表 1 活性粉末混凝土配合比 注 ： 减水剂掺量为胶凝材料总量的 2 ， 钢纤维掺量为体积掺量 。 1 2 2 MI P和 S E M 分析 将样品切割并用无水乙醇浸泡 4 d 终止其水化 ， 随后 在 8 0真空下干燥 3 d 。 取粒径为 1 6 3 2目的样品 3 g ， 采 用 P o r o ma s t e r G T 6 0压汞 仪测试 R P C孔结 构 ， 压 力范 围 0 2 0 0 MP a ； 取大小合适的碎片表面镀金 ， 采用 日本电子 ( J E O L ) J S M 5 9 0 0 扫描电子显微镜测试 R P C断面形貌 。 2 试验 结果及讨 论 2 1 不同成型压力对 RP C抗压强度的影响 图 1 为不 同初始成 型压力对活性粉末混凝土抗压 强 度的影响曲线。 从图 1 中可知， 在 R P C拌合物临近初凝时， 对 R P C试体施加微小压力均能够显著提高其抗压强度。 未掺钢纤维的 R P C试体早期( 7 d ) 抗压强度随初始成型压 力增大而急剧增加， 当初始成型压力增至 0 1 MP a 时， 其抗 压强度增幅高达 4 2 ， 继续增大初始成型压力， R P C试体抗 压强度增长趋势变缓。 随初始成型压力增加 ， 未掺钢纤维 R P C后期强度 ( 2 8 d ) 增长趋势 与早期强度增长趋势相近 ， 但其强度增幅降低 ， 当初始成型压力增至 O 1 5 MP a 时， 其 强度增幅仅为 2 0 左右 。 日 、 嘿 成 型 压 力 ， M P 图 1 不同初始成型压力下 R P C抗压强度 曲线 与未掺钢纤维 R P C相似， 钢纤维体积掺量为2 的R P C， 其抗压强度均随初始成型压力 的增大而增加 ， 但是其抗压 强度增幅明显低于相 同龄期和初始成型压力下未掺钢纤 维 的 R P C 。 当初始成型压力为 0 1 5 MP时， 掺钢纤维的 R P C 7 d 抗压强度增幅为 1 3 ， 2 8 d 抗压强度增幅为 1 1 。 其原 因可能包括两方面 ： 一方面 ， R P C本身 的孑 L 隙率极低 ， 在施 加微小压力条件下虽然能够进一步降低其孔隙率， 但钢纤 维的掺入主导了R P C抗压强度的提高， 从图 1 中可以明显 看 出掺入钢纤维对 R P C抗压强度 的增幅明显高于施加微 小初始成 型压力对 R P C抗压强度 的增幅 ； 另一方 面， 钢纤 维具有一定 的刚性 ， 且在 R P C拌合物 中呈无定 向排列 ， 在 对 R P C拌合物施加微小压力时会产生一定 的阻力 。 2 2 起始施压 时间对 RP c抗压强度的影响 图 2 为不 同起 始施压 时间对 R P C抗压 强度 的影响 曲 线。 测得 R P C拌合物的初凝时间为 7 5 h 。 从图中可知， 在 R P C浇筑后 6 h内对试 体施加微小压力 ， 其施压 时间对掺 与未掺钢纤维 的 R P C抗压强度 的影 响并不 明显 。 当 R P C 试体养护 6 h 后 ， 随着起始施压时间的进一步延长 ， R P C抗 压强度均大幅下降， 施加微小压力对 R P C抗压强度的增强 效果明显降低。 其原因可能是 R P C拌合物在养护 6 h内还 处于塑性状态 ， 流动性相对较好 ， 施加一定 的外部压力能 够使体系更密实。 随着养护时间延长， 体系中水泥水化速度 加快 ， 水化产物增多 ， 当拌合物达到初凝后会产生一定的 抵抗外压 的能力 ， 若此时施加压力 ， 其密实程度要低于初 凝前施压的试体， 近而降低对 R P C的增强效果。 此外， 从试 验过程中可知 ， 试体浇筑后立即施压， 由于浆体的流动性 大， 极易导致浆体溢出， 使试件不规整， 因此较理想的加压 时间为初凝前1 2 h 。 母 、 疆 出 起 始施压 时I 可 h 图 2 不同起始施压时间 R P C抗压强度的影响曲线 2 3 不同养护条件下初始成型压力对 1L P C抗压强 度 的影响 图 3 为不同养 护条件下成型压力 对 R P C抗压强度的 影响曲线 。 从图中可知， 两种养护条件下 ， R P C的抗压强度 随着初始成型压力 的增加先急剧增大随后增幅变缓 。 在常 温养护条件下 ， 当初始成 型压力增至 0 1 5 MP a 时 ， R P C抗 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 散 系数 ， 可以得到其疲劳损伤量与氯离子扩散 系数之间的 关 系 ： ( 1 ) 疲劳损伤程度 的增加劣化 了混凝土抗氯离子扩散 的能力 ， 提高了氯离子在混凝土中的扩散系数。 混凝土 中氯离子扩散系数与混凝土的孔和裂缝数量 密切相关 ， 而孔和裂缝数量 的变化也是导致超声参数与阻 抗 谱参数变化的重要因素 ， 因此 ， 把氯 离子系数与疲 劳荷 载引起的微裂缝结合起来分析 。 一些研究表 明罔 ， 混凝土材 料无论是在静态荷载还是在疲劳荷载作用下 ， 其破坏过程 就是裂缝在界面和基体中演化及扩展的过程。 较高循环次 数的疲劳则从集料与水泥砂浆之间的界面开始 。 经过一个 缓慢、 渐进的过程逐渐演变成一整条裂纹删 。 S h a h等观察 到应力水平为 0 6 0 0 8 5 的轴心抗压疲劳荷载导致 了混凝 土 内更多 的微裂纹生成 。 Wa n g等 1 】 研究 了荷 载裂缝 宽度 对于混凝土渗透性的影响 ， 发现裂缝加速 了水分的迁移速 率 ， 其影响程度取决于裂缝的宽度 ： 当卸载前裂缝开 口位 移低于 5 0 m时， 裂缝对于混凝土的抗渗性的影响不大； 而 当裂缝宽度从 5 0 m增加到 2 0 0 m时， 混凝土的渗透性 会急剧增大。 G r a r d 等 12 采用计算模型的方法发现裂缝的存 在可使得扩散系数增加 2 1 0 倍。 而且混凝土本身越密实， 其扩散性受微裂纹的影响就越显著。 ( 2 ) 加载应力水平 0 5 时 ， 混凝土疲劳损伤量增加 ， 氯 离子扩散系数 的提高比较缓慢 ； 提高应力水平至 0 7 ， 混凝 土损伤量增加 ， 氯离子扩散系数 的提高较为迅速 。 影响混凝土氯离子扩散系数 的因素有很多 ， 而导电量 是能够反 映混凝土抗氯离子扩散系数高低 的一个重要指 标 。研究结果表明， 压荷载不超过极限荷载的 5 0 时对混 凝土抗氯离子扩散性能影响不大。 即使其中静态荷载达到 极 限强度的 9 0 ， 对导 电量也没有多大 的影 响； 对 于疲 劳循环荷载 ， 应力水平小 于 5 0 时 ， 荷 载对导 电量 的影 响 不 明显 ， 而 当应力水平超过 6 0 时 ， 疲 劳循环荷载对 导电 量的影响却非常显著。 这是因为， 当循环荷载应力水平超过 6 0 以后 ， 混凝 土中氯离子渗透性 和与应力 的关系变的相 当敏感， 少量的疲劳损伤量增加就能显著地提高混凝土 的导电量 ， 进而加速了氯离子在混凝土 内部的传输并导致 氯离子扩散系数增大 。 3结 论 ( 1 ) 采用超声探伤 中的波速参数表征混凝土 的疲劳损 伤量 ， 利用其研究疲劳作用对氯离子扩散系数的影 响是可 行的。 对于混凝 土构件 ， 超声波速越 大 ， 其氯离子扩散系数 越小。 上接第 3 0页 江办建材， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 3 1 3 4 【 6 Z E NA T I A， A RRO UD J K， L ANE Z M， OUD J I T M N I n fl u e n c e o f c e me n t i t i o us a d d i t i o n s o n r h e o l o g i c al a n d me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s J P h y s i c s P r o c e d i a ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 1 2 5 5 1 2 6 1 【 7 】 王刚， 何东坡 高温养护对活性粉末混凝土强度的影响【 J 】 1 氐 温 建筑技术， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 1 7 1 8 【 8 廉慧珍， 童良， 陈恩义， 等建筑材料物相研究基础 M 北京： 清 3 4 ( 2 ) 可以利用阻抗谱低频容抗弧压扁度判断混凝土的 疲劳损伤程度 ， 进而得到疲劳损伤量与氯离子扩散系数的 变化关系。 混凝土阻抗谱低频容抗弧压扁度越大，其氯离 子扩散系数越小 。 ( 3 ) 随着疲劳损伤 的增加 ， 混凝 土中氯离子 的扩散 系 数增大 。 在较高应力水平下 ， 疲劳作用对氯离子扩散系数的 影响更加显著。 参考文献： 【 1 】G O N T A R W A， M A R T I N J P ， P O P O V I C S J S E ff e c t s o f c y c l i c l o a d i n g o n c h l o r i d e p e r me a b i l i t y o f p l a i n c o n c r e t e J C o n d i t i o n a n d Mo n i t o tin g o f Ma t e r i als a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 00： 9 51 0 9 【 2 】陈拴发 高性能混凝土应力腐蚀与腐蚀疲劳特性研究 D 】 西安： 长安大学 ， 2 0 0 4 3 蒋金洋， 孙伟， 王晶 弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子 扩散性能 J 1 东南大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 2 ) ： 3 6 2 3 6 6 4 】李志强， 周宗辉， 徐东宇， 等 基于超声波技术的混凝土无损检 测【 J 】 水泥工程 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 7 2 7 5 5 姚武 ， 钟文慧 混凝土损伤自愈合的机理 J 1 材料研究学报 ， 2 0 0 6 ， 2 0 ( 1 ) ： 2 4 2 8 6 杨正宏， 史美伦 混凝土交流阻抗参数的区域分布【 J J 建筑材料 学报 ， 1 9 9 9 ， 3 ( 1 ) ： 8 - 8 4 7 史美伦 ， 陈志源 混凝土阻抗谱的低频特性 J 硅酸盐学报 ， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 6 ) ： 9 7 1 0 0 8 HORI I H， S HI N H C， P AL L EWA T T A T M Me e h a n i s m o f f a t i g u e c r - a c k g r o w t h i n c o n c r e t e阴C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 2 ， 1 4 ( 2 ) ： 8 3 9 0 9 郑克仁 矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理 D 】 南京 ： 东南大学， 2 0 0 5 1 0 S HAH S P， C HA NDR A S F r a c t u r e o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o c y c l i c a n d s u s t a i n e d l o a d i n g J J o u r n al o f t h e Ame ric a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 7 0 ， 6 7 ( 1 0 ) ： 8 1 6 8 2 5 1 l l WA NG K J ， DA NI E L C， e t a 1 P e rm e a b i l i t y s t u d y o f c r a c k e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 3 ) ： 3 8 1 3 9 3 1 2 G R A R D B ， M A R C H A N D J I n f l u e n e e 0 f c r a c k i n g o n t h e d i f f u s i o n p r o p e r t i e s o f c e me n t ba s e d ma t e r i als Pa r t ： i nfl u e n c e o f c o nt i n u O U S c r a c k s o n t h e s t e a d y s t a t e r e g i me J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 1 ) ： 3 7 4 3 1 3 S AI T O M， L S HI MORI H C h l o r i d e p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r s t a t i c a n d r e p e a t e d c o m p r e s s i v e l o a d i n g J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 4 ) ： 8 0 3 8 0 5 【 1 4 N A K H I A E ， X I Y， WI L L A M K， e t a1 T h e e f f e c t o f f a t i gue l o a d i n g o n c h l o ri d e p e n e t r a t i o n i n n o n s a t u r a t e d c o n c r e t e C P r o c e e d i n g o f Eu r o pe a n Co n gre s s o n C o mp u t a t i o n al Me t h o d s i n Ap p l i e d S c i e n c e s an d En g i n e e rin g Ba r c e l o n a， S p a i n， 2 0 0 0 作者简介： 李炜( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 材料学。 联系地址 ： 江苏省南京市鼓楼区西康路一号 河海大学( 2 1 0 0 9 8 ) 联系电话 ： 1 5 2 5 0 9 9 4 9 0 4 华大学出版社， 1 9 9 6 ： 1 1 8 1 1 9 9 M E T H A P K， M O N T E I R O P A U L O J M C o n c r e t e S t r u c t u r e ， P r o p e r t i e s a n d M a t e ri al s M N e w J e r s e y ： P r e n t i c e H al l ， 1 9 9 3 ： 2 6 - 3 5 作者简介： 孙克平( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 高级工程师。 联系地址： 武汉市洪山区武珞路 4 5 6 号( 4 3 0 0 0 0 ) 联系电话 ： 0 2 7 8 7 3 9 7 7 6 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m