高性能混凝土试验研究

摘 要:通过室内试验,初选并比较了两种改性混凝土的路用性能,研究发现,当按照合理的比例三掺适量的高效减水剂、硅粉和矿渣后,普通道路水泥混凝土的力学性能和耐久性能均有较大幅度的改善。

关键词:高性能混凝土;力学性能;抗裂性能;耐磨性能

1 概述

水泥混凝土是土木工程建设应用最广泛的基础材料,尤其作为公路乃至市政工程中各类桥涵构造物中主流建筑材料的地位无法取代。但在近十年中,由于混凝土的耐久性不足而导致破坏的工程实例越来越多,给养护与管理部门造成了很大负担。据统计,目前我国公路所用棍凝土的平均寿命约为30年～50年,水泥路面的寿命更是普遍低手10年,为此,我国公路与市政管理部门每年所付出了巨额的维修费用[1-2]。

因此,针对福建及周边地区路面及结构物中大部分采用C40左右普通水泥混凝土的现状,对其进行高性能化以满足耐久性使用要求显得极为迫切,并具有巨大的社会、经济效益和现实意义。而通过合理的高性能化手段,降低混凝土的水灰比和空隙率,并以矿物细掺料―――粉煤灰与硅粉取代部分水泥,从而降低单方混凝土的用水量和水泥浆用量,改善普通强度等级的混凝土性能,延长使用寿命,是目前公路工程的迫切需要[1-5]。

2 原材料性质及配比

2.1 试验用原材料性质

试验用水泥为海螺牌42.5号普通硅酸盐水泥。28d抗折度为8.5MPa,抗压强度为50.0Mpa;粗集料选用1cm～3cm的连续级配石灰岩碎石,其中1cm～3cm粒径的比率占60%,1cm～2cm粒径占40%;细集料采用细度模数为2.80的中砂;减水剂选用上海华联外加剂厂产FDN萘系高效减水剂,推荐掺量0.6%～1.5%;粉煤灰选用I级干排灰,硅粉选用干排硅灰。

原材料的其他技术指标均符合JTGF30-2003公路水泥混凝土路面施工技术规范中关于粗集料的技术要求。

2.2 试验配比

通过国内外经验调研和砂浆比选试验,确定了在C40普通混凝土中三掺高效减水剂、粉煤灰和硅粉以达到高性能化的配比优化原则,将粉煤灰和硅粉的比率定为7∶3。改性混凝土与普通混凝土的配比如表1所示,通过调整减水剂掺量和水灰比,将混凝土的坍落度控制在4cm～6cm。由于使用粉煤灰活性较高,采用等量取代方法。

2.3 试验方法

鉴于福建地区的使用现状,考察混凝土的强度、模量、塑性开裂和耐磨性性能,塑性开裂试验参考《棍凝土结构耐久性设计与施工指南》中推荐的混凝土早期抗裂性试验设计和评价方法(平板法)执行,其他参照JTJ053-94公路工程水泥混凝土试验规程。

3 试验结果与分析

由于模量、开裂等耐久性试验耗时耗力,因此以下研究首先采用强度试验比选初步配比,继而通过耐久性比选确定最终配合比。

3.1 强度

抗折强度和抗压强度试验结果见表2。

强度试验的目的之一在于确定最佳的改性混凝土配合比,路面和结构物混凝土应该综合考虑高抗折强度、高韧性(低压折比)和适当的抗压强度等指标,最终选取HC和HD为最佳配合比以进行后继的耐久性试验。

对比HC,HD与HA的强度数据可知,将普通水泥棍凝土高位性能化后,混凝土的抗折强度和抗压强度均有大幅度提高,抗压强度提高百分率仅为3%与10%,抗折强度则为13%与18%,因此,抗车载弯折和冲击破坏能力有大幅度改善。

3.2 韧性

与其他领域不同,道路水泥混凝土主要承受车辆动荷载等作用,良好的韧性即抗变形能力是其应用于路面的重要指标。目前,道路工程界普遍存在两种评价指标:压折比与抗折弹性模量,其中后者是混凝土路面结构设计的主要指标之一。试验结果见表3。

分析表3可知:掺加了高效减水剂、矿渣和硅粉后,混凝土的抗折弹性模量略低于普通握凝土,因此可以说明棍凝土高性能化后应用于路面结构设计并不需要修改相关参数,为设计提供了便利。

混凝土高性能化的优点是其极限拉应变(抗折强度与抗折弹性模量之比)有较大幅度的提高,增幅达到19%,且混凝土的压折比也有大幅度的降低,进一步说明了混凝土的抗变形性能有明显改善,用于道路面层和构造物有其独一无二的优势。

3.3 塑性开裂

塑性试验结果见表4。

分析表4可以得出结论:1)普通混凝土的塑性开裂现象较为严重,掺加矿渣对其有一定的改善效果,该实验实施有一定误差,但可用于定性比较。2)矿渣的掺入对改善混凝土的塑性开裂性能最为有利,当掺入占混凝土体积的30%的超细矿渣时,平板试件的裂缝条数减少,尤其是大于1mm的裂缝长度和数目减少最多,塑性裂缝的总面积相对普通混凝土减少了30%,其初裂时间也有延长。综合实验结果来看,矿渣具有很好的阻裂效果。3)少量硅粉的掺入对混凝土防塑性开裂性能作用不大,基本与单掺矿渣混凝土类似,反映在开裂面积相当,裂缝条数和宽度略低,但大于1mm的较宽裂缝数略有增加。因此,可断定HC与HD阻开裂性能相当。

3.4 耐磨性

由试验结果可知,三掺矿渣、硅粉和高效减水剂FDN均可以提高混凝土的耐磨性能,特别是当掺入硅粉后,混凝土的耐磨性能有较大幅度的改善,提高幅度达到80%以上。

综合以上试验结果来看,对普通混凝土高性能化以后,各种路用性能均有大幅度提高。以上推荐的两个配合比HC,HD路用性能均优良,但总体上HD更胜一筹。由于考虑到HD配比需要掺入价格较高的硅粉,成本较高,因此,建议在交通量大、磨耗严重的高等级路面或桥涵构造物上使用HD配比,在交通荷载较低的城市道路路面和结构物上使用HC配合比。

4 结语

在普通水泥混凝土中三掺高效减水剂、矿渣和硅粉后,混凝土的路用性能有了明显改善,表现为强度提高与脆性下降,阻裂性与耐磨性能均有大幅提高。表明将普通水泥混凝土高性能化以后,其更适用于道路路面和构造物使用。

参考文献

[1]陈拴发,胡长顺.公路结构物水泥混凝土耐久性研究动态[J].公路,2003(5):80-81.

[2]冷发光,韩跃伟.高强和高性能混凝土的发展与应用以及对高性能混凝土的讨论[J].工业建筑,2000(2):39-40.

[3]章德彬.浅析高性能混凝土的原材料选择[J]山西建筑,2007,33(17):194.

[4]吴中伟高性能混凝土―――绿色混凝土[J].混凝土与水泥制品;2001(1):77-78.

[5]陈栓发,高蕾.高性能混凝土配合比设计参数对温缩系数的影响[J].长安大学学报:自然科学版,2005(4):65-66.