超高強度硅酸鹽混凝土的力學性能研究

田鳳蘭，白東海，張麗娟

（內蒙古化工職業學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

引言

混凝土的高強度化，是通過摻加少量新型高效減水劑達到大幅度減水（低水、水灰比）和硅粉的應用目的。由于硅粉本身就是一種超細微粒的混合材料，具有很強的火山灰反應活性，硅粉的這種特性使混凝土的結構組織細密化，能夠輕而易舉地使混凝土的強度達到50N/mm2以上。也因此超高強硅酸鹽混凝土的應用越來越廣泛[1]，本文所研究的超高強硅酸鹽混凝土的制備方法基于常規原材料及成型工藝。本文中的試驗試件是在壓力成型，水熱合成200℃蒸壓養護8h條件下制備，且在滿足易和性的前提下進行的。

1 制備方法及材料特征

1.1 制備方法

在超高強度硅酸鹽混凝土的制備過程中，需要準備膠砂攪拌機、水泥膠砂振動臺、快開式回轉攪拌反應釜、30t液壓式壓力機、10t萬能材料試驗機、200t液壓式壓力機、體式錳微鏡、XRD衍射儀、掃描電鏡等工具。超高強硅酸鹽混凝土的制備流程如下：首先需要在混凝土中添加高強骨料；若使混凝土的結構細密化，要使用細砂，這就需要從中剔除粗骨料；將適量的活性礦物質（硅灰）摻入其中；在達到水熱合成的條件下并壓力成型后再摻入適量的鋼纖維。

1.2 原材料及其基本特征

1.2.1 砂

本試驗中采用石英砂，其要求為細砂（最大粒徑600ηm，平均粒徑約為250ηm），其化學成分如表1所示。

表1 砂的化學成分組成

1.2.2 水泥

本次試驗中，所使用的水泥為——普通硅酸鹽水泥（P.O52.5）。其化學成分如表2所示。

表2 水泥的化學成分組成

1.2.3 硅灰

本試驗采用的硅灰外觀為灰白色粉末，其耐火度大于1600℃，容重為200～250kg/m3。硅灰的細度要求為0.1～0.3μm（平均粒徑），比表面積為20～28m2/g。硅灰的細度和比表面積為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。硅灰的化學成分見表3。

表3 硅灰的化學成分組成

硅灰的顆粒形態與礦相結合后，形態為表面較為光滑的非結晶無定形圓球狀顆粒，還有些形態為多個圓球顆粒粘在一起的團聚體。

1.2.4 石英粉

本試驗所使用的石英粉是利用機械（球磨機）對其球磨加工2h而成，其平均粒度為40μm，SiO2含量為97.94%，采用相關儀器（透氣比表面積儀）測出比表面積為4066.7cm2/g，其化學成分如表4。

表4 石英粉的化學成分組成

1.2.5 減水劑

本試驗所選減水劑為聚羧酸系減水劑（摻量低、減水率可達30%），提高混凝土的和易性能，且無離析、泌水現象等特點。

1.2.6 鋼纖維

本試驗采用的是平直鋼纖維（抗拉強度>2000MPa）；長纖維直徑0.2mm，長度13mm；短纖維直徑0.2mm，長度6mm。

1.2.7 試驗工藝流程圖（見圖1）

圖1 試驗工藝流程圖

2 力學性能研究

通過對超高強度硅酸鹽混凝土基本力學性能的研究，分析水灰比、硅質材料摻量、砂灰比、鋼纖維種類及摻量、減水劑摻量、鈣硅比等各材料配合比因素對其性能的影響，以達到超高強度硅酸鹽混凝土的最優配合比[2]。

2.1 水灰比對混凝土基體的影響

一般來說，影響混凝土強度的基本要素是水灰比，水灰比率越低，混凝土的材料性能就越高，我們將此關系稱之為水灰比定則。本試驗在滿足和易性的前提下，水熱合成200℃，蒸壓養護8h，振動成型的條件下制備，分析水灰比率為0.20、0.21、0.22時，對超高強混凝土強度所產生的影響，配合比如表5。

表5

以上試驗顯示，骨料未形成剛性骨架，而形成了分散相，其原因在于減小了骨料的最大粒徑和所占比例。可見，混凝土性能的關鍵因素在于基體的質量。而水泥以及火山灰質材料等多種膠凝材料組成了混凝土的基體，也就是說水灰比對混凝土的基體的影響至關重要。水灰比的高低決定著基體中的孔隙率。孔隙率越低，混凝土的密實度越高，同時強度也相應增高。

2.2 砂灰比對混凝土強度的影響

骨料與漿體之比稱為砂灰比，其對混凝土強度的影響與內部結構的勻質性密切相關。本試驗使用最大粒徑不超過600ηm的砂料[3]。本試驗分析砂灰比為0.5、0.8、1.1、1.4時，對超高強度混凝土性能的影響，配合比如表6。

表6

上表顯示，混凝土的抗壓強度隨砂灰比的變化而反方向變化。當砂灰比在0.8時混凝土的抗壓強度值最大。其原因如下：一般在超高強度混凝土中的水灰比較小。伴隨強度的提高，砂的粒徑、用量、品種、性能對混凝土的流動性、強度和耐久性都有較大影響；本試驗中，砂的彈性模量（70GPa）要比漿體的彈性模量（18～22MPa）高出很多，從而導致混凝土內部的砂漿與骨料兩者在力學性能上的極大落差，最終造成硅酸鹽混凝土結構的勻質性較差；水泥石在粗集料界面上（即過度區）產生剪力和拉力作用力的原因歸結于“骨料較高的彈性模量能改善多種收縮的原理”。正是這種收縮原理造成水泥石在過度區域形成了混凝土的薄弱區，而所產生的剪力和拉力隨顆粒尺寸的增大而相應增加。然而，當剪力和拉力的同時作用力超過其粘結強度時，混凝土開裂現象就會頻現。可見，要想最終達到提高混凝土強度的目標，必將減小混凝土中漿體和骨料兩者在性能上的差別。而減小此種差別的關鍵在于：首先要減小混凝土中骨料的最大粒徑，然后再降低骨料在混凝土中所占的比例，同時漿體的力學性能也得到提高。

另外，事實證明，砂灰比在抗折強度方面的影響并不明顯，原因是由于混凝土屬于脆性材料，而脆性材料的抗折強度對缺陷的敏感度比較明顯，但抗折強度的基準值仍然會處于一個范圍內，本試驗制備的試件抗折強度處于287～362MPa。

2.3 硅灰摻量的影響

因為在熱養護下無定形水化產物會全部轉化為鈣硅摩爾比為5/6的C-S-H凝膠，所以在試驗中，氧化硅與水泥之比定為0.62。本試驗硅灰摻量分別為0、0.2、0.25、0.3、0.35時對超高強度硅酸鹽混凝土力學性能的影響。

2.4 減水劑摻量的影響

本試驗分析減水劑摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%時，對超高強度硅酸鹽混凝土力學性能的影響。

2.5 不同水泥對抗壓強度的影響

本試驗分析自制水泥對超高強度硅酸鹽混凝土力學性能的影響，如表7所示。

表7

上表顯示：試件的抗壓強度及抗折強度受砂含量的變化影響極小；另外，如果用自制水泥替代普通硅酸鹽水泥制備的試件，即使摻加3%的鋼纖維，其抗壓強度及抗折強度（240MPa左右）幾乎得不到明顯提高。而在同工藝同養護條件下，用普通硅酸鹽水泥制備的試件，只摻加2%的鋼纖維，抗壓強度就可明顯提高到282MPa。

2.6 添加不同摻量I型高強骨料的力學影響

本試驗分析加入不同摻量的I型高強骨料，對超高強度硅酸鹽混凝土力學性能的影響（見表8）。

表8

2.7 添加不同摻量II型高強骨料的力學影響

本試驗分析添加不同摻量的II型高強骨料，對超高強度硅酸鹽混凝土力學性能的影響（見表9）。

表9

上表顯示，在超高強度硅酸鹽混凝土中加入II型高強骨料，其抗壓強度和抗折強度隨摻量的增加而呈下降趨勢。同時，摻50%和100%II型高強骨料顆粒的試件與全摻石英砂的試件相比，抗壓強度分別下降8%和14%[4]。其原因主要有兩方面：一方面II型高強骨科顆粒形態不規則，且棱角比較明顯，當受到壓力時容易引起應力集中，而形態近擬圓形的石英砂卻與基體有較好的結合性能；其次是II型高強骨料的彈性模量高于石英砂的彈性模量，與基體的彈性模量型高強骨料形成整體勻質性。

本文基于超高強度硅酸鹽混凝土力學性能的研究，得出了各種強度指標、變形模量與混凝土抗壓強度的力學性能關系，才更加深入地了解和認識超高強混凝土的力學性能。同時，也為超高強混凝土的應用奠定了關鍵基礎，使其朝著強韌化、輕量化、多功能化和高效化的方向發展。

[1]李建強.高韌性纖維增強水泥基復合材料試驗研究[D].長安大學，2012.

[2]西林新藏.日本的超高強混凝土與綠色混凝土[A].第三屆兩岸四地高性能混凝土國際研討會論文集[C].

[3]蔡葦.聚羧酸高性能減水劑的制備及性能研究[D].中北大學，2013.

[4]張必昕.超高強度硅酸鹽混凝土的力學性能和抗彈性能研究[D].南京理工大學，2013.