高性能混凝土力學(xué)性能研究

尉良平

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

高性能混凝土力學(xué)性能研究

尉良平

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

采用計(jì)算和試驗(yàn)的方法研究了高性能混凝土的力學(xué)性能，進(jìn)行了高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，確定了試驗(yàn)室配合比和施工配合比，完成了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，高性能混凝土具有高耐久性、穩(wěn)定性、均勻性以及較強(qiáng)的韌性等特點(diǎn)。

高性能混凝土；力學(xué)性能；穩(wěn)定性；均勻性；韌性

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)方式不斷發(fā)展，大量的超高、超大型混凝土建筑物相繼出現(xiàn)，在惡劣條件下所采用的重大混凝土結(jié)構(gòu)(如高層建筑、跨海大橋、海底隧道、核反應(yīng)堆和有害廢物處理等)工程需求不斷上升[1-2]，給混凝土工程施工與維修造成困難。由于所處環(huán)境非常差，所以對(duì)于混凝土的施工性能要求比較高，需要具備良好的耐久性，以保證其使用壽命[3]。由于跨度較大，海洋以及軍事工程對(duì)混凝土的要求較為嚴(yán)格，在惡劣的條件下，建筑持續(xù)退化會(huì)引起提前失效，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生惡性事故而遭受巨大損失。

由于大量的原材料需求，過(guò)度開(kāi)采將導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化與資源短缺或枯竭，使生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙。混凝土是目前使用最多的一種人造石，因而應(yīng)關(guān)注環(huán)境受混凝土使用而受到的影響。此外，因混凝土提前退化，還應(yīng)考慮拆除后的混凝土廢物的處理。

因此，應(yīng)從根本上降低混凝土中的水泥量，盡可能的使工業(yè)廢棄物得到合理的利用；同時(shí)，考慮循環(huán)利用混凝土廢物，這些都要求不斷提高混凝土各方面的性能。

1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

因?yàn)楦咝阅芑炷辆哂休^低的強(qiáng)度與水灰比(W/C)，對(duì)其造成影響的因素比較多，所以鮑洛米公式已經(jīng)不再適用于其配合比設(shè)計(jì)了。然而，截至現(xiàn)在，還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一適用的方法，不同國(guó)家的相關(guān)研究人員都基于自己的試驗(yàn)，對(duì)具體的配合比進(jìn)行大概的計(jì)算，再進(jìn)行試配，最終確定配合比。

1.1 確定混凝土配置強(qiáng)度

混凝土配置強(qiáng)度為：

fcu,o=fcu,k+1.960σ=50+1.960×6 =61.76 (MPa)

式中，fcu,o是混凝土配制強(qiáng)度；fcu,k是混凝士設(shè)計(jì)強(qiáng)度；σ是混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，其取值見(jiàn)表1。在混凝土強(qiáng)度的保證率為97.5%的情況下，其概率度為1.960。

表1 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ取值

1.2 計(jì)算水膠比

碎石所配制成的高性能混凝土的強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中，γc是水泥標(biāo)號(hào)的富余系數(shù)值，具體見(jiàn)表2。

表2 γc為水泥標(biāo)號(hào)的富余系數(shù)

則水膠比為：

1.3 用水量的確定

規(guī)定配置的混凝土的塌落度約為120 mm，塑性混凝土用水量按照J(rèn)GJ 55—2000，具體見(jiàn)表3。

表3 塑性混凝土用水量 (kg/m3)

基于該表中坍落度90 mm的用水量，根據(jù)坍落度與用水量的配比為每增加20 mm需加5 kg的水，而將沒(méi)有添加外加劑的混凝土用水量計(jì)算出來(lái)。通過(guò)查表得知，用水量為210 kg/m，減水劑選擇外加劑減水率為29%的聚羧酸。則用水量為：

W0=210×(1-29%)=149.1 (kg/m3)

1.4 初步配合比

由計(jì)算結(jié)果可得初步計(jì)算配合比，即1 m3混凝土所需水泥、水、砂、石子以及減水劑等材料的質(zhì)量分別為437、149、544、1 270和6.56 kg，所以，配合比為水泥∶水∶砂∶石子∶減水劑=1∶0.34∶1.24∶2.90∶0.015。

1.5 試驗(yàn)室配合比

通過(guò)對(duì)3個(gè)不同配合比進(jìn)行4 w的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)配合比

由水灰比與混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系換算得到試驗(yàn)室配合比，混凝土配置強(qiáng)度是61.76 MPa，其中與此值最接近的是初步水灰比配置的混凝土。

1.6 施工配合比確定

因?yàn)樯鲜鏊玫某醪脚浜媳仁歉稍锏臓顟B(tài)，但工地上的砂石等材料并非是完全干燥的，因此，要根據(jù)這種情況來(lái)修改現(xiàn)場(chǎng)材料的真實(shí)稱量，更改過(guò)后的配合比即是施工配合比。砂和石的含水率分別為2%與3%，對(duì)1袋水泥的施工配合比計(jì)算如下。

1袋水泥的質(zhì)量是50 kg，則砂的質(zhì)量與含水率計(jì)算公式分別為：50×(1.24+2%)=63 (kg)、50×1.24×2%=1.24 (kg)，石的質(zhì)量與含水率分別為：50×(2.9+3%)=146.5 (kg)、50×2.9×3%=4.35 (kg)，水的質(zhì)量為：50×0.34-1.24-4.35=11.41 (kg)。由此可以得出，該混凝土施工配合比為1∶1.26∶2.93∶0.23∶0.015。

2 高性能混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法所制成的邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件，將其置于20 ℃左右，且空氣濕度>90%的環(huán)境中，經(jīng)過(guò)4 w的養(yǎng)護(hù)之后，使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試與計(jì)算方法所得的強(qiáng)度值即是水泥混凝土抗壓強(qiáng)度。

壓力試驗(yàn)機(jī)上下承壓板的剛度應(yīng)夠強(qiáng)，為了試件更好的對(duì)中，應(yīng)在上承壓板上設(shè)置一個(gè)球形支座。壓力機(jī)的相對(duì)誤差不能超過(guò)2%，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢查，從而使其示值更加準(zhǔn)確。針對(duì)混凝土試件的破壞荷載來(lái)確定壓力機(jī)的量程，試件若被破壞，其讀數(shù)應(yīng)在全量程的20%～80%。

2.1.2 試驗(yàn)方法

1)根據(jù)試驗(yàn)1所得試件，在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)下進(jìn)行規(guī)定周期的養(yǎng)護(hù)。

2)取出試件，首先對(duì)其尺寸和形狀進(jìn)行檢查，相對(duì)的2個(gè)平面應(yīng)平行，其表面傾斜高度應(yīng)<0.5 mm，棱長(zhǎng)的測(cè)量應(yīng)精確到l mm；再根據(jù)試件與壓力機(jī)上、下接觸面的平均值求出其受力截面積，若試件有蜂窩現(xiàn)象，在試驗(yàn)的前3天應(yīng)選擇較濃的水泥漿將其填平，同時(shí)應(yīng)在報(bào)告中作相應(yīng)的說(shuō)明。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保持試件干燥，并進(jìn)行稱量。

3)將成型時(shí)的側(cè)面作為其上下受壓面，將試件放置于壓力機(jī)中心的球座上，試件或球座與機(jī)臺(tái)中心的距離≤ 5 mm。以 0.6 MPa/s 的速度均勻施加荷載，如果試件開(kāi)始變形，就不再對(duì)試驗(yàn)機(jī)油門(mén)進(jìn)行調(diào)整，直到試件損壞，記錄此時(shí)的破壞荷載。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的計(jì)算公式為：

式中，P是極限荷載，單位為N；A是受壓面積，單位為mm2。

將3個(gè)試件所測(cè)值的算術(shù)平均值作為測(cè)定值。若其中的1個(gè)測(cè)值與中值之差大于中值的 15%，那么測(cè)定值取中值；若有2個(gè)測(cè)值之差大于中值的15%，那么這組試驗(yàn)被視為無(wú)效。

混凝土抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試件規(guī)格是邊長(zhǎng)為150 mm的立方塊。

2.1.4 試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)記錄見(jiàn)表5。

表5 立方體抗壓記錄結(jié)果

由表5可以看出，高性能混凝土具有高耐久性、穩(wěn)定性、均勻性以及較強(qiáng)的韌性等特點(diǎn)，同時(shí)也驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)從養(yǎng)護(hù)地將試件取出之后，將其擦干，然后對(duì)其尺寸進(jìn)行測(cè)量，并在該試件中部劈裂面位置線進(jìn)行標(biāo)記。劈裂面垂直于成型時(shí)的頂面，測(cè)量結(jié)果精確到1 mm。

2)將試件置于球座的對(duì)中點(diǎn)上，將墊層墊條放好，方向垂直于成型時(shí)頂面。

3)以0.06 MPa/s 的速度不間斷地、均勻地施加荷載，通過(guò)墊條將荷載均勻的施加給試件，在上壓板靠近試件時(shí)，對(duì)球座進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，均衡兩者直接的接觸。若試件即將損壞，就不再進(jìn)行油門(mén)的調(diào)整，一直到試件損壞，記錄此時(shí)的破壞荷載(精確到0.01 kN)。

2.2.2 試驗(yàn)計(jì)算

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Rt為：

式中，Rt是混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，單位為MPa；P為極根荷載，單位為N；A是試件劈裂面面積，單位為mm2。

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)定值的取舍原則等同于劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)定值的取舍原則。通過(guò)此試驗(yàn)方法所測(cè)的劈裂抗拉強(qiáng)度值，若要進(jìn)行軸心抗拉強(qiáng)度換算，則應(yīng)乘以換算系數(shù)0.9。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

記錄結(jié)果同表5，因此Rt=0.637×54.6=347 (N/mm2)，這一試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)配合比的合理性，并為該設(shè)計(jì)推廣給出了有力的證明。

3 結(jié)語(yǔ)

高性能混凝土對(duì)于當(dāng)前大型特種建筑物中的應(yīng)用起著較為重要的作用，文中采用計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證的方法研究了其力學(xué)性能，進(jìn)行了高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，確定了試驗(yàn)室配合比和施工配合比，結(jié)果驗(yàn)證了高性能混凝土具有高耐久性、穩(wěn)定性、均勻性以及較強(qiáng)的韌性等特點(diǎn)，同時(shí)為這類(lèi)混凝土的試驗(yàn)測(cè)試提供了一種借鑒方式，這一研究對(duì)于高性能混凝土進(jìn)一步合理應(yīng)用有重要意義。

[1] 余志武,丁發(fā)興,羅建平. 高溫后不同類(lèi)型混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2005(5):1-6.

[2] 汪冬冬,周士瓊,李俊,等. 粉煤灰高性能混凝土力學(xué)性能影響因素試驗(yàn)研究[J]. 商品混凝土,2005(6):15-20，39.

[3] Zhang D C. Carbonation resistance of sulphoaluminate cement-based high performance concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology：Materials Science Edition,2009(4):663-666.

責(zé)任編輯馬彤

ResearchonMechanicalPropertyofHigh-performanceBeton

YU Liangping

(School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Mechanical property of high-performance beton is researched by using computers and testing way including proportion design of high-performance beton, laboratory and construction property, and testing compressive strength of beton cube and splitting tensile strength of beton is finished. The results shows that high-performance has the property of high durability, stability, homogeneity, good toughness and so on.

high-performance beton, mechanical property, stability, homogeneity, toughness

TU 528

：A

尉良平(1990-)，男，本科，主要從事建筑等方面的研究。

2015-01-07