自密實混凝土力學性能研究

李化建，黃法禮，譚鹽賓，李林香，謝永江，易忠來

(1.中國鐵道科學研究院，北京　100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京　100081)

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自密實混凝土力學性能研究

李化建1,2，黃法禮1,2，譚鹽賓1,2，李林香1,2，謝永江1,2，易忠來1,2

(1.中國鐵道科學研究院，北京100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081)

以CRTSⅢ型板式無砟軌道常用粉體-粘度改性劑復合型自密實混凝土為研究對象，系統研究了含氣量、膠凝材料、養護溫度等對自密實混凝土抗壓強度、抗折強度和彈性模量的影響，比較了自密實混凝土與正常振搗混凝土力學性能指標，探討了自密實混凝土抗折強度和彈性模量與抗壓強度之間的關系。結果表明，自密實混凝土抗壓強度隨含氣量的變化規律大致可分為三個區域，當含氣量小于3.5%，抗壓強度隨含氣量增加而降低；當含氣量在3.5%～6.1%之間，抗壓強度變化不大；當含氣量大于6.1%時，抗壓強度隨含氣量增加而顯著降低；自密實混凝土抗折強度高于正常振搗混凝土，折壓比約為0.14；等強度自密實混凝土彈性模量比正常振搗混凝土低，且隨著抗壓強度增加，兩者之間的差距逐漸減小；在養護溫度5～30 ℃范圍內，自密實混凝土抗壓強度、抗折強度和彈性模量均隨養護溫度的升高而增大。

板式無砟軌道； 自密實混凝土； 力學性能； 相關性

1　引　言

以混凝土材料自身智能動力實現結構的自充填和自密實功能是利用材料性能來解決由施工因素而引起結構耐久性問題的重大技術革命[1,2]。作為智能動力混凝土的典型代表-自密實混凝土因其高可施工性、技術經濟性以及環境友好性被應用于國外混凝土預制構件廠以及具有我國自主知識產權的CRTSⅢ型板式無砟軌道結構中[3,4]。按照自密實混凝土制備技術途徑，可將自密實混凝土分為三類，即粉體型(550～650 kg/m3)、粉體-粘度改性劑復合型(450～550 kg/m3)和粘度改性劑型(350～450 kg/m3)[5]。自密實混凝土高粉體用量、高外加劑摻量、高砂率以及低水粉比的配合比特征決定了其硬化體力學性能的特殊性。國內外學者對自密實混凝土力學性能進行了大量研究，但尚未得到一致性結論。在抗壓強度方面[6,7]，文獻[6]認為自密實混凝土抗壓強度隨齡期的發展與水膠比和養護齡期有關，文獻[7]在統計分析200余組摻粉煤灰、礦渣的自密實混凝土28 d立方體抗壓強度與膠凝材料強度貢獻因子(水泥強度實測值乘以等效水灰比)相關關系的基礎上，提出了考慮礦物摻和料的抗壓強度經驗公式。在彈性模量方面[6,8-10]，多數研究者認為自密實混凝土彈性模量低于同強度等級的振搗混凝土，但也有學者認為，同強度等級的自密實混凝土與正常振搗混凝土彈性模量相當[11]。由于自密實混凝土組分的復雜性、含氣量的多樣性以及流動性指標的不同，自密實混凝土力學性能有別于正常振搗混凝土。鑒于目前沒有自密實混凝土結構設計相關規范，且研究對象多是基于低含氣量(4%以下)自密實混凝土在標準溫度下的力學性能，本文以CRTSⅢ型板式無砟軌道工程常用C40復合型自密實混凝土為基礎，研究不同強度等級、不同含氣量、不同溫度條件下自密實混凝土抗壓強度、抗折強度和彈性模量，探討不同力學性能之間的相關性，驗證現行混凝土結構設計規范中力學性能取值及其模型對自密實混凝土的適用性，以期為CRTSⅢ型板式無砟軌道結構自密實混凝土層的設計提供參考。

2　試　驗

2.1原材料

水泥為金隅水泥廠生產的P·O42.5水泥，粉煤灰為元寶山電廠粉煤灰，礦渣粉來自德州華能廠，膠凝組分性能如表1和表2所示。膨脹劑來自江蘇博特新材有限公司，性能符合GB 2349《混凝土膨脹劑》規定的Ⅱ型膨脹劑。砂子為天然河砂，細度模數為2.6，含泥量為1.0%。石子為5～16 mm連續級配碎石，含泥量為0.2%。減水劑為天津雍陽UNF-5AST低引氣型聚羧酸減水劑，減水率為25%。粘度改性材料為鐵科院生產液體粘度改性材料，性能滿足《CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術條件》(TJ/GW112-2013)的要求。

表1水泥的主要性能指標

Tab.1Properties of cement

Density/g·cm-3Specificsurfacearea/m2·kg-1SoundnessCompressivestrength/MPa3d28dFlexuralstrength/MPa3d28dSettingtime/mininitialfinial3.05344Qualified28.6565.99.4184249

表2礦物摻和料的性能指標

Tab.2Properties of fly ash and slag powder

Na2Oeq/%SO3/%Cl/%L.I./%28dActivityindex/%Waterdemandratio/%Specificsurfacearea/m2·kg-145μmscreenresidue/%Flyash1.150.570.0051.326786/11.9Slagpowder1.110.50.0070.96120121459/

2.2試驗方案

(1)試驗方法：自密實混凝土抗壓強度、抗折強度和彈性模量按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)規定進行。按照試驗設計的混凝土配合比攪拌成型，攪拌時間3 min，自密實成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體抗壓強度試件，100 mm×100 mm×300 mm的柱體靜壓彈性模量試件，100 mm×100 mm×400 mm的柱體抗折強度試件，試件成型后立即采用塑料薄膜進行表面封閉覆蓋，然后分別移入養護溫度5 ℃(低溫箱)、20 ℃(標準恒溫恒濕養護室)和30 ℃(烘箱)環境中養護至規定齡期，取出試件，采用上海華龍試驗機廠制造的HL-2000液壓式壓力試驗機進行力學性能試驗。抗壓強度用尺寸換算系數0.95對測得的強度值進行處理。

(2)試驗方案設計：試驗設計了三個強度等級的自密實混凝土，即C30、C40和C50，每種自密實混凝土含氣量為2種，即相對較高含氣量(5%～6%)和相對較低含氣量(不大于4.0%)。自密實混凝土坍落擴展度控制在(680±20) mm。除了不同強度等級外，不同含氣量、不同養護溫度下自密實混凝土的配合比均采用C40-1的配合比。自密實混凝土配合比及工作性能如表3所示。

表3自密實混凝土配合比及工作性能

Tab.3Mixing proportions and slump flow of SCC/kg·m-3

No.CementFlyashSlagpowderSandStoneExpandingagentWaterreducerVMAWaterSlumflow/mmAircontentC30-127016254863707544.052.161816904.0C30-227016254863707544.053.241816705.5C40-132215050821699504.352.031867004.0C40-232215050821699504.354.061867006.0C50-137014030821699606.62.101807004.0C50-237014030821699607.23.601807205.2

Note：The air content of C30-1、C40-1、C50-1samples is low. The air content of C30-2、C40-2、C50-2 samples is high.

3　結果與討論

3.1抗壓強度

圖1為不同齡期自密實混凝土抗壓強度。由圖1可知，自密實混凝土抗壓強度隨著齡期而增長，前期抗壓強度增長速率較快，90 d后抗壓強度依然隨齡期呈現增長趨勢。這與自密實混凝土中含有大量礦物摻和料有關，水化后期，粉煤灰和礦渣粉的活性效應逐漸得到發揮。對比相同強度等級不同含氣量自密實混凝土抗壓強度隨齡期的變化可知，56 d前，較高含氣量的C30-2和C40-2自密實混凝土抗壓強度隨齡期延長增加緩慢，其原因是自密實混凝土中含氣量較高時，其單位體積水泥漿體量較小，抗壓強度發展較慢，隨著膠凝組分水化的進行，水化產物逐漸填充孔隙中，強度逐漸增加；對于C50自密實混凝土，由于單位體積膠凝材料用量較大，混凝土抗壓強度發展受含氣量影響不顯著。

圖1　不同齡期自密實混凝土抗壓強度Fig.1　Compressive strength of SCC under different curing age

圖2　不同含氣量自密實混凝土抗壓強度Fig.2　Compressive strength of SCC with different air content

圖2為含氣量對自密實混凝土抗壓強度的影響。由圖2可知，自密實混凝土抗壓強度隨含氣量的變化規律大致可分為三個區域：當含氣量小于3.5%，混凝土抗壓強度隨含氣量增加而降低；當含氣量為3.5%～6.1%，混凝土抗壓強度變化不大；但當含氣量大于6.1%時，混凝土抗壓強度隨含氣量增加而顯著降低。

圖3　養護溫度對混凝土抗壓強度發展的影響Fig.3　Effect of curing temperature on compressive strength of SCC

圖3為養護溫度對自密實混凝土(C40-1)抗壓強度影響。由圖3可知，隨著養護溫度的提高，自密實混凝土抗壓強度呈現逐漸增長的趨勢。當養護溫度由5 ℃升高到20 ℃時，自密實混凝土抗壓強度增幅為0.3 MPa/℃；當養護溫度由20 ℃升高到30 ℃時，自密實混凝土抗壓強度增幅為1.36 MPa/℃。水泥水化反應速率與溫度有關，其間的關系普遍適用于Arrhenius定律，波特蘭水泥在常溫下水化時的活化能E值約為30～40 kJ/mol。設活化能為40 kJ/mol，溫度從20 ℃升至40 ℃時，反應速率k值則增加185%[12]。水泥水化速率提高是硬化體強度快速增長的關鍵，但并不是溫度越高，混凝土的強度發展越快。Hans-Wolf Renhardt 等[13]研究了熱養護對自密實混凝土抗壓強度和孔結構的影響，結果表明，當混凝土強度等級較低時，高溫下養護的自密實混凝土抗壓強度低于常溫下養護的自密實混凝土抗壓強度，當混凝土強度等級較高時，80 ℃下養護的自密實混凝土抗壓強度高于常溫下養護的自密實混凝土抗壓強度，研究者將其原因歸結為養護溫度對自密實混凝土內部孔結構的改變。與波特蘭水泥相比，火山灰效應和潛在活性對溫度的變化更為敏感，在低于15 ℃時，礦物摻合料火山灰效應和潛在活性發揮低于波特蘭水泥，而當溫度高于27 ℃時則恰好相反[14]，這也是本次試驗養護溫度由20 ℃升高到30 ℃時自密實混凝土抗壓強度增幅大于養護溫度由5 ℃升高到20 ℃的原因。

3.2抗折強度

圖4是不同強度等級自密實混凝土的抗折強度。由圖4可見，無論是低強度等級還是高強度等級自密實混凝土均具有較高的抗折強度，28 d抗折強度均高于7 MPa。自密實混凝土中膠凝材料用量較高，粗骨料含量低且骨料最大粒徑小，這些因素使得硬化自密實混凝土中的薄弱的環節(骨料與漿體界面過渡區)大幅度減少，當其受到彎矩破壞時，則表現出較高的強度。

圖4　不同強度等級自密實混凝土抗折強度Fig.4　Flexural strength of SCC

圖5　溫度對混凝土抗折強度和彈性模量的影響Fig.5　Effect of curing temperature on flexural strength and elastic modulus of SCC

圖5為養護溫度對自密實混凝土抗折強度的影響。由圖5可以看出，自密實混凝土抗折強度隨著養護溫度的提高而增大，且隨養護齡期的延長而增加。與抗壓強度相比，低溫養護對自密實混凝土抗折強度的影響更為顯著。30 ℃下混凝土各齡期抗折強度略高于20 ℃，28 d抗折強度均超過6 MPa。而在5 ℃養護條件下，混凝土3 d、56 d抗折強度僅為2.3 MPa和5.4 MPa。溫度對自密實混凝土抗壓強度和抗折強度影響規律之間的不同與混凝土抗折和抗壓破壞的本質有關，兩種混凝土強度對不同加載方式的敏感性差異較大，與壓剪破壞的抗壓強度相比，抗折強度對混凝土材料的均勻性以及集料界面的粘結強度依賴性較強[15]。溫度較低時，抑制了水泥的水化和礦物摻和料火山灰活性與潛在活性的發揮，降低了水泥漿體強度以及與骨料粘結性能，表現為5 ℃低溫下自密實混凝土抗折強度發展較慢。

圖6　抗壓強度和抗折強度的關系Fig.6　Relation between of compressive strength and flexural strength

圖6為自密實混凝土與正常振搗性混凝土[16]抗壓強度和抗折強度之間的關系圖。對比回歸方程可知，同強度等級的自密實混凝土的抗折強度高于正常振搗混凝土的抗折強度。自密實混凝土的抗折強度取決于水膠比、粗骨料的用量以及骨料與漿體界面質量等。自密實混凝土折壓比(抗折強度與抗壓強度的比)為0.14。同強度等級的自密實混凝土，抗折強度如果按照現行規范進行取值則偏安全，鑒于自密實混凝土層在CRTSⅢ型板式無砟軌道結構中受力狀態與公路和機場道路混凝土相似，建議選擇抗折強度作為其評價指標。

3.3彈性模量

圖7是不同強度等級自密實混凝土彈性模量隨齡期發展規律。由圖7可以看出，自密實混凝土早期彈性模量較低，三個強度等級自密實混凝土7 d前彈性模量均小于30.0 GPa，28 d彈性模量在30.0～35.0 GPa之間。這與Domone[17]、Felekoglu[8]等研究結果一致。但福州大學研究表明，新拌階段表觀密度大于2300 kg/m3的自密實混凝土與普通混凝土的彈性模量相差不大[18]。圖5是自密實混凝土在不同養護溫度下彈性模量發展規律。溫度對自密實混凝土彈性模量的影響規律與對抗折強度的影響規律較為相似，即在所設定的三個養護溫度條件下，5 ℃低溫養護對自密實混凝土彈性模量發展不利影響最大，而在20 ℃和30 ℃條件下混凝土彈性模量發展則較為接近，該變化規律與抗折強度隨溫度變化類似。

圖7　不同強度等級自密實混凝土彈性模量Fig.7　Elastic modulus of SCC

圖8　彈性模量實測值與規范回歸值Fig.8　The measurement values and regression values of SCC

圖8為自密實混凝土彈性模量實測值與按現行混凝土結構設計規范擬合值的對比。由圖8可以看出，自密實混凝土彈性模量實測值比現行規范偏低，抗壓強度越低，彈性模量偏差越大，隨著抗壓強度的提高，自密實混凝土彈性模量逐漸接近公式預測值，這與Domone[6]研究成果一致，對于低強度等級混凝土，最低可達40%；當混凝土強度為90～100 MPa時，兩者彈性模量差值小于5%。自密實混凝土實測彈性模量與預測值Ec×0.85更接近，這與胡瓊等的研究結果一致[18]。由于受CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土層厚度(不大于10 cm)和內部鋼筋網片的約束，自密實混凝土用骨料粒徑多為小于16 mm，建議按照設計規范中正常振搗混凝土彈性模量預測值的0.85倍取值。

4　結　論

(1)自密實混凝土抗壓強度隨含氣量的變化規律大致可分為三個區域，當含氣量小于3.5%，抗壓強度隨含氣量增加而降低；當含氣量在3.5%～6.1%之間，抗壓強度變化不大；當含氣量大于6.1%時，抗壓強度隨含氣量增加顯著降低；

(2)等強度的自密實混凝土抗折強度高于傳統振搗混凝土，按照現行結構設計規范取自密實混凝土抗折強度規定是偏安全的；

(3)等強度的自密實混凝土彈性模量比傳統振搗混凝土略低，且隨著抗壓強度的增加，這種降低趨勢逐漸減少，可按現行規范值0.85倍彈性模量來取值；

(4)在5～30 ℃范圍內，提高養護溫度有利于自密實混凝土抗壓強度、抗折強度和彈性模量的發展，但抗壓強度與抗折強度隨溫度不同變化規律略有不同。

[1]Okamura H,Ouchi M.Self-compacting concrete[J].JournalofAdvancedConcreteTechnology, 2003, 1(1): 5-15.

[2]Bibm,Cembureau,Ermco,et al.The European guidelines for self-compacting concrete[S]. 2005.

[3]Joseph A,Daczko,Kamal H,et al. Self-consolidating concrete(ACI 237 R-07)[R].Farmington Hills, MI, USA: American Concrete Institute, 2007.

[4]李化建, 譚鹽賓, 謝永江，等.自密實混凝土的特點及其在高速鐵路中的應用[J].鐵道建筑,2012,(8): 143-145.

[5]Heiman G,Vandewalle L,Gemert D van,et al.Time-dependent deformations of limestone powder type self-compacting[J].EngineeringStructures, 2008, 30(10): 2945-2956.

[6]Persson B.A comparison between mechanical properties of self-compacting concrete and the corresponding properties of normal concrete[J].CementandConcreteResearch, 2001,(31): 193-198.

[7]劉運華.自密實混凝土制備原理與應用技術[D].長沙:中南大學學位論文,2008.

[8]Felekoglu B,Turkel S,Baradan B. Effect of water/cement ratio on the fresh and hardened properties of self-compacting concrete[J].BuildingandEnvironment,2007,(42): 1795-1802.

[9]Arabi N S,Al Qadi,Kamal Nasharuddin,et al.Statistical models for hardened properties of self-compacting concrete[J].AmericanJ.ofEngineeringandAppliedSciences,2009, 2(4): 764-770.

[10]Almeida Filho F M,Barragan B E,Casas J R,et al.Hardened properties of self-compacting concrete—a statistical approach[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2010, 24(9): 1608-1615.

[11]Anton K,Schindler,Robert W.Barnes,et al.Properties of self-consolidating concrete for prestressed members[J].ACIMaterialsJournal,2007, 104(1): 53-61.

[12]郭成舉.混凝土的物理和化學[M].北京:中國鐵道出版社, 2004.

[13]Hans-Wolf Reinhardt, Stegmaier M. Influence of heat curing on the pore structure and compressive strength of self-compacting concrete (SCC)[J].CementandConcreteResearch, 2006,(36): 879-885.

[14]Lothenbach B, Scrivener K, Hooton R D. Supplementary cementitious materials[J].CementandConcreteResearch,2011,(41): 1244-1256.

[15]傅智.滑模混凝土配合比參數對抗折強度的影響[J].公路交通科技,1997, 14(1): 2-7.

[16]胡江,黃佳木,李化建,等.摻合料混凝土抗凍性能及氣泡特征參數的研究[J].鐵道建筑，2009,(2):124-127.

[17]胡瓊,顏偉華,鄭文忠.自密實混凝土基本力學性能試驗研究[J].工業建筑,2008,38(10): 90-93.

[18]Domone P L.A review of the hardened mechanical properties of self-compacting concrete[J].CementandConcreteComposites,2007,(29):1-12.

Mechanical Properties of Self-Compacting Concrete

LIHua-jian1,2,HUANGFa-li1,2,TANYan-bin1,2,LILin-xiang1,2,XIEYong-jiang1,2,YIZhong-lai1,2

(1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway,Beijing 100081,China)

Taking the powder-viscosity modifying admixture combination type self-compacting concrete(SCC) used in CRTS Ⅲ slab ballastless track for study, the effect of air content, cementitious materials and curing temperature on compressive strength, flexural strength, and elastic modulus have been studied. The mechanical properties of SCC and normally vibrated concrete are compared, and the correlation between flexural strength and compressive strength, elastic modulus and compressive strength are investigated. The results show that the effect of air content on compressive strength of SCC can be divided into three regions. When the content of air is less than 3.5%, the compressive strength of SCC decreases with the increase of air content. When the air content is between 3.5%-6.1%, the compressive strength of SCC show little change. When the air content is more than 6.1%, the compressive strength of SCC decreases significantly with the increase of air content. Flexural strength of SCC is greater than normally vibrated concrete, the flexural strength to compressive strength ratio is 0.14. The elastic modulus of SCC is smaller than normally vibrated concrete at the same compressive strength level, and the difference of elastic modulus between those two type concrete decreases with increase of compressive strength. Compressive strength, flexural strength and elastic modulus of SCC increase with the increase of curing temperature between the temperature 5 ℃ and 30 ℃.

Slab ballastless track;self-compacting concrete;mechanical property;correlation

國家自然科學基金項目(51378499)；中國鐵路總公司科技開發計劃重大項目(2015G001-H)

李化建(1976-),男,博士, 副研究員.主要從事鐵路混凝土結構耐久性與新型工程材料的方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1343-06