高性能混凝土配合比及力學性能研究*

劉源 李大來

福州理工學院 福建 福州 350506

引言

高性能混凝土為二十世紀九十年代歐美發達國家提出，以混凝土抗滲性、體積穩定性為主要特征的新型混凝土設計理念[1]。高性能混凝土相較于普通混凝土在耐久性、工作性、適用性、體積穩定性、強度等均有所改善，因此在各種建筑工程中廣泛使用。

普通混凝土主要以抗壓強度和坍落度為設計依據，而高性能混凝土以耐久性為設計指標，同時具有良好的力學性能與和易性[2]。混凝土耐久性主要受內部孔隙影響，多項研究表明，混凝土內部貫通的大孔隙會降低混凝土的抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性等?？赏ㄟ^調整配比、添加外摻劑等方法改善混凝土內部孔隙分布情況。粉煤灰、礦渣等外摻劑在混凝土硬化過程中，可以作為膠凝材料降低水膠比，使得膠凝材料占比例增大，硬化后大孔隙數量減少，混凝土耐久性增強。粉煤灰、礦渣也可替代水泥降低水化熱，改善混凝土體積穩定性。同時，多項研究表明，鋼纖維的摻入，可以使混凝土的力學性能得到有效提高。因此高性能混凝土常用粉煤灰、礦渣、鋼纖維等外摻劑提高耐久性、力學性能與及和易性

本文分別對普通混凝土（C）、摻鋼纖維混凝土（CF）、礦渣混凝土（SC）、摻鋼纖維礦渣混凝土（SCF）進行立方體抗壓試驗，劈裂抗拉試驗，對不同配比下的礦渣混凝土力學性能進行研究。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥：

1.1.2 礦渣粉：

S95級礦渣粉，比表面積400m2/kg。

1.1.3 粗骨料：粒徑5～16mm的碎石顆粒。

1.1.4 細骨料：河沙。

1.1.5 減水劑：高效聚羧酸減水劑，最大減水率可達40%。高效減水劑的摻用量通常為水泥質量的0.5%～1.5%。本試驗采用1%的摻用量，即每立方米減水劑用量為4.28 kg。

1.1.6 鋼纖維：貝卡爾特端彎型鋼纖維，纖維類型為端彎型，抗拉強度1345Mpa，彈性模量220GPa，長度 35mm。

最終確定各材料用量，水灰比為0.38，配比如表1。

表1 混凝土試驗配比表（kg/m3）

試驗按照配比不同分為四組，編號為C、CF、SC、SCF，依次對應普通混凝土、摻鋼纖維混凝土、礦渣混凝土、摻鋼纖維礦渣混凝土。試件拆模后放置養護室養護，分別到達7d、28d、60d、90d齡期時進行立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗。

1.2 試驗方法

立方體抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準[3]》（GB/T5008-2011），試件尺寸為100mm×100mm×100mm。試件在養護箱中進行標準養護，到達相應齡期后進行立方體抗壓試驗。取試件成型時的側面為上下受壓面，加載速度以0.5MPa/s連續均勻加載直至試件破壞。

綜上所述，關節鏡半月板成形術可有效減輕盤狀半月板損傷患者各相關癥狀，同時促進膝關節功能的恢復，且術后并發癥發生率較低，臨床應用價值顯著。

劈裂抗拉試驗《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T5008-2011），試件尺寸為100mm×100mm×100mm。試件在養護箱中進行標準養護，到達相應齡期后進行立方體抗壓試驗。試件劈裂承壓面和劈裂面應與試件成型頂面垂直，加載速度以0.05～0.08Mpa連續均勻加載直至試件破壞。

2 結果分析與討論

2.1 立方體抗壓試驗

不同齡期下混凝土立方體抗壓強度試驗數據如圖1所示，由圖可知：

圖1 混凝土立方體抗壓強度（MPa）

2.1.1 材料的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF養護齡期為7d時，立方體抗壓強度大小關系為：CF＞C＞SCF＞SC。養護齡期28d、60d、90d時，立方體抗壓強度大小關系為：CF＞C＞SCF＞SC。

7d時，礦渣混凝土SC與摻鋼纖維礦渣混凝土SCF立方體抗壓強度略小于普通混凝土C，這是由于早期礦渣并不產生活性效應，此時混凝土粗細骨料間由其余膠凝材料提供強度，因此在混凝土早期強度增長過程中，礦渣含量越高，混凝土立方體抗壓強度越低。

養護齡期28d、60d、90d時，礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF立方體抗壓強度逐漸大于普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF。90d時，SC立方體抗壓強度比C增大了21.53%，SCF立方體抗壓強度比C增大了22.36%。這是由于在混凝土后期強度增長過程中，礦渣產生化學活性，水泥水化生成的氫氧化鈣與礦渣中的活性氧化硅和活性氧化鋁發生反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化膠凝產物，提高混凝土立方體抗壓強度。同時，礦渣內部多為微粉顆粒，這些微小顆粒均勻分布在膠凝材料中，填充混凝土內部孔隙和裂縫，改善混凝土的孔隙分布，提高混凝土立方體抗壓強度。并且，礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF由于硅酸鹽水泥熟料中混有礦渣摻和物，礦渣的存在降低了水泥水化過程中的水化熱，使得混凝土在強度增長的過程中減少不均勻受熱，減少局部應力和裂縫的產生，水泥水化更均勻充分，由此提高混凝土立方體抗壓強度。

對于SCF，鋼纖維的存在使得混凝土內部產生橋連接作用，孔隙與孔隙間由鋼纖維填充，從而SCF立方體抗壓強度大于SC。

2.1.2 齡期的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF其立方體抗壓強度隨混凝土齡期增長逐漸上升。

四類混凝土材料立方體抗壓強度在7d、28d、60d、90d逐漸增大，同時增長率都是呈現先增大，后減小的趨勢，且增長率在60d達到最大。該變化規律是由于混凝土內部硅酸鹽水泥熟料不斷水化，混凝土強度逐漸提高。SC、SCF，由于其硅酸鹽水泥熟料中混有礦渣摻和物，礦渣的存在使得早期立方體抗壓強度小，后期立方體抗壓強度較大,因此7d、28d，抗壓強度增長率大于C、CF。并且，礦渣的存在使得SC、SCF立方體抗壓強度能夠繼續發展，因此60d、90d，SC、SCF抗壓強度增長率仍大于C、CF。

2.2 劈裂抗拉試驗

混凝土劈裂抗拉強度結果如圖2所示，由圖可知，混凝土立方體劈裂抗拉性能影響分析如下。

圖2 混凝土劈裂抗拉強度（MPa）

2.2.1 材料的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF，劈裂抗拉強度，在養護齡期為7d、28d、90d時大小關系為SCF＞CF＞SC＞C。在養護齡期為60d時大小關系為SCF＞CF＞C＞SC。

在所有養護齡期下，普通混凝土C與礦渣混凝土SC劈裂抗拉強度相近，摻鋼纖維混凝土CF與摻鋼纖維礦渣混凝土SCF劈裂抗拉強度相近。同時CF、SCF劈裂抗拉強度大于C、SC。試驗表明：在承受荷載時，混凝土內部裂縫的生成與擴展被鋼纖維有效地阻止，因此劈裂抗拉強度提高。

2.2.2 齡期的影響：普通混凝土C、摻鋼纖維混凝土CF、礦渣混凝土SC、摻鋼纖維礦渣混凝土SCF其劈裂抗拉強度隨混凝土齡期增長逐漸上升。強度上升原因為混凝土內部硅酸鹽水泥熟料不斷水化，混凝土強度逐漸提高。

3 結束語

通過對四類混凝土進行立方體抗壓試驗、劈裂抗拉試驗，并對試驗結果進行了對比分析。研究不同配比、不同材料、摻和物礦渣對高性能混凝土力學性能的影響，主要結論如下：

C、CF、SC、SCF，立方體抗壓強度隨養護齡期增長呈逐漸增長趨勢。在7d時，含有礦渣的混凝土，其立方體抗壓強度低于未含有礦渣的混凝土。在7d以后，含有礦渣的混凝土，其立方體抗壓強度高于未含有礦渣的混凝土。在60d后，未含有礦渣的混凝土立方體抗壓強度速率趨于穩定，含有礦渣的混凝土立方體抗壓強度繼續發展。礦渣在7d前水化反應緩慢，7d后開始活躍。

C、CF、SC、SCF，劈裂抗拉強度隨養護齡期增長呈逐漸增長趨勢。在所有養護時間段內，含有鋼纖維的混凝土，其劈裂抗拉強度高于未含有鋼纖維的混凝土。鋼纖維對混凝土劈裂抗拉強度增強效果明顯。

礦渣、鋼纖維均可作為提高高性能混凝土力學性能的外加摻和物。礦渣在混凝土水化后期提高立方體抗壓強度作用明顯，鋼纖維提高劈裂抗拉強度作用明顯。