论文部分内容阅读
摘 要：本文在满足水热合成条件且成型模式下，制备具有高韧性、低密度、低成本等性能的超高强度硅酸盐混凝土材料。其以高强度混凝土的制备原理为基础采用具有高硬高强度的骨料，运用活性硅质材料能够充分在硅酸盐基结构形成过程中发挥的物理与化学效应，还要注意减水剂的选择，以保证超高强度硅酸盐混凝土良好的工作性能。掺加不同体积率和长径比的钢纤维，以增强超高强度硅酸盐混凝土强度与韧性，达到更好的阻裂效应。
关键词：超高强度硅酸盐混凝土；试验；设备；减水剂；钢纤维
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）10-0223-02
引言
混凝土的高强度化，是通过掺加少量新型高效减水剂达到大幅度减水（低水、水灰比）和硅粉的应用目的。由于硅粉本身就是一种超细微粒的混合材料，具有很强的火山灰反应活性，硅粉的这种特性使混凝土的结构组织细密化，能够轻而易举地使混凝土的强度达到50N/mm2以上。也因此超高强硅酸盐混凝土的应用越来越广泛[1]，本文所研究的超高强硅酸盐混凝土的制备方法基于常规原材料及成型工艺。本文中的试验试件是在压力成型，水热合成200℃蒸压养护8h条件下制备，且在满足易和性的前提下进行的。
1 制备方法及材料特征
1.1 制备方法
在超高强度硅酸盐混凝土的制备过程中，需要准备胶砂搅拌机、水泥胶砂振动台、快开式回转搅拌反应釜、30t液压式压力机、10t万能材料试验机、200t液压式压力机、体式锰微镜、XRD衍射仪、扫描电镜等工具。超高强硅酸盐混凝土的制备流程如下：首先需要在混凝土中添加高强骨料；若使混凝土的结构细密化，要使用细砂，这就需要从中剔除粗骨料；将适量的活性矿物质（硅灰）掺入其中；在达到水热合成的条件下并压力成型后再掺入适量的钢纤维。
1.2 原材料及其基本特征
1.2.1 砂
本试验中采用石英砂，其要求为细砂（最大粒径600ηm，平均粒径约为250ηm），其化学成分如表1所示。
1.2.2 水泥
本次试验中，所使用的水泥为——普通硅酸盐水泥（P.O52.5）。其化学成分如表2所示。
1.2.3 硅灰
本试验采用的硅灰外观为灰白色粉末，其耐火度大于1600℃，容重为200～250kg/m3。硅灰的细度要求为0.1～0.3?m（平均粒径），比表面积为20～28m2/g。硅灰的细度和比表面积为水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。硅灰的化学成分见表3。
硅灰的颗粒形态与矿相结合后，形态为表面较为光滑的非结晶无定形圆球状颗粒，还有些形态为多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。
1.2.4 石英粉
本试验所使用的石英粉是利用机械（球磨机）对其球磨加工2h而成，其平均粒度为40μm，SiO2含量为97.94%，采用相关仪器（透气比表面积仪）测出比表面积为4066.7cm2/g，其化学成分如表4。
1.2.5 减水剂
本试验所选减水剂为聚羧酸系减水剂（掺量低、减水率可达30%），提高混凝土的和易性能，且无离析、泌水现象等特点。
1.2.6 钢纤维
本试验采用的是平直钢纤维（抗拉强度>2000MPa）；长纤维直径0.2mm，长度13mm；短纤维直径0.2mm，长度6mm。
1.2.7 试验工艺流程图（见图1）
2 力学性能研究
通过对超高强度硅酸盐混凝土基本力学性能的研究，分析水灰比、硅质材料掺量、砂灰比、钢纤维种类及掺量、减水剂掺量、钙硅比等各材料配合比因素对其性能的影响，以达到超高强度硅酸盐混凝土的最优配合比[2]。
2.1 水灰比对混凝土基体的影响
一般来说，影响混凝土强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，我们将此关系称之为水灰比定则。本试验在满足和易性的前提下，水热合成200℃，蒸压养护8h，振动成型的条件下制备，分析水灰比率为0.20、0.21、0.22时，对超高强混凝土强度所产生的影响，配合比如表5。
以上试验显示，骨料未形成刚性骨架，而形成了分散相，其原因在于减小了骨料的最大粒径和所占比例。可见，混凝土性能的关键因素在于基体的质量。而水泥以及火山灰质材料等多种胶凝材料组成了混凝土的基体，也就是说水灰比对混凝土的基体的影响至关重要。水灰比的高低决定着基体中的孔隙率。孔隙率越低，混凝土的密实度越高，同时强度也相应增高。
2.2 砂灰比对混凝土强度的影响
骨料与浆体之比称为砂灰比，其对混凝土强度的影响与内部结构的匀质性密切相关。本试验使用最大粒径不超过600ηm的砂料[3]。本试验分析砂灰比为0.5、0.8、1.1、1.4时，对超高强度混凝土性能的影响，配合比如表6。
上表显示，混凝土的抗压强度随砂灰比的变化而反方向变化。当砂灰比在0.8时混凝土的抗压强度值最大。其原因如下：一般在超高强度混凝土中的水灰比较小。伴随强度的提高，砂的粒径、用量、品种、性能对混凝土的流动性、强度和耐久性都有较大影响；本试验中，砂的弹性模量（70GPa）要比浆体的弹性模量（18～22MPa）高出很多，从而导致混凝土内部的砂浆与骨料两者在力学性能上的极大落差，最终造成硅酸盐混凝土结构的匀质性较差；水泥石在粗集料界面上（即过度区）产生剪力和拉力作用力的原因归结于“骨料较高的弹性模量能改善多种收缩的原理”。正是这种收缩原理造成水泥石在过度区域形成了混凝土的薄弱区，而所产生的剪力和拉力随颗粒尺寸的增大而相应增加。然而，当剪力和拉力的同时作用力超过其粘结强度时，混凝土开裂现象就会频现。可见，要想最终达到提高混凝土强度的目标，必将减小混凝土中浆体和骨料两者在性能上的差别。而减小此种差别的关键在于：首先要减小混凝土中骨料的最大粒径，然后再降低骨料在混凝土中所占的比例，同时浆体的力学性能也得到提高。 另外，事实证明，砂灰比在抗折强度方面的影响并不明显，原因是由于混凝土属于脆性材料，而脆性材料的抗折强度对缺陷的敏感度比较明显，但抗折强度的基准值仍然会处于一个范围内，本试验制备的试件抗折强度处于287～362MPa。
2.3 硅灰掺量的影响
因为在热养护下无定形水化产物会全部转化为钙硅摩尔比为5/6的C-S-H凝胶，所以在试验中，氧化硅与水泥之比定为0.62。本试验硅灰掺量分别为0、0.2、0.25、0.3、0.35时对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响。
2.4 减水剂掺量的影响
本试验分析减水剂掺量分别为0%、1%、2%、3%、4%时，对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响。
2.5 不同水泥对抗压强度的影响
本试验分析自制水泥对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响，如表7所示。
上表显示：试件的抗压强度及抗折强度受砂含量的变化影响极小；另外，如果用自制水泥替代普通硅酸盐水泥制备的试件，即使掺加3%的钢纤维，其抗压强度及抗折强度（240MPa左右）几乎得不到明显提高。而在同工艺同养护条件下，用普通硅酸盐水泥制备的试件，只掺加2%的钢纤维，抗压强度就可明显提高到282MPa。
2.6 添加不同掺量I型高强骨料的力学影响
本试验分析加入不同掺量的I型高强骨料，对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响（见表8）。
2.7 添加不同掺量II型高强骨料的力学影响
本试验分析添加不同掺量的II型高强骨料，对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响（见表9）。
上表显示，在超高强度硅酸盐混凝土中加入II型高强骨料，其抗压强度和抗折强度随掺量的增加而呈下降趋势。同时，掺50%和100%II型高强骨料颗粒的试件与全掺石英砂的试件相比，抗压强度分别下降8%和14%[4]。其原因主要有两方面：一方面II型高强骨科颗粒形态不规则，且棱角比较明显，当受到压力时容易引起应力集中，而形态近拟圆形的石英砂却与基体有较好的结合性能；其次是II型高强骨料的弹性模量高于石英砂的弹性模量，与基体的弹性模量型高强骨料形成整体匀质性。
本文基于超高强度硅酸盐混凝土力学性能的研究，得出了各种强度指标、变形模量与混凝土抗压强度的力学性能关系，才更加深入地了解和认识超高强混凝土的力学性能。同时，也为超高强混凝土的应用奠定了关键基础，使其朝着强韧化、轻量化、多功能化和高效化的方向发展。
参考文献
[1] 李建强.高韧性纤维增强水泥基复合材料试验研究[D].长安大学，2012.
[2] 西林新藏.日本的超高强混凝土与绿色混凝土[A].第三届两岸四地高性能混凝土国际研讨会论文集[C].
[3] 蔡苇.聚羧酸高性能减水剂的制备及性能研究[D].中北大学，2013.
[4] 张必昕.超高强度硅酸盐混凝土的力学性能和抗弹性能研究[D].南京理工大学，2013.
关键词：超高强度硅酸盐混凝土；试验；设备；减水剂；钢纤维
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）10-0223-02
引言
混凝土的高强度化，是通过掺加少量新型高效减水剂达到大幅度减水（低水、水灰比）和硅粉的应用目的。由于硅粉本身就是一种超细微粒的混合材料，具有很强的火山灰反应活性，硅粉的这种特性使混凝土的结构组织细密化，能够轻而易举地使混凝土的强度达到50N/mm2以上。也因此超高强硅酸盐混凝土的应用越来越广泛[1]，本文所研究的超高强硅酸盐混凝土的制备方法基于常规原材料及成型工艺。本文中的试验试件是在压力成型，水热合成200℃蒸压养护8h条件下制备，且在满足易和性的前提下进行的。
1 制备方法及材料特征
1.1 制备方法
在超高强度硅酸盐混凝土的制备过程中，需要准备胶砂搅拌机、水泥胶砂振动台、快开式回转搅拌反应釜、30t液压式压力机、10t万能材料试验机、200t液压式压力机、体式锰微镜、XRD衍射仪、扫描电镜等工具。超高强硅酸盐混凝土的制备流程如下：首先需要在混凝土中添加高强骨料；若使混凝土的结构细密化，要使用细砂，这就需要从中剔除粗骨料；将适量的活性矿物质（硅灰）掺入其中；在达到水热合成的条件下并压力成型后再掺入适量的钢纤维。
1.2 原材料及其基本特征
1.2.1 砂
本试验中采用石英砂，其要求为细砂（最大粒径600ηm，平均粒径约为250ηm），其化学成分如表1所示。
1.2.2 水泥
本次试验中，所使用的水泥为——普通硅酸盐水泥（P.O52.5）。其化学成分如表2所示。
1.2.3 硅灰
本试验采用的硅灰外观为灰白色粉末，其耐火度大于1600℃，容重为200～250kg/m3。硅灰的细度要求为0.1～0.3?m（平均粒径），比表面积为20～28m2/g。硅灰的细度和比表面积为水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。硅灰的化学成分见表3。
硅灰的颗粒形态与矿相结合后，形态为表面较为光滑的非结晶无定形圆球状颗粒，还有些形态为多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。
1.2.4 石英粉
本试验所使用的石英粉是利用机械（球磨机）对其球磨加工2h而成，其平均粒度为40μm，SiO2含量为97.94%，采用相关仪器（透气比表面积仪）测出比表面积为4066.7cm2/g，其化学成分如表4。
1.2.5 减水剂
本试验所选减水剂为聚羧酸系减水剂（掺量低、减水率可达30%），提高混凝土的和易性能，且无离析、泌水现象等特点。
1.2.6 钢纤维
本试验采用的是平直钢纤维（抗拉强度>2000MPa）；长纤维直径0.2mm，长度13mm；短纤维直径0.2mm，长度6mm。
1.2.7 试验工艺流程图（见图1）
2 力学性能研究
通过对超高强度硅酸盐混凝土基本力学性能的研究，分析水灰比、硅质材料掺量、砂灰比、钢纤维种类及掺量、减水剂掺量、钙硅比等各材料配合比因素对其性能的影响，以达到超高强度硅酸盐混凝土的最优配合比[2]。
2.1 水灰比对混凝土基体的影响
一般来说，影响混凝土强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，我们将此关系称之为水灰比定则。本试验在满足和易性的前提下，水热合成200℃，蒸压养护8h，振动成型的条件下制备，分析水灰比率为0.20、0.21、0.22时，对超高强混凝土强度所产生的影响，配合比如表5。
以上试验显示，骨料未形成刚性骨架，而形成了分散相，其原因在于减小了骨料的最大粒径和所占比例。可见，混凝土性能的关键因素在于基体的质量。而水泥以及火山灰质材料等多种胶凝材料组成了混凝土的基体，也就是说水灰比对混凝土的基体的影响至关重要。水灰比的高低决定着基体中的孔隙率。孔隙率越低，混凝土的密实度越高，同时强度也相应增高。
2.2 砂灰比对混凝土强度的影响
骨料与浆体之比称为砂灰比，其对混凝土强度的影响与内部结构的匀质性密切相关。本试验使用最大粒径不超过600ηm的砂料[3]。本试验分析砂灰比为0.5、0.8、1.1、1.4时，对超高强度混凝土性能的影响，配合比如表6。
上表显示，混凝土的抗压强度随砂灰比的变化而反方向变化。当砂灰比在0.8时混凝土的抗压强度值最大。其原因如下：一般在超高强度混凝土中的水灰比较小。伴随强度的提高，砂的粒径、用量、品种、性能对混凝土的流动性、强度和耐久性都有较大影响；本试验中，砂的弹性模量（70GPa）要比浆体的弹性模量（18～22MPa）高出很多，从而导致混凝土内部的砂浆与骨料两者在力学性能上的极大落差，最终造成硅酸盐混凝土结构的匀质性较差；水泥石在粗集料界面上（即过度区）产生剪力和拉力作用力的原因归结于“骨料较高的弹性模量能改善多种收缩的原理”。正是这种收缩原理造成水泥石在过度区域形成了混凝土的薄弱区，而所产生的剪力和拉力随颗粒尺寸的增大而相应增加。然而，当剪力和拉力的同时作用力超过其粘结强度时，混凝土开裂现象就会频现。可见，要想最终达到提高混凝土强度的目标，必将减小混凝土中浆体和骨料两者在性能上的差别。而减小此种差别的关键在于：首先要减小混凝土中骨料的最大粒径，然后再降低骨料在混凝土中所占的比例，同时浆体的力学性能也得到提高。 另外，事实证明，砂灰比在抗折强度方面的影响并不明显，原因是由于混凝土属于脆性材料，而脆性材料的抗折强度对缺陷的敏感度比较明显，但抗折强度的基准值仍然会处于一个范围内，本试验制备的试件抗折强度处于287～362MPa。
2.3 硅灰掺量的影响
因为在热养护下无定形水化产物会全部转化为钙硅摩尔比为5/6的C-S-H凝胶，所以在试验中，氧化硅与水泥之比定为0.62。本试验硅灰掺量分别为0、0.2、0.25、0.3、0.35时对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响。
2.4 减水剂掺量的影响
本试验分析减水剂掺量分别为0%、1%、2%、3%、4%时，对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响。
2.5 不同水泥对抗压强度的影响
本试验分析自制水泥对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响，如表7所示。
上表显示：试件的抗压强度及抗折强度受砂含量的变化影响极小；另外，如果用自制水泥替代普通硅酸盐水泥制备的试件，即使掺加3%的钢纤维，其抗压强度及抗折强度（240MPa左右）几乎得不到明显提高。而在同工艺同养护条件下，用普通硅酸盐水泥制备的试件，只掺加2%的钢纤维，抗压强度就可明显提高到282MPa。
2.6 添加不同掺量I型高强骨料的力学影响
本试验分析加入不同掺量的I型高强骨料，对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响（见表8）。
2.7 添加不同掺量II型高强骨料的力学影响
本试验分析添加不同掺量的II型高强骨料，对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响（见表9）。
上表显示，在超高强度硅酸盐混凝土中加入II型高强骨料，其抗压强度和抗折强度随掺量的增加而呈下降趋势。同时，掺50%和100%II型高强骨料颗粒的试件与全掺石英砂的试件相比，抗压强度分别下降8%和14%[4]。其原因主要有两方面：一方面II型高强骨科颗粒形态不规则，且棱角比较明显，当受到压力时容易引起应力集中，而形态近拟圆形的石英砂却与基体有较好的结合性能；其次是II型高强骨料的弹性模量高于石英砂的弹性模量，与基体的弹性模量型高强骨料形成整体匀质性。
本文基于超高强度硅酸盐混凝土力学性能的研究，得出了各种强度指标、变形模量与混凝土抗压强度的力学性能关系，才更加深入地了解和认识超高强混凝土的力学性能。同时，也为超高强混凝土的应用奠定了关键基础，使其朝着强韧化、轻量化、多功能化和高效化的方向发展。
参考文献
[1] 李建强.高韧性纤维增强水泥基复合材料试验研究[D].长安大学，2012.
[2] 西林新藏.日本的超高强混凝土与绿色混凝土[A].第三届两岸四地高性能混凝土国际研讨会论文集[C].
[3] 蔡苇.聚羧酸高性能减水剂的制备及性能研究[D].中北大学，2013.
[4] 张必昕.超高强度硅酸盐混凝土的力学性能和抗弹性能研究[D].南京理工大学，2013.