150~200MPa超高强高性能混凝土的配制.doc

150200MPa超高强高性能混凝土的配制王冲 蒲心诚 刘芳 吴建华 （重庆大学B区建筑材料工程系，重庆，400045） 摘要：本论文在分析了活性粉末混凝土的特点基础上，研究了利用常规材料和普通工艺制备150200MPa超高强高性能混凝土的可行性，研究结果表明，在不剔除粗集料的情况下，采用极低水胶比，配制出最高抗压强度达到170.3MPa的超高强高性能混凝土，而混凝土拌和物流动性仍然很好，塌落度可以达到245mm，扩展度达到563mm。本研究认为，为充分发挥混凝土成本低廉的优势，配制超高强高性能混凝土最佳的技术路径并不是剔除粗集料，而是如何去解决混凝土中由于粗集料所带来的缺陷问题。 关键词：超高强高性能混凝土，活性粉末混凝土，粗集料，强度，流动性 1.超高强高性能混凝土发展背景随着我国城市化的发展，城市人口数量逐渐增多，而城市土地面积有限，地价如金，因此，建筑物的高层化与超高层化不可避免；我国公路网和高速公路网、铁路网和高速铁路等基础设施的大规模建设，跨越大江、大河、深谷、海峡的大跨和超大跨桥梁的兴建也与日俱增；随着人类的生产与生活活动向海洋扩展，大量海洋平台亦将在浅海或深海兴建。这种发展趋势将引导我国的现代化建筑向着高层化、大跨化、重载化及结构轻量化方向发展。这就对我国的建筑结构材料剔除了更高的要求，也就是混凝土向高强化，超高强化发展。2.活性粉末混凝土（RPC）现代混凝土技术的发展，主要趋势之一就是混凝土的高强化，由于高效减水剂和超细活性矿物掺和料的掺入，高性能混凝土已在实际工程中得到了广泛的应用，混凝土强度发展也越来越高，用普通工艺和常规材料已经可以配制出100150MPa的高性能混凝土1、2。而强度更高，其它性能更为优异的混凝土发展也非常迅速。表1典型的活性粉末混凝土实例编号配合比成型压力（MPa）养护条件（）抗压强度（MPa）RPC类型参考文献水水泥硅灰石英粉砂钢纤维减水剂10.1610.2401.10.2*170230RPC200320.1710.230.391.100.019090170230RPC200430.1910.230.391.100.019090170230RPC200440.1910.230.390.50.630.01950250400490680RPC800450.2810.3250.31.43200.027090163RPC200560.2610.3250.31.430.20.027090197RPC200570.2510.1000.00526.8208165300RPC2006注：*表示资料缺少。活性粉末混凝土即是一种特殊的高性能混凝土，它是法国人P.Richard仿效DSP材料，将被认为是导致混凝土容易产生缺陷的粗集料剔除，再根据密实堆积原理，减小细集料粒径，在热压条件下成型，并高温蒸压而成。表1是关于活性粉末混凝土的几个实例：从表1实例中可以看到，活性粉末混凝土主要存在以下特点：（1）水胶比低，强度高，韧性好；（2）无粗集料，材料匀质性高。然而作为廉价性优、用量最大的粗集料被剔除后，活性粉末混凝土原材料成本昂贵；（3）成型条件要求高：为保证强度，混凝土采用热压成型，成型工艺复杂，更主要的是，无法在施工现场成型，必须先预制成型，成本增加；（4）后期需要热养护或蒸压养护，也增加了混凝土的成本。以此来看，活性粉末混凝土强度及其它性能都十分优异，但是其致命缺点是制作工艺复杂，成本高，国内外虽有不少工程应用3、5，对于用量大和使用范围广泛的建筑工程来讲，活性粉末混凝土的应用仍然有非常大的局限性。因此，本文作者们认为，建筑工程中配制高强度的混凝土，最好要考虑到混凝土的现场可操作性，同时要充分发挥粗集料在混凝土中的作用。在此基础上，本文的研究目的就是不剔除粗集料，不热压成型，应用普通工艺和常规材料来配制150200MPa超高强高性能混凝土。3.本研究用原材料及试验方法3.1原材料（1）水泥：重庆地维525普通硅酸盐水泥，化学成分和比表面积见表2；（2）硅灰：贵阳清镇铁合金厂生产，化学成分和比表面积见表2；（3）矿渣：经振动磨磨细，化学成分和比表面积见表2；表2胶凝材料化学成分和比表面积材料化学成分（）比表面积(cm2/g)CaOSiO2Al2O3Fe2O3TiO2MgOSO3烧失量水泥64.6720.755.213.780.511.852.711.153730硅灰0.5694.900.491.070.701.90约20万矿渣39.3532.6414.062.422.907.138800（4）高效减水剂：密胺树脂型高效减水剂，固含量31.0%，掺量按胶凝材料重量的固定比例掺入；（5）粗集料：重庆小泉石灰石碎石，最大粒径20mm；（6）细集料：四川简阳中砂，细度模数2.40。3.2试验方法：（1）混凝土成型：试验过程经原料称量、充分搅拌后，测试拌和物的流动性，再振动成型；（2）养护：混凝土入模后静置24小时拆模，标准养护至规定龄期，或在175下蒸压养护后，进行强度测试，（3）强度测试：试件尺寸101010cm。4.试验结果及分析水胶比是决定混凝土强度最关键的因素，为保证充分密实，本研究在参照高性能混凝土配制经验基础上1、2，进一步降低水胶比，同时，为保证混凝土具有良好的流动性，胶凝材料用量也相应提高，现分别将试验结果讨论如下：表3试验研究结果配比编号胶凝材料用量(kg/m3)掺和料(%)水胶比减水剂(%)砂率(%)流动性(mm)强度（MPa）备注硅灰矿渣塌落度扩展度3d28d56d90d蒸压15001000.18240092.6130.4139.7151.2-27001000.1824012526294.6134.7146.6160.3-39001000.18240245563105.3136.8150.2170.3-470010200.142401096.4144.5153.2-590010200.1424017229498.1149.5159.1-6110010200.14240262560104.0154.0162.5-79001000.1424043103.7145.7158.6-870010200118.5136.8-169.09100010200.182100280804-138.0156.3-175.1无粗集料1070010200.1821000-124.6146.7-173.6无粗集料从以上结果可以得出：（1）在水胶比为0.18时，胶凝材料用量从500kg/m3增加到900kg/m3（配比1、2、3），混凝土流动性增加，塌落度从0mm增加到245mm，而扩展度也从不扩展到扩展直径达到563mm；从强度值来看，与普通混凝土不同的是，本论文试验中的强度随胶凝材料用量的增加而增加，在每个龄期都表现出这样的规律，特别是配比3，胶凝材料用量为900kg/m3，其90天抗压强度达到170.3MPa。（2）混凝土水胶比控制技术取得突破，水胶比可降低至0.14，而其结果与水胶比0.18时表现出一致的规律，当胶凝材料用量从700kg/m3增加到1100kg/m3时，混凝土塌落度可达到262mm，扩展度达560mm，而抗压强度在56天就可达到162.5MPa；（3）水胶比仍然是决定混凝土强度的关键，虽然在低水胶比条件下，水泥水化程度非常低，按照文献7，计算可以得到，水胶比在0.14时，水泥最大水化程度只有38.9%，而水胶比为0.18时，水化程度也只有50%（不考虑掺和料火山灰反应），但是，由于密实度的增加，水胶比为0.14时其最高强度56天达到162.5MPa；（4）在掺入10%硅灰条件下，再掺入20%的矿渣对混凝土流动性贡献极大（配比5、7），在极低的水胶比（0.14）条件下，在同等条件下不掺矿渣塌落度只有43mm，基本无扩展，而掺入矿渣后塌落度可达到172mm，而强度降低很少；（5）混凝土在蒸压养护后强度提高幅度较大（配比8、9、10），与标准养护试件相比，蒸压养护后强度最高可以达到175.1MPa；（6）混凝土中粗集料对混凝土强度不利，与有粗集料混凝土相比，混凝土中无粗集料时的强度明显较高（配比8、9、10），从而也说明了活性粉末混凝土技术基础的合理性.5.问题与讨论（1）本研究表明，在有粗集料存在的条件下，混凝土强度完全可以达到活性粉末混凝土RPC200级别，这说明，在保证混凝土成本廉价的条件下，配制超高强高性能混凝土最适合的技术途径并不是剔除粗集料，而是应该怎样克服粗集料带来的缺陷；（2）本研究只对150200MPa超高强高性能混凝土的配制技术做了可行性研究，结果表明，用普通工艺和常规材料完全可以制备150200MPa超高强高性能混凝土，但胶凝材料用量较多，其收缩等问题需要进一步研究，不过，相对活性粉末混凝土，本研究所用胶凝材料还是要少；（3）由于胶凝材料用量多，又掺入了大量的超细矿物掺和料，水胶比又极低，导致混凝土拌和物粘滞性非常大，在振动密实过程中，混凝土内部排气极为困难，充分密实困难，这也影响到强度的增加；（4）由于掺入了较多的活性矿物掺和料，试验中发现，混凝土龄期到28天时，强度并未得到充分发展，到56天、90天时增长趋势仍然明显，因此，混凝土强度设计规范以28天强度作为设计依据已不是很合理，有必要以56天，甚至90天强度作为设计规范依据；（5）由于超高强高性能混凝土的脆性特征表现更为强烈，因此，在工程应用中需要与韧性材料复合，这也是活性粉末混凝土掺入钢纤维的原因，同样，与钢管复合，制备超高强高性能钢管混凝土也是非常好的技术途径.参考文献：1蒲心诚，严吴南，王冲等. 150MPa超高强高性能混凝土研究与应用前景，混凝土，1999,(3)2蒲心诚，严吴南，王冲等. 100150MPa超高强高性能混凝土的配制技术，混凝土，1998，（6）3覃维祖，活性粉末混凝土的研究，水泥基复合材料科学与技术吴中伟院士从事科教工作60年学术讨