（材料学专业论文）c50自密实混凝土的配制及粗骨料对其弹性模量的影响研究.pdf

摘要近年来高强自密实混凝土( s c c ) 得到了大量应用，但是弹性模量仍然偏低的特点在很大程度上限制了其应用领域，提高s c c 弹性模量具有一定的现实意义。本文首先进行了c 5 0s c c 用矿物掺合料体系研究与c 5 0s c c 的配制，并试验研究了粗骨料的用量、强度、最大粒径、填充度、表面粗糙度、粒形、针片状含量对c 5 0s c c 弹性模量的影响，最后利用神经网络对c 5 0s c c 弹性模量进行了预测。得到主要结论如下：1 粉煤灰和矿渣复合胶凝材料体系研究表明：当矿渣：粉煤灰=l ：4 时，复合粉体的密实度大为提高，降低了胶凝材料体系的需水量，改善了水泥石内部结构，提高了强度，这为配制低水胶比、高强s c c提供了技术支持。2 混凝土拌合物工作性和硬化混凝土力学性能试验结果表明：c 5 0s c c 配合比参数范围为：胶凝材料总量为5 0 0 6 0 0 k g m 3 ：矿物掺合料u f s 取代量2 0 4 0 ；砂率4 0 4 6 ；水胶比0 2 8 0 3 2 ；高效外加剂( f d n 复合) 最佳掺量1 0 1 4 ；针片状含量 含量 填充度 表面粗糙度 球度模数 针片状含量 粒径。5 采用神经网络对s c c 弹性模量进行预测，预测值与实测值相比，其相对误差均在l o 以内，预测精度较高。6 通过控制粗骨料的特征参数、强度和用量，可以配制出高弹性模量的s c c ，为s c c 的推广提供了技术保障。关键词自密实混凝土，粗骨料，弹性模量，神经网络，预测r e c e n t l y , t h eh i g h - s t r e n g t hs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ( s c c ) i su s e dw i d e l y h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co fl o we l a s t i cm o d u l u sr e s t r i c t si t sa p p l i c a t i o ni ng r e a te x t e n ta n di n c r e a s i n gt h ee l a s t i cm o d u l u so fs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ei sm e a n i n g f u l t h i sp a p e rs t u d i e st h em i n e r a la d m i x t u r es y s t e mo ft h ec 5 0s c ca n dm i x i n gt h ec 5 0s c c ，a n dt h ee f f e c to fc o a r s ea g g r e g a t ev o l u m e ，s t r e n g t h , t h em a x i m u ms i z e ，f i l l i n gd e g r e e ，吼妇er o u g hd e g r e e ，p a r t i c l es i z e ，a c i c u l a rc o a l s ea g g r e g a t ev o l u m eo nt h ee l a s t i cm o d u l u so fs c ca l es t u d i e d f i n a l l y , u s et h en e u r a ln e t w o r kt of o r e c a s tt h ee l a s t i cm o d u l u so ft h ec 5 0s c c 1 胁m a i nc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ：1 t h er e s e a r c hr e s u l t so fm i n e r a la d m i x t u r es h o wt h a t ：w h e nt h er a t i oo fs l a gc o n t e n tt of l ya s hi s1 ：4 ，t h ec o m p a c t i o no ft h ec o m p o s e dp o w e ri si n c r e a s e dg r e a t l y , t h ec o n t e n to fw a t e rn e e d e di nt h eb i n d e rs y s t e mi sr e d u c e d , t h ei n n e rs t r u c t u r eo ft h ec e m e n tp a s t ei si m p r o v e d ,a n dt h es t r e n 6 n hi si n c r e a s e d , a n dt h i ss u p p l i e st h et e c h n i c a ls u p p o r tf o rm i x i n gl o ww ba n dh i g h - s t r e n g t hs c c 2 1 1 l em i x i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t so fc 5 0s c cs h o wt h a tt h ec o n t r o l l i n gr a n g eo fm i x i n gp r o p o r t i o np a r a m e t e ri s ：5 0 0t o6 0 0k g m jo fb i n d e rc o n t e n t , 2 0 t o4 0 o fu f sr e p l a c e m e n t , 4 0 t o4 6 o fs a n dr a t i o ，0 2 8t o0 3 2o fw 甩，1 0 t o1 4 o fs p 但研田， c o n t e n t f i l l i n gd e g r e e s u r f a c er o u g hd e g r e e s p h e r i cm o d u l u s a c i c u l a lc o a r s ea g g r e g a t ev o l u m e p a r t i c l es i z e 5 t h en e u r a ln e t w o r kc a nf o r e c a s tt h ee l a s t i cm o d u l u so fs c cme x a c t l y , a n dt h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h ef o r e c a s tv a l u ea n dt h em e a s u r ev a l u ei su n d e r1 0 6 c o n t r o l l i n gt h ea g g r e g a t ep a r a m e t e rc a r lm i xs c cw i t hh i g he l a s t i cm o d u l u s ，a n di tp r o v i d e st h er e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fs c c k e yw o r d ss e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t em o d u l u s ，n e u r a ln e t w o r k , f o r e c a s t原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。作者签名：塑堡叠e t l l i i ：塑年月兰日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，i l l l , 学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。作者签名：出堡叠导师签名：日期：二盟年上, e l 兰e t日期：c 坦乙年li ：兰顼士学位论文第一章绪论1 1 问题的提出第一章绪论自密实混凝土是二十世纪九十年代日本学者冈村甫教授发明的一种高性能混凝土，其主要是通过复合型外加剂、优质掺合料、粗细骨料的选择，搭配及精心的配合比设计使混凝拌合物能在自重作用下无需振捣，自行填充模板空间，形成自密实结构，并兼有良好力学性能和耐久性能的一种高性能混凝土“1 与普通混凝土相比，自密实混凝土不仅具有充填性能好、节省劳动力、加快施工进度、消除施工噪声危害，还能够大量利用工业产生的废弃矿渣、粉煤灰等，保护环境，促进了资源的合理再利用等一系列优点。由于这些显著的优点，自密实混凝土从发明之日起就得到了广泛关注和飞速的发展，自密实混凝土被称为。近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”，冰岛建筑研究院的w a l l e v i k 先生预言：“将来有一天，所有混凝土都会变成自密实混凝土瑚到1 9 9 4 年底，日本已有2 8 个建筑公司掌握了自密实混凝土技术0 1 。在日本，采用自密实混凝土可以减少单位用水量和水泥用量，从而在不改变原有的泵送施工方案的情况下能大幅度提高混凝土的质量，减少干燥收缩和混凝土的泌水与离析，提高抗渗性和耐久性。在德国，由于采用了自密实混凝土，改善了施工性能，降低了混凝土在浇筑、振捣时所需的劳动力，从而降低了造价，提高了工效，减少劳动量并缩短了工期。我国从九十年代中期开始自密实混凝土的研究，到2 0 0 4 年深圳、上海、北京等城市己浇注自密实混凝土4 万皿3 伽。随着中国西部的大开发，道路桥梁，水工大坝、铁路设施等混凝土工程量迅速增加，这些工程都是在野外比较困难的条件下施工，工程进度的效率和连续性成了最为关键的问题。自密实混凝土正是解决这些问题的最有效材料，因此，自密实混凝土性能的研究对今后其发展前景就具有相当重要的意义。短短的十几年时间，国内外在自密实混凝土性能方面已经做了大量的研究工作”8 ，并取得了丰硕的成果。尤其是一些发达国家，如：日本、美国、加拿大等，研究都已经比较深入，并制定了相应的规范由于我国对自密实混凝土的研究较晚，目前只有少数单位傲了这方面的研究，主要的有：清华大学、中南大学、福州大学。但是也取褥了较多的研究成果。中南大学还制定了自密实混凝土施工指南，大体上讲我国对自密实混凝土的研究还处于起步阶段弹性模量是混凝土主要的一个力学参数，在混凝土中起着非常重要的作用，是计算钢筋混凝土结构的变形，裂缝开展和大体积混凝土的温度应力所必须的参数之一自密实混凝土由于胶凝材料用量多、砂率大，其弹性模量较普通混凝土低。在今天建硕士学位论文第一章绪论筑行业要求施工机械化、简单化，混凝土高性能化的大环境下，自密实混凝土的应用范围必然会越来越广，应用量必然会越来越大，而这一缺陷将大大限制自密实混凝土的应用领域，因此，解决自密实混凝土弹性模量偏低的问题就显得非常重要。粗骨料是混凝土的主要成分，占混凝土的体积含量的6 0 以上，也是影响混凝土弹性模量最主要的因素。因此，弄清楚粗骨料和自密实混凝土弹性模量的关系对解决自密实混凝土弹性模量偏低的问题具有非常重要的意义。本文主要通过研究粗骨料对自密实混凝土弹性模量的影响规律并建立其弹性模量的预测模型，为配制高弹性模量的自密实混凝土提供理论支持和技术指导。1 2 国内外研究现状自密实混凝土由于粗骨科用量较少，其弹性模量比同一品种租骨科的普通混凝土弹性模量要低，根据j i s 的方法试验，降低值约1 0 “】。武汉城市建设学院的张长清嗍通过比较成型方式对自密实混凝土的影响，发现振捣混凝土的弹性模量略高于免振捣自密实混凝土的弹性模量，并选用特细砂配制的自密实混凝的弹性模量只是略低于普通混凝土。瑞典的b e r t i l “”对自密实混凝土和普通混凝土比较试验得出，自密实混凝土和普通混凝土弹性模量基本一致。对自密实混凝土弹性模量影响因素有很多，国内外学者作了一些研究，但是粗骨料对自密实混凝土弹性模量影响因素及其影响规律，目前的研究还很少，只有几家单位和研究机构进行了初步探讨。1 2 1 粗骨料对自密实混凝土弹性模量影响中南大学谢友均等人通过试验发现“目，降低混凝土的砂率，提高粗骨料含量可以提高自密实混凝土的弹性模量。中南大学的李彦广“”研究发现，1 ) 自密实混凝土弹性模量受粗细骨料相对体积含量影响显著。当砂子与砂浆体积比在o 4 3 附近时，混凝土弹性模量最大，小于或者大于0 4 3 ，弹性模量均降低。2 ) 在早期，粒径小的粗骨料配制混凝土弹性模量高于粒径大粗骨料配制的混凝土弹性模量，而后期刚好相反，总的来看，粗骨科最大粒径对混凝土弹性模量的影响不显著。3 ) 碎石混凝土的弹性模量明显高于卵石混凝土的弹性模量，其原因除了界面影响外，石灰石碎石和卵石粗骨料弹性模量的差别是重要影响因素。美国佛罗里达大学的霄a h h ，d v r e d d y “”发现，降低水胶比和提高租骨料密实度可以提高自密实混凝土的强度和弹性模量。香港工业大学的w g w o n g “”等人发现在自密实混凝土中加入聚合物，随着聚合物与水泥的比值增大，混凝土的动弹性模量降低明显，但是当超过2 0 后，弹性模量变化趋势减2硕士学位论文第一章绪论弱。1 2 2 粗骨料对其它混凝土弹性模量影响研究通过对国内外文献的查阅，到目前为止，粗骨料对自密实混凝土弹性模量影响研究较少，但是国内外学者和科研院所就粗骨料对其它混凝土的弹性模量影响研究做了大量研究工作，这些研究成果可以作为我们在研究白密实混凝土弹性模量时借鉴。1 ) 在粗骨料品种和粗骨料含量方面，研究主要集中在对再生粗骨料、轻集料部分或全部取代天然粗骨料配制的混凝土，得出的结论主要有：华中科技大学的杜婷洲等发现高性能再生粗骨料混凝土的弹性模量随其强度的增大而单调增大，且其弹性模量明显低于高性能天然粗骨科混凝土，试验中配制的c 3 5 ，c a 5 ，c 5 0 ，c 5 g ，c 6 0 的高性能再生粗骨料混凝土的弹性模量比同强度等级的高性能天然粗骨料混凝土分别降低了2 6 7 ，2 4 6 5 ，2 2 0 7 ，1 6 8 2 和1 7 1 5 这说明高性能再生粗骨料混凝士的脆性较高性能天然粗骨科混凝土低，而韧性较高性能天然粗骨料混凝土好浙江水利水电专科学校的徐蔚乜1 1 在再生粗骨料对再生混凝土性能的影响研究中，得出再生粗骨料取代率对混凝土的弹性模量也有一定的影响，随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土的弹性模量降低，当再生粗骨料取代率为1 0 0 时，混凝土( c 4 0 ) 弹性模量降低1 9 1。再生混凝土弹性模量降低的原因主要是再生粗骨料本身弹性模量较低以及再生混凝士的空隙率也较高。厦门大学的许岳周研究证实嘲，再生粗骨料混凝土弹性模量随再生粗骨料替代率的增大而降低，再生粗骨料替代率在3 0 以内，弹性模量损失基本都在1 5 以内，当再生粗骨料替代率达到1 0 0 时，最大弹性模量损失达到4 5 。并根据已有文献数据。综合考虑再生粗骨科替代率和水灰比对再生粗骨料混凝土抗压弹性模量的影响，结合我国规范中关于普通混凝土弹性模量的计算公式，回归分析后提出再生粗骨料混凝土抗压弹性模量的计算公式如下；= 1 0 0 一o 4 3 a x l 2 5 - 0 6 3 力( 2 2 + 3 4 7 丘)其中：为再生粗骨料混凝土抗压弹性模量，允为再生粗骨科所替代的原天然粗骨料混凝土在水灰比为0 4 下的极限抗压强度，q 为再生粗骨料替代率，b 为再生粗骨料混凝土水灰比。本公式适用水灰比范围为0 4 0 7 。广东省建筑工程集团有限公司的夏正武嘲通过对同水胶比的再生粗骨科混凝土和同坍落度的再生粗骨料混凝土弹性模量的研究，发现两者均较普通混凝土弹性模量有显著下降，下降程度分别为1 3 6 和2 4 4 再生混凝土弹性模量降低的原因除了再生粗骨料本身的弹性模量较低以及其孔隙率高以外，对于同坍落度的再生粗骨料混凝土尚有混凝土抗压强度降低的影响。贵州工业大学的周丽霞伽在进行高性能混凝土粗骨科选择研究时，提出混凝土的弹性3硕士学位论文第一章绪论模量与粗骨料弹性模量的关系：y = 2 5 0 + o 2 0 x其中：y 混凝土的弹性模量，) 【- 一粗骨科的弹性模量。因此，粗骨料的弹性模量越大，混凝土的弹性模量也相应增大，因此应选择弹性模量大的粗骨料。武汉大学的刘数华陆1 通过选择沙排产的弹性模量较低粗骨料和三峡产的弹性模量较高粗骨料配制的混凝土弹性模量存在显著差异，沙排粗骨料配制的混凝土弹性模量远小于三峡粗骨料配制的混凝土的弹性模量。这验证了选择低弹性模量粗骨料能达到降低混凝土弹性模量的目的。哈尔滨工业大学的袁杰嘲进行了轻集料和普通碎石混合租骨料混凝土弹性模量的研究，从试验中得出：随着碎石比例的增大，各组混凝土的弹性模量逐渐增大，且与粗骨料中碎石的比例近似呈线性关系经过回归分析，得到其表达式为e - 2 5 6 + 0 7 2 x ( x i o m p a ) ，其中x 为粗骨料中碎石所占的比例。根据各组混凝土弹性模量的实测值与立方体抗压强度厶和干体积密度进行回归分析，得出它们之间的关系式为e = 2 1 5 p ( 蹦“，相关系数高于 0 7 4 1 ) ( 3 3 )式中：卜两相颗粒的粒径比e ( 0 ) 粒径比为0 的两相颗粒的空隙率最大降低值ae ( r ) 粒径比为r 的两相颗粒的空隙率最大降低值本节在矿渣一粉煤灰复合粉体中选取细度较大的矿渣作为初始单一粒径粉体，通过粉煤灰掺入比例的增加，寻找空隙率降低的最大值以确定粉煤灰一矿渣达到最紧密堆积的比例。试验结果和计算结果见表2 - 3 和表2 - 4 1 1硕士学位论文第二章c 5 0 自密实混凝土用复合胶凝材料体系研究由表2 - 4 可以看出随着复合粉体中粉煤灰的比例增加，其空隙率最大降低值随之增大，但是当比例达到l ：4 后其空隙率的最大降低值基本不交。表2 - 4 的试验结果与表2 - 3 的计算结果基本吻合。这些都说明当矿渣一粉煤灰的比例达到1 ：4 后，复合粉体基本达到了最紧密堆积，再增加粉煤灰的比例其空隙率下降的幅度非常微弱。由此得出矿渣一粉煤灰复合粉体的比例增加到1 ：4 后基本达到最紧密堆积，此比例复合粉体组合记为u f s 。2 2 1 3 净浆流动度及胶砂强度试验具有优化颗粒级配的多元胶凝粉体，由于紧密堆积使浆体中的填充水被置换出来，因此紧密堆积粉体在满足相同和易性的情况下，可以降低用永量，或者在相同用水量的条件下，可以得到更优异的工作性。所以填充水量的变化显著影响浆体流变性能，相同用水量的浆体流动性也可以在宏观上指示粉体紧密堆积的程度表2 - 5 复合粉体流动性及强度试验结果注：洗番皮试验用水量s 缸橐照酸承残拳越甩量1 。5 5 ，叠度诲验肢曩材辨4 5 0 s ，用水量2 2 5 9 ，矿物掺舍并取代量3 0* 由表2 5 可知：1 ：l 1 ：4 比例的复合粉体其胶砂流动性呈增加趋势，其中比例达到1 ：4时其流动度达到最大值( 3 1 0 , i ) ，而1 ：5 比例的胶砂流动度则显著降低。这是由于随着超细粉煤灰比例增加，胶凝材料比表面积增加，降低表面张力而吸附的水量也随之增加，对流动度产生了相当大的负效应。因此在工作性能的指标中矿渣一粉煤灰复合粉体的优选比例应为1 ：4 。在早期强度方面，矿渣一粉煤灰复合比例在1 ：1 1 ：4 之间，每一比例较前一比例的强度下降值平均控制在4 8 之内，而比例为l ：5 时，胶砂强度无论是抗折还是抗压都明显下降，其中最大下降值达到了1 5 7 。因此，考虑到满足强度要求和经济性两方面。选取l ：4 比例较为合适。综合考虑了复合体系粒径分布、颗粒级配、复合粉体紧密堆积、胶砂流动性和强度等方面影响因素，矿渣一粉煤灰按1 ：4 的混合比例，既使粉体材料具有很高的密实度又具有较好的早期强度和工作性，且可充分发挥粉煤灰的经济效益和环保效益，因此本试验优选1 ：4混合比例，简称u f s 。硕士学位论文2 3u f s 基本性能研究j ! 三皇c 5 0 皂密实混凝土用复合胶凝材料佳泵研褒2 3 1u f s 、水泥和两种高效减水剂的相容性试验为了研究u f s 、水泥与高效减水剂的相容性，找出高效减水剂的饱和点，采用低水胶比( 冒b 为0 2 9 ) 、i n s 掺量2 0 的水泥胶砂分别铡试与聚羧酸高效减水剂和萘系商效减水剂的相容性ee一蜒髂爝0 00 20 40 80 8 01 21 1 6聚羧酸系减水剂c )冒、一堪需嚣0 60 81 01 , 2t 1 6蓁系离效减水刹( )图2 - 4u f s 水泥与减水荆的相容性试验图2 _ 4 试验结果可以看出：第一，两种减水杂的掺量有踢显的饱和点，聚羧酸减水剂掺量0 9 时达到饱和点，流动度达到2 7 5 哪，萘系高效减水剂掺量1 1 时达到饱和点，流动度达到2 5 0m m ；第二，净浆流动性的经时损失小，流动度损失均小于5 ；第三，净浆达到饱和点时减水剂掺量均较小。因此可以说，u f s 、水泥与聚羧酸和萘系高效减水剂的相容性都很好，考虑减水剂的价格和来源，在后面的试验中都采用蒙系高效减水剂2 3 2 掺矿渣、粉煤灰、u f s 水泥胶砂的需水量比及活性试验在浆体中的填充水和吸附水中，假设吸附水在颗粒表面的吸附状态不会因粉体混合、搅拌而发生变化，则几种不同细度粉体按比例混合后如果不发生紧密堆积效应，体系的堆积密实度将不发生变化，复合粉体水泥胶砂达到相同流动度时的需水量应是各粉体达到相同流动度时需水量的如权平均值蜢，酃：蜒= 吼x + 瓢y + ，由表2 6 试验结果计算得到u f s 水泥胶砂的m 应为2 2 0 8 9 ，而表2 - 6 中u f s 水泥胶砂实际需水量仅为2 1 1 9 。这说明u f s一水泥复合粉体中细颗粒填充部分空隙，置换出大量空隙水，进一步证明了粉体颗粒发生了紧密堆积效应。硕士学位论文第二章c 5 0 自密实混凝土用复合胶凝材料体系研究注：水汜胶砂流动度试验中控制在( 1 5 04 - 5 ) _由活性试验可知，u f s 复合矿物外加剂的活性无论是1 d 还是2 8 d 均高于单掺矿渣或者粉煤灰的活性。其中2 8 d 活性提高明显。这一点在强度试验结果中得到了进一步的证明。2 4u f $ 对水泥胶砂强度的影响2 a 1 掺矿渣、粉煤灰、u f s 水泥胶砂的力学性能试验为了直观地探讨u f s 粉体对胶砂强度的改善效果，分别掺入1 0 6 0 的粉煤灰、矿渣、u f s 进行水泥胶砂强度对比试验。其中基准胶砂c w 为0 5 ，掺矿物掺合料胶砂用水量以与基准胶砂相同流动度( 1 8 0 咖5 岫) 确定。试验结果见图2 - 5 、图2 - 6 。图2 - 5 、图2 6 试验结果表明：1 ) 掺u f s 水泥胶砂与基准胶砂强度相比，掺u p s 水泥胶砂1 d 抗折、抗压强度均低于基准水泥胶砂强度，2 8 d 强度在掺量小于5 0 时，强度均有所提高2 ) 早期强度( 1 d ) ：掺矿物掺合料早期抗压与抗折强度的变化规律相似，即u f s s g u f a 。其中掺u f s 胶砂与单掺u f a 胶砂相比强度提高幅度明显，与单掺s g 胶砂相比也有很大程度的提高。以掺量2 0 为例，掺入u f s 胶砂抗折强度较掺u f a 、s g 胶砂分别提高3 3 0 、2 8 3；抗压强度分别提高了3 3 4 、1 7 9 。早期矿物掺合料的水化速度很慢，对强度贡献主要依靠形态效应和微集料效应，试验结果表明u f s 一水泥体系的次级级配良好，密实了水泥石结构，叠合效应显著，从而较单掺掺合料大幅提高了胶砂的早期强度。3 ) 后期强度( 2 8 d ) ：与( 2 ) 相比，强度的变化规律基本相同，但强度提高幅度明显减小，仍以掺量2 0 为例，掺入u f s 胶砂抗折强度较掺u f a 、s g 胶砂分别提高1 3 8 、6 8；抗压强度分别提高了5 2 、8 4 。上述试验结果表明，矿渣、粉煤灰以合理比例复合成的u f s 在早期、后期都充分发挥了粉体效应，加快了水化速度并密实了水泥石结构，提高了强度，真正实现了两种掺合料1 4硕士学位论文第二章c 5 0 自密实混凝土用复合胶凝材料体系研究在水化和结构形成过程的不同时期、不同层次上发挥作用，从而达到物尽其材，优势互补的效果富t薯一划鬣璃端罡置一瑙疆器蠕- t ooo2 0 柏矿物掺台科掺t i l- 1 00 o 矿物掺合抖掺量i 图2 - 5 矿物掺合料掺量对肢砂力学性能的影响( 1 d )0柏矿物掺合料掺量i lo柏矿物掺合料掺量 图2 - 6 矿物掺合耕掺量对胶砂力学性能的影响( 2 8 d )2 4 2u f s 掺量对胶砂强度的影响规律在证实了u f s 掺入的优异效果后，为了迸一步考虑u f s 掺量对水泥胶砂强度的影响规律，分别采用两种不同水胶比条件下，以2 0 、4 0 、g o 的u f s 等量取代水泥进行胶砂强度试验。其配合比和试验结果见表2 - 7 、图2 - 7 和图2 - 8 。试验结果表明；1 ) 无论水胶比低或高，早期强度o d ) 都有下降的趋势，但当掺量为2 0 时，强度下降幅度不大；2 ) 在后期( 2 8 d ) ，强度下降的幅度更小，甚至当u p s 掺量为2 0 和4 0 时其抗折强度均较基准胶砂有所提高，其中w b 为o 3 时2 0 和4 0 掺量的胶砂抗折强度分别提高5 7 3 和4 2 7 ，w a 为0 4 时2 0 和4 0 掺量的胶砂抗折强度分别提高5 3 和1 3 。抗压强度也是在2 0 左右较基准有所提高，其提高幅度为2 8 ( w b = o 3 ) ，5 5 一芒置v越礤坦搭lit量一越氍坦零硕士学位论文第二章c 5 0 自密实混凝士用复合胶凝材料体系研究( w b = 0 4 ) 。由以上分析可知，在掺量2 0 * * 左右时对胶砂早期下降幅度最小，对后期强度增强效果最好。因此，u f $ 的适宜掺量建议在2 0 左右。表2 - 7 不同u f s 掺量的水泥肢砂试验窑cs 盹，咖，鬻怒抗警引= 抗孑度=o柏u f s 取代量( )0垒v瑙鳗鞲辐o2 04 0u f s 取代量( )图2 7i j f s 对水泥胶砂性能影响( 1 d )o加u 毽取私遣( )重v型骥辖蝠o柏u f s 取代量( )图2 - 8o f s 对水泥胶砂性能影响( 2 8 d )卓星v越敷坦蟮皇v瑙暇坦辗硕士学位论文第二章c 5 0 自密实混凝土用复合胶凝材料体系研究2 5 小结通过对超细粉煤灰、磨细矿渣和普通硅酸盐水泥的粒径分析，探讨超细粉煤灰和矿渣的最优复合比例及此复合粉体在水泥中的最佳取代量。可以得出以下结论：1 激光粒度分析可以看出，水泥的小颗粒含量较少。大颗粒含量较多，超细粉煤灰、磨细矿渣小颗粒的含量较水泥明显要多。当在水泥中掺入粉煤灰与矿渣复合粉体后，水泥的颗粒粒度分布得到大大改善。2 通过复合粉体堆积密度、胶砂流动性和早期强度等试验发现，矿渣一粉煤灰按1 ：4的比例混合，粉体材料具有较高的密实度又具有较好的早期强度和工作性。这对于配制低水胶比、高强自密实混凝土提供了技术支持。3 u f s 、水泥与聚羧酸系减水剂、萘系减水剂的相容性都很好，饱和点掺量小、净浆流动度大且经时损失小。一4 通过对胶砂强度和u f s 掺量优选的试验得到，当u f s 掺量在2 0 4 0 时，胶砂的抗折强度和抗压强度都较好，相对单掺粉煤灰与单掺矿渣无论早期或后期，胶砂强度都有一定的提高。说明矿渣、粉煤灰以合理比例复合成的u f s 在早期、后期都充分发挥了粉体密实填充效应，加快了水化速度并密实了水泥石结构，提高了强度，真正实现了两种掺合料在水化和结构形成过程的不同时期、不同层次上发挥作用。1 7硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制第三章c 5 0 自密实混凝土的配制在研究了u f s 适宜掺量基础上，进行c 5 0 自密实混凝土的配制。由于自密实混凝土的影响因素较多，本章主要探讨在配制出工作性能优良，抗离析性能和泌水性能好，力学性能达到c 5 0 要求时自密实高性能混凝土各个因素( 胶凝材料总量、砂率、水胶比、高效外加剂掺量) 的控制范围。3 1 自密实混凝土制备原理自密实混凝土具有高工作性、抗离析性、间隙通过性和填充性按流变学理论，新捧混凝属宾汉姆流体，其流变方程为：t = 。4 - l ly式中：t 为剪切应力；t 。为屈服剪切应力；r i 为塑性粘度；y 为剪切速度。t 。是阻止塑性变形的最大应力，在外力作用下混凝土拌合物内部产生的剪切应力t t 。时，混凝土产生流动；r l 是混凝土拌合物内部阻止其流动的一种性能，t i 越小，在相同外力作用下流动速度越快，由此可见：屈服剪切应力t 和塑性粘度i i 是反映混凝土拌合物工作性的两个主要流变参数。与普通混凝土采用机械振捣时因触变作用令t 。大幅减小，使振动影响区内的混凝土呈液化而流动并密实成型的道理相似。制各自密实混凝土的原理是通过外加剂、胶凝材料和粗细骨料的选择搭配和配合比设计，使t 。减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度i l ，使粗骨料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水问题，能自由流淌充分填充模型内的空问，形成密实且均匀的结构。3 2 自密实混凝土工作性能检测方法针对自密实混凝土拌合物工作性能的要求：填充性能好、有较好的穿越能力和很好的稳定性。国内外学者设计了很多的检测方法，常用的试验方法和检测仪器有：坍落度简、l 流动仪、u 型槽、o r i m e t 流动仪、j 环、o 型漏斗等。但是各种试验方法和试验仪器只是适用于一种或者几种性能检测。如：坍落度筒测试混凝土拌合物的坍落度和扩展度来评价新拌混凝土流动性与屈服剪应力的关系；0 型漏斗、倒坍落度流出时间、l 流动仪流动速度评价流动性与粘性系硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制数i i 的关系；j 环、u 型槽用来评价拌合物的填充性能。中南大学还开发了测试拌合物稳定性的试验装置，用来评价砂浆和粗骨科的粘聚性、粗骨料在浆体中的悬浮保持能力。1 ) 坍落度、倒坍落度试验坍落度按g b t5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方法进行，在测定混凝土坍落度值h ( 衄) 的同时，记录扩展度值d ( 珊) ，同时目测混凝土拌合物的保水性和浆体与粗骨料的离析程度。倒坍落度筒测得混凝土拌合物开始流出到流完的时闻t 。2 ) l 型流动仪及测试指标针对自密实混凝土拌合物的流变特性，为了综合反映其在自重作用下混凝土拌合物水平方向的变形能力和变形速度以及在流动过程中是否保持良好的匀质性，采用图3 1 所示的l 型流动仪，左侧为1 8 0 x 2 0 0 4 3 0m 的长方体料箱，右侧为5 0 0 x 2 0 0 x1 6 0 衄的流淌槽，在科箱与流淌槽之间用可以提拉的竖向隔板隔开。试验操作过程如下：首先在料箱中装满自密实混凝土的拌合物，然后抽出隔板，拌合物在自重作用下自动下落，并向水平方向流淌。使用l 型流动仪可以测试下列指标：l 型水平流动速度及时问，该指标可反映自密实混凝土在水平方向上的变形能力和流动能力。图3 - ll 型流动仪单住：i3 ) u 型槽及测试指标针对自密实高性能混凝土拌合物填充性能的要求，为了评价混凝拌合物的间隙通过性和填充性，采用u 性槽试验装置检验其性能指标。u 型槽试验装置如图3 - 2 ，尺寸为2 4 0 咖2 4 0 m i n x 5 6 0 1 ，中间位置设置一块固定隔板和一可竖向提升的隔板，隔板下端开有2 4 0 哪2 0 0 珊的孔洞，这样隔板将u 型槽分隔成左右两个部分，同时在u 型槽隔板底部用3 根中8 钢筋设置高2 0 0 哪，间距3 5 岫的钢筋网片试验操作过程中，首先在左侧的部分装满自密实混凝土拌合物，硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制刮平，然后抽出可以提升的隔板，使左侧的自密实混凝土在自重作用下向右侧的部分流动，最后趋于静止。当混凝土拌合物停止流动后，测试左右两部分混凝土的自由表面高差( h ) ，该指标即反映了自密实高性能混凝土拌合物的塑性粘度、间隙通过性和填充能力。3 3 试验结果及分析图3 - 2u 型槽3 3 i 减水剂掺量的控制高效外加剂是配制高性能混凝土必不可少的一个组分，采用高效减水剂不仅可以降低混凝土的水胶比，提高强度，而且还可以降低混凝土拌合物的屈服应力，提高混凝土的流动性，同时保持适当的粘度系数，使拌合物具有自密实性与抗离析性能。高性能外加剂掺量的优选试验固定胶凝材料总量5 2 5 k g m 3 ，u f s = b x 2 0 ，水胶比w b = o 3 2 ，砂率4 0 的基础上进行，新拌混凝土的工作性力学性能见表3 - i 、图3 - 3 和图3 - 4 。当掺量为0 8 时，混凝土坍落度为2 2 0 n ，扩展度为5 5 0 咖，当掺量增加到1 o 时，坍落度为2 4 0 m m ，扩展度为6 0 0 m ，混凝土强度提高5 3 。当掺量逐渐增加时，混凝土的坍落度和扩展度继续增加，但增加的幅度逐渐变小，掺量为1 4 时，混凝土的坍落度和扩展度达到最大，表明减水剂在掺量1 4 时达到了饱和掺量，掺量达到1 6 时，混凝土的抗离析性下降，有泌水现象产生，扩展度周边有水渍产生，而且混凝土强度下降了6 7 ，可能是由于浆体粘聚性下降，粗骨料有一定的下沉，造成混凝土内部均匀性变差。h 随着减水剂ri1。llla州。il硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制掺量的增加先减小后逐渐增大，h 棚，是先增加再交小，主要原因可能是随着减水剂的增加，混凝土的流动性增加，高差变小，而减水剂的继续增加，混凝土的粘聚性下降，出现泌水，致使混凝土拌合物有轻微的堆积。所以，高效减水剂的合适掺量为1 o l 4 。编号。嚣，。兰，。三，。：l i 2 h -尹旨v划：l 睡赛o 童o 善t 01 21 鼻减水剂掺量( )量v越崖辐圃减水荆掺t ( )减水剂掺量( )减水j图3 - 3 残水荆掺量对混凝土工作性能的影响硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制重v制疆图3 - 4s p 掺量对自密实混凝土强度的影响3 3 2 胶凝材料总量的控制为了研究胶凝材料总量对自密实混凝土工作性和力学性能的影响，固定掺合料u f s 的掺量为2 0 ，水胶比为o 3 ，砂率4 4 ，减水剂掺量1 2 ，胶凝材料用量设定为5 0 0k g m 3 、5 2 5k g m 3 、5 5 0k g m 、6 0 0k g m 四个用量。试验结果见表3 - 2 图3 - 5 和图3 6 。随着混凝土胶凝材料用量的增加，混凝土四个指标( 坍落度、扩展度、v 、v d ) 均增大胶凝材料用量较低时( 如单方胶结材用量为4 5 0 k g m 3 时) ，新拌混凝土工作性能较差，达不到自密实混凝土的要求。当胶凝材料用量从4 5 0 k g m s 变化到5 0 0 k g m 时。工作性能明显改善。当胶凝材料用量继续从5 0 0 k g m 3 变化至6 5 0 k g m 3 时，拌合物的坍落度和扩展度都有所增加，但变化逐渐较小。试验中，胶凝材料用量4 5 0 k g m 3 时，强度较低，胶凝材料用量为5 5 0 k g m 3 时强度最高，较4 5 0k g m 3 时混凝土强度提高了1 6 3 ；当胶凝材料用量增加到6 5 0 k g m 3 时，混凝土强度反而有所下降，较胶凝材料为5 5 0 k g m 3 时下降了1 4 2 。原因可能为：浆体量不足时，仅能填充粗细集料间空隙，不足以形成足够富余浆体包裹粗细集料面降低其相互间的流动阻力，且由于水泥用量较低，势必影响自密实混凝土强度增长。而适当的浆体量不仅较好地满足密堆要求，混凝土强度值较高，而且形成富余浆体包裹粗细集料使新拌混凝土具有良好工作性能。如果浆体量过多，不仅会由于松动效应而使粗细集料及粉体不能较好密堆，还会打破新拌自密实混凝土应有的流体平衡体系，使新拌混凝土产生离析泌水现象。而且富余浆体量过多造成的离析使混凝土的匀质性受到影响，在试验中，当胶凝材料用量为6 5 0 k g m 3 明显感觉浆体过多，出现涌浆的现象，扩展度周边粗骨料较少，成型试件时粗骨料有下沉。而且胶凝材料用量大，集料所占比例将较低，从而降低混凝土的物理力学性能。因此建议c 5 0 自密实混凝土胶凝材料的总用量以硕士学位论文第三章c ：5 0 自密实混凝土的配制5 0 0 k g m s 6 0 0 k g m s 为宜表3 - 2 胶凝材料用量对新拌混凝土工作性和强度的影响m2 4 0量。2 2 0越犍蜜枷1 4 5 05 0 05 5 0 o6 5 0胶凝材料用量( k g m 3 )4 5 05 5 5 06 6 5 0胶凝材料用量( k p 3 )雹v魁皑辐4 5 0 o5 5 0 oe 5 0胶凝材料用量( k g n 3 )艏05 0 05 5 0l i o oe 5 0胶凝材料用量( k g a 3 )图3 - 5 胶凝材料总量对混凝土工作性的影响硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制姜v毯暇出塔4 5 05 0 05 8 0 0e 5 0胶凝材料用量( k g m 3 )图3 - 6 胶凝材料用量对自密实混凝土强度的影响3 3 3 砂率的控制砂率是影响混凝土拌合物流动性的一个重要因素。适宜的砂率可以减少粗集料之间的接触，增大流动性。研究表明；在小砂率的情况下，拌合物的流动性存在一个极限坍落度，即对给定的配合比，在一定的砂率下，混凝土拌合物所具有最大的坍落度( 即使无限增大拌合物的用水量时，拌合物流动性得不到改善，坍落度不再增大) ，此坍落度值称之为该混凝土拌合物的极限坍落度。随着砂率的增大，拌合物的极限坍落度逐渐增大，在其它条件不断改善的情况下，极限坍落度逐渐趋近于绝对极限坍落度( 坍落度筒高与拌合物石子最大粒径的差值) 对于自密实混凝土的适宜砂率，文献沁蜘建议宜控制在4 0 4 5 之间。为了研究砂率对自密实混凝土性能的影响及影响程度，试验中进行了砂率在3 85 0 之间的一系列砂率优选试验，试验条件为：胶凝材料总量为5 5 0k g m 3 ，掺合料u p s 的掺量2 0 ，水胶比为0 3 2 ，减水剂掺量1 2 。试验结果如表3 - 3 、图3 - 7 和图3 - 8 所示。表3 - 3 砂率对自密实混凝土工作性和强度的影响“眈秘硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制量v鹤镶客善e孑柏啦“柏砂率( )茸、一髓噬辐图3 - 7 砂率对自密实混凝土工作性的影响柏蛇“柏柏砂率( )图3 - 8 砂率对s c c 抗压强度的影响从表3 3 、图3 7 和图3 - 8 可以看出，砂率对白密实混凝土工作性的影响比较显著，随着砂率的增加，混凝土的流动性先增加而后基本保持不变。因此，确定一个最佳砂率对混凝土的流动性是很重要的。砂率为3 8 时，混凝土拌合物ji一i垒v毯蔽幽撂硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制四个参数( 坍落度、扩展度和v d 、v l ) 值均较小，工作性较差，还不能达到自密实混凝土要求；当砂率为4 0 时，拌合物工作性已能满足自密实混凝土成型要求，混凝土硬化后的强度也较砂率为3 8 提高了7 3 ；当砂率为4 4 时，混凝土的四个参数值均处于较好的匹配状态，此时混凝土的工作性最好，硬化混凝土强度也达到最大；当继续增加砂率到5 0 时，新拌混凝土的坍落度和扩展度变化不明显，但是混凝土拌合物的粘聚性明显增大，v 。下降明显，并且硬化混凝土强度下降，已经不满足c 5 0 自密实混凝土的要求。其原因可能是当砂率较大时，集料的总表面积会显著增加，在水泥浆量保持不变的情况下，水泥浆相对地显得少了，减弱了水泥浆的润滑作用，而使混凝土拌合物的坍落度也随之减小，粗骨料界面强度降低，从而导致混凝土强度降低，也由于砂率过大时，集料并没有形成最优的级配，致使未能形成最紧密堆积，造成空隙率增加，混凝土的密实度降低，从而强度降低。因此，建议c 5 0 自密实混凝土的砂率值在4 0 4 6范围为宣3 3 4 水胶比的控制在前面优选的基础上，控制胶凝材料总用量5 5 0k g m ，u f s ( u f s + c ) = 2 0 ，砂率4 4 ，s p = i 2 ，对水胶比参数进行了一系列的试验试验，试验结果见表3 - 4 、图3 - 9 和图3 - 1 0 。表3 - 4 水胶比对混凝土工作性能的影响硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制基v型凝密甜2 2 加奢1 8v， e1 0 笱0 2 8o n 匏0 3 4- b0 2 60 2 80 0 鸵0 3 w bn 笛0 翘n 0 花n 辩- b0 为o 砑o 0 救0 3 4v b圈3 - 9 水胶比时混凝土工作性能的影响7 06 55 50 2 6o 2 80 3 0n 3 20 3 4水胶比图3 - i o 水肢比w b 对自密实混凝土强度的影响从表3 - 4 、图3 - 9 和图3 - 1 0 可以看出，混凝土的工作性随水胶比的递增而 茸v 髓噗括一1j。j，。j。dl狮撕拗枷御田爱v雠瓢瞪蝎硕士学位论文第三章c 5 0 自密实混凝土的配制逐渐改善，当水胶比0 2 6 时，混凝土拌合物的工作性较差，不能达到自密实的要求，混凝土成型需要一定的振捣。当水胶比达到0 3 时，拌合物工作性最好，其四个流变性能均处于最优状态，成型的试件表面光滑致密，继续增大水胶比，其坍落度和扩展度变化不大，当水胶比达到0 3 4 时，混凝土的四个流变参数均开始下降，v 。和v l 开始下降，可能原因是：在胶凝材料总用量，砂率和高性能外加剂掺量一定的情况下，拌合水过多，新拌混凝土的粘聚性降低，且开始产生离析泌水的情况，坍落筒中心形成一定的堆积，扩展度周边有一定的游离水。水胶比对混凝土强度影响显著，混凝土的强度随水胶比的增加呈直线下降，水胶比0 3 时强度比水胶比0 2 6 时下降了1 1 5 ，水胶比o 3 4 时混凝土强度比水胶比0 3 0 时下降了1 6 9 ，可见，水胶比越大时，其对强度的影响更加明显。水胶比0 3 4 时，自密实混凝土2 8 天抗压强度已不能满足c 5 0 混凝土的要求，因此建议c 5 0 白密实混凝土的水胶比以0 2 8 0 3 2 为最佳，不宜大于0 3 4 ，也不宜小于o 2 6 。3 3 5 针片状含量的控制针片状颗粒是粗骨料的