（工程力学专业论文）活性粉末混凝土的力学性能研究.pdf

摘要 本文以活性粉末混凝土 r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e 简称i 心c 的基本配制原理为 基础 结合国内外r p c 的研究现状与存在问题 通过室内试验 探讨了纤维对r p c 性 能的影响与改善作用 复合化是水泥基材料高性能化的主要途径 工程上用的复合材料一般是将一种材料 分布于另一种材料中 以达到增强某方面性能的目的 前一种叫增强材料 后一种称为 基材 对混凝土来说 钢筋是目前最重要的增强材料 此外 纤维增强水泥基复合材料是 近年来应用最多 发展最快的一种新型增强材料 纤维的主要作用在于增强 增韧 阻 裂三个方面 混杂纤维增强水泥基复合材料就是将两种或多种不同性能 不同尺度的纤维掺入水 泥基材中 使其在不同尺度和性能层次上相互补充 以达到取长补短造就高性能混凝土 的目的 本文应用两种不同原材料矿渣及粉煤灰来配制r p c 并分别将钢纤维 玻璃纤维 聚丙烯纤维以单独掺入和相互混杂的方式做成试件 进行抗压 抗折的力学性能试验 然后收集试验得出的数据 相互间进行分析比较 并对比其他的文献资料给出的研究结 论 探讨钢纤维 玻璃纤维和聚丙烯纤维对素r p c 力学性能的增强作用 目前对于掺入纤维后的r p c 力学性能所做的研究工作还不多 对于掺入单一纤维 或者混杂纤维来增强r p c 的力学性能和耐久性能方面的相关文献也都很不全面 本文 主要通过研究掺入不同原材料以及掺入纤维后的r p c 的力学性能 力求得到能够应用 于实际工程建设中 经济实用的最优配合比的r p c 关键词 r p c 混杂纤维 钢纤维 聚丙烯纤维 玻璃纤维 大连交通大学工学硕七学位论文 a b s t r a c t i nl i g h to fb a s i cc o m p o s i t i o no fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e r p c m a i n l ys t u d i e da r et h e i n f l u e n c ea n da m e l i o r a t i o ne f f e c to fp o l y m e ro nt h eb e h a v i o r so fr p ct h r o u g hi n d o o rt e s t s a c c o r d i n gt ot h es t a t u sq u oa n dp r o b l e m so fr p c a th o m ea n da b r o a d c o m p o s i t eh i l 曲p e r f o r m a n c ec e m e n t b a s e dm a t e r i a l si s t h em a i nw a y c o m p o s i t e m a t e r i a l sa r eg e n e r a l l yu s e df o re n g i n e e r i n gm a t e r i a l sw i l lb ed i s t r i b u t e di na n o t h e rk i n do f m a t e r i a l i no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fc e r t a i np u r p o s e t h ef o r m e ri sc a l l e da r e i n f o r c e dm a t e r i a l t h el a t t e rk n o w na st h es u b s t r a t e f o rc o n c r e t e s t e e lr e i n f o r c e dm a t e r i a li st h em o s ti m p o r t a n t i na d d i t i o n c o m p o s i t e f i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t b a s e dm a t e r i a l si st h em o s tw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s t h ef a s t e s t g r o w i n go fan e w r e i n f o r c e dm a t e r i a l t h et h r e em a i nr o l e sl i ei nf i b e rs t r e n g t h t o u g h n e s sa n d r e s i s t a n c et os p l i t h y b r i df i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l si su s e dt w oo rm o r ef i b e r s 谢t l ld i f f e r e n tp r o p e r t i e sa n dd i f f e r e n ts c a l e s s ot h a tt h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts c a l e sa n d l e v e l sc o m p l e m e n te a c ho t h e r t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc r e a t i n gh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e i nt h i sp a p e r t w os p e c i e sd i f f e r e n tr a wm a t e r i a lo fs l a ga n dt h ef l ya s hc o m p o u n d sr p c a n dt h es t e e lf i b e r t h eg l a s sf i b e r p o l y p r o p y l e n ef i b e rb yt h ew a yo fa l o n ei n c o r p o r a t i o na n d m u t u a lm i s c e l l a n e o u sw h i c hc o m b i n e st h e s a m p l e i nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t o f c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t h t h e nc o l l e c tt h ed a t ao ft e s t s d oa n a l y s i sa n d c o m p a r i s o nb e t w e e ne a c ho t h e ra n dc o m p a r et h ec o n c l u s i o no fs t u d yg i v e nb yt h eo t h e r l i t e r a t u r e s a n ds t u d yt h ee n h a n c e df u n c t i o no ft h es t e e lf i b e r t h eg l a s sf i b e ra n dt h e p o l y p r o p y l e n e f i b e rt ot h ep l a i nr p c a t p r e s e n tt h er e s e a r c hw o r ko fr p cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h i c hi n c o r p o r a t i o no ff i b e r t h ea s p e c to fl i t e r a t u r ew h i c hc o r r e l a t i o nf o re n h a n c e dr p cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb y i n c o r p o r a t i o no fa l o n ef i b e ro rt h ec o m b i n a t i o nf i b e r t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yo nt h er p c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o ri n c o r p o r a t i o no fd i f f e r e n tr a wm a t e r i a la n df i b e r a sp o s s i b l ea s o b t a i n e ds h o u l du s e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n e c o n o m ya n dp r a c t i c a lw h i c hh a s o p t i m a lc o m b i n i n gr a t i oo fr p c 关键词 r 魄c t i v ep o w d e rc o n c r e t e h y b r i df i b e r s t e e lf i b e r tp o l y p r o p y l e n ef i b e r g l a s s f i b e r i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留 使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂 本人保证毕业离校后 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬銮通太堂 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档 允许论文被查 阅和借阅 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 聿挑n 昭 日期 山川年石月c 3 日 导师签名 羊巧觐 日期 沙矿年多月肋日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 中国华粮物流集团北良有限公司 电话 通讯地址 邮编 电子信箱 大连交通大学学位论文独创性声明 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 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外 论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 本人完全意识到本声明的法律效力 申请学位论文与资料若有不 实之处 由本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 扬蜒鹏 日期 蹦年衫月 o 日 绪论 绪论 1 9 9 3 年 法国b o u y g u e s 试验室研制出一种超高抗压强度 高耐久性及高韧性的新 型水泥基复合材料 由于提高了组分的细度和反应活性 因此被称为活性粉末混凝土 r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e r p c 目前r p c 已成为国际工程材料领域一个新的研究热 点 l r p c 作为一类新型混凝土 不仅可获得2 0 0 m p a 或8 0 0 m p a 的超高抗压强度 而 且具有3 0 m p a 6 0 m p a 的抗折强度 有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性 r p c 的优越性能使其在土木 石油 核电 市政 海洋等工程及军事设施中有着广阔的应用 前景 2 3 1 一 选题背景及意义 长期以来 钢筋混凝土被认为是一种复合材料的典范 事实上混凝土随着龄期延长 不断产生的收缩变形 因受钢筋约束而使体内的微裂缝和孔隙逐渐地连通 导致本来致 密不透水的混凝土低渗透性丧失 外界的侵蚀性介质趁虚而入 使钢筋逐步发生锈蚀并 膨胀 这己被认为是钢筋混凝土结构最终产生破坏的主要机理 也是影响大量钢筋混凝 土结构使用寿命的基本原斟4 针对这一问题 1 9 9 3 年 法国公司率先研制出一种新型 的超高性能 高韧性的水泥基复合材料 活性粉末混凝土 r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e 简称r p c t 5 1 它是由级配良好的细砂 水泥 石英粉 硅灰 钢纤维 高效减水剂等组 成 其制备原理是通过提高组分的细度与活性 使材料内部的缺陷孔隙与微裂缝减少到 最小 以获得超高强度与高耐久性 r p c 材料的强度可按抗压强度分为2 0 0 m p 级 5 0 0 m p 级和8 0 0 m p 级 2 0 0 m p 级 已在工程中应用 5 0 0 m p 级尚在试验室研究阶段 8 0 0 m p 级则处在试验室试配阶段 与高强混凝土 h s c 相比 r p c 材料的显著特点是强度更高 韧性更大 抗拉强度尤 为高 2 0 0 m p 级材料的抗压强度为1 7 0 2 3 0 m p 是高强混凝土的2 4 倍 其抗折强度 为3 0 6 0 m p 是高强混凝土得 倍 6 j 掺入钢纤维后拉压比可达1 4 左右 2 0 0 m p 级 的r p c 弹性模量为4 0 6 0 g p a 比高强混凝土高得多 该强度级别的r p c 材料断裂韧 性高达2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 j m 可与金属铝媲美 活性粉末混凝土的抗拉力学性能之所以能够得到显著改善 不仅是因为提高了组分 的细度 更重要的一个手段是采用了钢纤维 这也是人们研究和应用较广泛的重要途径 之一 7 钢纤维混凝土是二十世纪初发展起来的一种复合材料 是将短细的钢纤维均匀 乱向地分布于混凝土中 钢纤维在混凝土水泥石和骨料间起到 桥架 作用 阻碍了混 凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展 因此对于其抗拉强度和主要由主 大连交通大学工学硕士学位论文 拉应力控制的试件抗弯 抗剪 抗扭能力等有明显的改善作用 9 钢纤维在受力时的脱 结 拔出或拉断消耗很大能量 能使混凝土表现出良好的塑性特征 用制备普通r p c 的方法制成的纤维r p c 与素r p c 相比具有一系列优越的物理和力 学性能 1 0 1 强度和重量的比值增大 这是纤维增强混凝土具有优越经济性的重要标志 也 是它具有广阔应用前景的重要保证 2 具有较高的抗拉 抗压和抗弯的极限强度 在r p c 中掺入适量纤维 其极限抗 压强度可适当提高 单轴抗拉极限强度可提高4 0 5 0 抗弯极限强度可提高 5 0 15 0 3 具有卓越的抗冲击性能 与素r p c 相比纤维r p c 在纤维掺量为o 8 2 时 其冲击韧性指标可以提高5 0 1 0 0 倍 甚至更高 因此纤维r p c 用于承受冲击荷载 疲 劳荷载和爆炸荷载的结构 其优越性十分明显 4 变形性能明显改善 纤维对混凝土抗压弹性模量影响不显著 但对抗拉弹性模 量提高较多 纤维对混凝土长期收缩变形性能的影响也较明显 纤维可使混凝土的收缩 率降低1 0 3 0 5 抗裂和抗疲劳性能显著提高 由于纤维在混凝土中的阻裂机制 纤维r p c 具有 比素r p c 更好的软化后性能和抗裂疲劳性能 6 具有优良的抗剪性能 纤维在梁的受力过程中可以降低腹板的剪切变形 并有 效地控制剪切裂纹的开展 提高腹板的抗剪强度 在分析纤维r p c 增强机理 纤维r p c 破坏机理时 均需结合力学性能进行论述和 试验 因为纤维r p c 的力学性能是诸优异特性的集中表现 也是纤维改性混凝土的基 本性能 对纤维r p c 力学性能的研究直接与纤维混凝土和配筋纤维混凝土结构中裂缝 的形成和发展以及破坏过程等具有重要意义 而目前不论是国内还是国外的研究工作 主要都是通过试验来研究材料 配比 养护条件等因素对r p c 的耐久性和强度的影响 l l 但是专门针对r p c 中单掺并混掺纤维后力学性能的研究却极少 因此对于材料在不同 纤维掺量下的力学性能的研究有着极为重要的意义 二 r p c 研究发展以及应用情况 1 r p 0 的发展 r p c 由法国b o u y g u e s 公司的p i e r r er i c h a r d 和m a r c e lc h e y r e z y 采用 高致密水 泥基均匀体系 d s p 模型率先于1 9 9 3 年研究成功 并与美国陆军工程师团合作 进行了制品的实际生产 1 2 1 f d el a r r a r d 提出基于最大密实度理论的固体悬浮模型 s s m 进行了r p c 配合比设计 1 3 美国c p a r 计划及法国与美国陆军工程师团合 2 作生产的r p c 制品包括 大跨度预应力混凝土粱 压力管道及放射性固体废料储存容 器 预应力混凝土粱中由r p c 材料承受剪切力 可以完全取消附加的抗剪配筋 而且 还可以减小粱的截面和配筋量 采用r p c 的压力管道提高了工作压力 而且大大增强 了对侵蚀性介质的抗侵蚀能力 用r p c 制备的固体废料储存容器可长期储存中 低放 射性废料 其使用寿命可高达5 0 0 年j 1 4 i 目前 r p c 已成为国际工程材料领域一个新的研究热点 1 9 9 8 年8 月在加拿大召 开的高性能混凝土与活性粉末混凝土国际研讨会上 就r p c 的原理 性能和应用进行 了广泛的讨论 与会专家一致认为 作为一类新型混凝土 具有广阔的应用前景 l 与h s c h i g l ls t r e n g t h c o n c r e t e 高强混凝土 相比 r p c 材料的显著特点是强度 更高 韧性更大 抗拉强度尤其为高i i 6 1 7 1 2 0 0 m p a 级r p c 材料的抗压强度为 1 7 0 2 3 0 m p a 是h s c 的2 4 倍 抗折强度为3 0 6 0 m p a 是h s c 的4 6 倍 掺入纤维 后劈压比可达1 4 5 左右 2 0 0 m p a 级r p c 的弹性模量为4 0 6 0 g p a 比h s c 高得多 加 拿大的工业化试验表明 优选的地方材料通过混凝土搅拌车或固定搅拌机 可生产 2 0 0 m p a 级r p c 材料 无纤维r p c 拌合物注入钢管 通过9 0 c 蒸汽养护 很容易获得 3 0 0 m p a 的抗压强度 图iis h e r b r o o k e 桥全貌及上部结构形式 f i g1 1s h e 巾r o o k eb r i d g ec o m p l e t e p i c t u r ea n ds u p e r s t r u c t u r e f o r m 典型的r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 的配合比以及其主要力学性能分别列于表1 表2 表 3 l q 在r p c 中掺硅质集料的配合比除了长度3 m m 的钢纤维代替长度1 2 r a m 的钢纤维外 其它组分与r p c 2 0 0 相同 试件脱模后进行2 5 0 一4 0 0 的热处理 其断裂能为 1 2 0 0 2 0 0 0 0 j m 2 比普通混凝土高出1 0 余倍 若用钢粉代替石英砂 强度可达8 0 0 m p a 大连交通大学工学硕士学位论文 表1 典型的r p c 成分 t a b l e1t h ec o m p o s i t i o no fm o d e lr p c 注 以质量计 表2 r p c 2 0 0 的力学性能 t a b l e2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr p c 2 0 0 表3 r p c 8 0 0 的力学性能 t a b l e3t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr p c 8 0 0 2 r p c 的耐久性 r p c 中的空隙量极小 使得空气渗透系数低 水分吸收少相应特性值低 因而具有 超高的耐久性 其耐久性能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多 1 9 l 从表4 中可见 利用f r p c 纤维活性粉末混凝土 对腐蚀介质的极高抵抗能力 除了制备输液管道外 还可以制造低放射性固体核废料储存器 其使用寿命高达5 0 0 年 加拿大对r p c 2 0 0 进 4 绪论 行过3 0 0 次快速冻融循环 最高4 最低 18 2 变化速度6 c h 试样丝毫未受损 5 0 次冰盐冻融重量损失率平均低于8 9 m 2 而魁北克省的允许标准为8 0 0 9 m 2 因此可 基本忽略不计 2 0 2 l l 就断裂能而言 f r p c 2 0 0 在本组试验室实测达1 5 0 0 0 1 9 0 0 0 j m 2 而普通混凝土为1 2 0 j m 2 高强混凝土c 6 0 为1 4 0 j m 2 c 8 0 为3 9 0 j m 2 钢纤维高强混 凝土6 7 0 j m 2 可见其能量吸收能力和其他方面的优异特性还有待我们去开发 表4r p c h s c n c 耐久性比较 t a b l e4t h ed u r a b i l i t yc o m p a r i s o no fr p c h s c n c 3 r p c 良好的环保性能 r p c 是一种符合我国可持续发展战略要求的环保材料 由表5 可见 在同等承载力条件 下 r p c 材料的水泥用量几乎是普通混凝土与h s c 的1 2 因此同等量水泥生产过程 中的c 0 2 排放量也只有一半左右 对不可再生的自然资源骨料的用量 r p c 材料也只占 h s c 和普通混凝土的1 3 和1 4 2 2 1 表5 同等承载力条件下不同材料性能比较 t a b l e5t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm a t e r i a li ns m l l el e v e ls u p p o r t i n gc a p a c i t yc o n d i t i o n s 5 大连交通大学工学硕士学位论文 粉煤灰和矿渣是我国当前排量较大的工业废渣之一 现阶段我国年排渣量已达1 5 亿吨以上四 大量的粉煤灰和矿渣不加处理 就会产生扬尘 污染大气 若排入水系会 造成河流淤塞 而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害 因此 粉煤灰和矿 渣的处理和利用问题引起人们广泛的注意 在混凝土中掺加粉煤灰或矿渣能够节约大量的水泥和细骨料 减少用水量 改善混 凝土拌和物的和易性 增强混凝土的可泵性 减少混凝土的徐变 减少水化热 热能膨 胀性 提高混凝土抗渗能力 增加混凝土的修饰性 三 本文的主要研究内容 本文主要是在国内外活性粉末混凝土研究的基础上 结合国内的实际情况 应用常见原材料 配制并研究r p c 这一既具有超高的力学性能 耐久性 又有利于环 保可持续发展的工程结构材料 本文的主要研究内容如下 1 进行胶凝材料与高效减水剂的相容性试验 选出与胶凝材料相容性较佳的减水 剂 根据r p c 的配制原理 进行原材料调研工作 选用适合配制r p c 的材料 2 研究分析相关的文献资料 利用水泥熟料水化反应方程式 推导出r p c 的基准 配合比 3 在基准配合比的基础上 改变纤维掺量 混杂纤维掺量 并用粉煤灰 矿渣代 替石英粉作为集料等参数 研究它们对r p c 性能的影响 在此基础上设计出合适的材 料配合比 4 进行r p c 基本力学性能试验研究 测定其立方体的抗压强度 抗折强度 找 出最佳的材料配合比 6 第一章试验材料 方法及理论研究 第一章试验材料 方法及理论研究 1 1r p c 原材料的选用 混凝土作为一种由多种组分组成的复合材料 其组成材料的品种及性能必然对混凝 土的性能产生极大的影响 因此针对特殊的性能要求合理地选择原材料 是配制r p c 的 首要条件 1 1 1 水泥 水泥是r p c 最重要的原材料之一 它与水混合后经过物理化学反应由可塑性的浆 体变成坚硬的水泥石 并能将散状粒状材料胶结成整体阱 它是一种良好的矿物胶凝材 料 水泥中熟料经过粉磨后颗粒的细度对于水泥强度的发展特别重要 水泥的水化是由 颗粒表面开始向其内部逐渐进行的1 2 5 捌 其中3 3 0 1 x m 的颗粒主要起强度作用 大于 6 0 1 t m 的颗粒对强度不起作用 小于l o p m 的颗粒主要起早强作用 但需水量大 而小 于3 1 m a 的颗粒只起早强作用 因此流变性能好的水泥中 粒径小于3 岬的颗粒应小于 1 0 而9 0 以上的颗粒应在3 3 0 1 x m 之间 在目前的工艺下 水泥越细 其中细颗粒 越多 需水量越大 流变性能越差 早期强度越高 而后期强度发展越差 混凝土强度首先取决于水泥及其性能 高强混凝土必需以高标号水泥与高活性材料 作为胶结材料 硅酸盐水泥的胶凝作用来自水化硅酸钙匹7 1 不同品种和类型的水泥在性 质上可能会有较大的区别 水泥种类的选择对于高强混凝土的配制是十分重要的 配制 高强混凝土宜选用质量稳定 强度等级不低于4 2 5 级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 在配制r p c 时 选择水泥的首要条件就是与高效减水剂相匹配 其次是要求水泥 的化学成份中c 3 a 含量要低 再次是水泥的颗粒大小不宜太细 因为水泥越细需水量 就越大 从流变性和力学性能来看 硅元素含量高的水泥的效果最好 但这种水泥缓凝 现象严重 不适宜用于某些工程 因此在通常用c 3 a 含量低的硅酸盐水泥 根据上述要求 本文试验采用是在本文试验中 选用大连小野田公司生产的华日牌 普通硅酸盐5 2 5 r 水泥 水泥的化学成分和物理性能见表1 1 表1 15 2 5 r 水泥的化学成分和物理性能 t a b l e1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp e r f o r m a n c eo f5 2 5 rc e m e n t c a o s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3m g o s 0 3烧失量细度抗压 抗折 标号 m p a 5 2 5 r 5 4 8 72 8 1 07 7 2 4 9 2 1 41 80 9 l 6 5 0 芝9 0 7 大连交通大学工学硕士学位论文 1 1 2 高效减水剂 高效减水剂又称为超塑化剂 是高分子表面活性剂 并且有强的固一液界面活性作 用 在水泥分散体系中 它们能够吸附在水泥粒子表面上 使粒子表面能降低并形成带 负电的强电场 在同种静电斥力作用下 使已包裹着水的水泥絮状粒子被分散 释放出 包裹水 因此使水泥浆体的流动性大大提高 它们气一液表面活性小 几乎不降低水的 表面张力 因此与基准混凝土保持相同坍落度时 掺高效减水剂可大幅度减少混凝土用 水量 并且减水率随着掺量的增加而提高 2 引 高效减水剂主要有以下三种 多环芳烃磺 酸盐甲醛缩合物 萘磺酸盐甲醛缩合物和三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物 目前国内常用的 是后两种 高效减水剂与普通减水剂的区别在于减水率的高低 普通减水剂的减水率一般为 5 1 0 而高效减水剂的减水率可达1 5 3 0 普通减水剂的掺量不能超过限制值 如 木质素磺酸盐类减水剂的掺量不能超过o 3 而高效减水剂可以较高比例掺入水泥 并对混凝土无不利影响 2 9 j r p c 由于其水胶比低 如果不掺加减水剂是很难振捣成型的 因此高效减水剂也 是配制r p c 的一种重要的材料 从某种意义上来说 减水剂减水率的高低 是r p c 强 度高低的决定性因素 用来配制r p c 的减水剂应有很好的减水效果 并能与所选水泥相匹配 即水泥与 减水剂的相容性好 减水剂用量少而混凝土流动度大 且新拌混凝土的坍落度经时损失 小 则水泥与减水剂的相容性好 反之则相容性不好 为了充分发挥减水剂的效果 找 到与选定水泥相匹配的高效减水剂 根据以上要求本文所选减水剂为大连西卡建筑材料 有限公司生产的西卡高效减水剂 表1 2 西卡减水剂主要技术指标 t a b l e1 2t h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fx ik aw a t e rr e d u c i n ga g e n t 1 1 3 细砂 相对与r p c 中其他粉末材料而言 细砂属于 粗 集料 3 0 选用细砂时要考虑如 下几个方面 平均粒径 粒径范围 颗粒形状等 在r p c 中 选择最大粒径应在6 0 0 1 a n 左右 平均粒径约为2 5 0 1 上m 的细砂 目前国内有关r p c 的试验研究都采用标准砂作为 粗集料 因此 本试验所用为大连建筑质量检测所提供的厦门生产的标准砂 8 第 章试验材料 方法及理论研究 1 1 4 硅灰 硅灰是电炉生产工业硅或硅铁合金的副产品 3 1 在高达2 0 0 0 c 的高温中将石英还 原为硅 产生s i 0 2 蒸气 在低温区凝聚成无定形的球状玻璃颗粒 称为凝聚硅灰 主 要成分是颗粒极细 平均粒径约为0 1 9 x n 的无定型的二氧化硅 硅灰在r p c 能起到如下作用 1 填充效应 硅灰的平均粒径约为水泥直径的i 0 0 能够很好地填充于水泥颗粒的孔隙间 其效 果如同水泥颗粒填充在细骨料之间和细骨料填充在粗骨料间一样 从微观尺度上增加了 r p c 的密实度 进而提高了r p c 的强度 2 火山灰效应 硅灰具有极强的火山灰性能 拌和混凝土时 硅灰和水接触 部分小颗粒迅速溶解 并与水泥水化产生的对强度不利的c a o h h 反应生成c s h 凝胶 即所谓火山灰效应 c a o h 2 s i 0 2 h 2 0 c s h 许多研究表明 在有硅灰存在的情况下 水泥水化早期产物中的c a o h h 含量随着 龄期的延长变得越来越少 甚至完全反应 这些来源于硅灰和c a o h h 的c s h 凝胶 多生成于水泥水化的c s h 凝胶孔隙中 大大提高了r p c 的密实度 3 孔隙溶液化学反应 在水泥 硅灰水化体系中 硅灰与水泥的比率提高则水化产物的c a s i 比降低 c a s i 比低 相应的c s h 凝胶就会结合较多的其它离子 如铝 灿 和碱金属 k n a 离 子 这样就会使孔隙的碱金属离子浓度大幅度降低 这就是所谓的孔隙溶液化学效应 增加硅灰的用量 则孔隙溶液的p h 值降低 这是由于碱金属离子和c a o h 2 与硅灰 反应而消耗引起的 能够有效降低甚至消除碱 硅酸反应的危害 同时 硅灰还可以提 高r p c 的电阻率和大幅度降低氯离子的渗透率 从而提高r p c 的耐久性 综合考虑以上因素 本试验采用上海天恺硅粉材料有限公司生产的硅粉 技术指标 见表1 4 i 姐j 9 大连交通大学工学硕士学位论文 表1 4 硅灰的主要技术指标 t a b l e1 4t h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fs i l i c af u m e 1 1 5 石英粉 石英粉因其具有很高硬度和优良界面性能且易采集和低价廉而充当r p c 的集料 因此应考虑其矿物成分 平均粒径 颗粒形状和掺用比例 为符合最大密实理论模型 避免与水泥颗粒粒径冲突 细石英粉平均粒径应选择3 0 1 m a 粒径范围为1 5 6 0 p r o 之间 颗粒多呈球形 矿物成分s i 0 2 含量不低于9 9 大连市生产和销售的石英粉厂商并不 多 因此本试验选用的石英粉为辽宁省建平县青松岭石砂厂生产的石英粉 其粒径为4 0 l am s i 0 2 含量为9 9 2 4 1 1 6 粉煤灰 本试验选用了大连华能电厂生产的i 级粉煤灰 其有关物理性能和化学组成见表 1 5 表1 5 粉煤灰主要技术指标 t a b l e1 5t h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no ff l ya s h 1 1 7 矿渣 在传统的r p c 材料中掺加矿渣组分 主要考虑到矿渣能够起到以下作用 1 掺入矿渣组分 能够减少r p c 中硅粉和水泥的用量 3 3 j 矿渣在改善骨料和浆体 界面结构方面也有和硅粉类似的作用 即和水化反应产生的c h 发生二次火山灰反应 但是硅粉的价格昂贵 约2 5 0 0 元 吨 矿渣的价格跟水泥差不多 所以掺入矿渣是一 种经济的选择 另一方面 矿渣的掺入也减少了水泥的用量 使材料向绿色环保方向靠 近 2 掺入矿渣 能够细化r p c 的孔结构 提高r p c 的密实度 并在一定程度上帮助 改善界面过度带的微观结构 这些都有利于提高r p c 的耐久性 1 0 第一章试验材料 方法及理论研究 3 矿渣能够降低系统中c 3 a c s h 等易受侵蚀组分的含量 对于增强混凝土抵 抗硫酸盐及其它盐类的侵蚀能够发挥一定作用 考虑到以上原因 在r p c 中掺入矿渣应该是值得尝试的做法 当然 掺入矿渣以 后 特别是在早期 混凝土的收缩有增加的趋势 所以在试验中选择的矿渣细度应不低 于4 0 0 0 e m 2 g 并且要注意试件成型后的水养护 本试验所用矿渣为鞍山钢铁公司矿渣开发公司生产的活性矿渣 为三级矿渣 1 1 8 耐碱玻璃纤维 耐碱玻璃纤维采用襄樊汇尔杰玻璃纤维有限责任公司生产的 该产品是在玻璃成份 中引入二氧化锆和二氧化钛成份经高温拉丝而成 是1 0 0 无机纤维 在非承重的水泥 试件中是钢材和石棉的理想替代品 主要技术指标见下表 表1 6 耐碱玻璃纤维主要性能指标 t a b l e1 6t h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fg l a s sf i b e r 短切长度线密度纤维直径密度断裂强力浸润剂含量熔点 n u n d t e x b m 兮 矗n 1 22 4 0 01 62 7 芝6 0 0 3 0 01 6 0 1 7 0 1 1 9 聚丙烯纤维 聚丙烯纤维是一种高强聚丙烯束状单丝纤维 经特殊的表面处理技术 确保了纤维 在混凝土中具有极佳的分散性及与水泥机体的握裹力 可用于混凝土 砂浆的抗裂防渗工 程 3 4 1 聚丙烯纤维可以以更小的掺量提供更多数量和更高强度的加强筋 为混凝土提供 更好的保护 本试验所选为超力丝微纤维聚丙烯 其技术指标见下页表1 7 1 1 1 0 钢纤维 本试验选用的为大连收获金属纤维有限公司生产的w s n0 2 4 0 0 4 1 3 2 冷拉钢 丝纤维 直径为0 2 4 m m 长度为1 3 m m 表面镀铜 抗拉强度2 8 0 0 m p a 密度7 8 9 c m 3 1 1 1 l 拌合水 本试验采用自来水作为试验用水 大连交通大学工学硕士学位论文 表1 7 聚丙烯纤维的物理性能 t a b l e1 7t h ep h y s i c a lp e r f o r m a n c eo fp o l y p r o p y l e n ef i b e r 项目 超力丝微纤维聚丙烯 纤维类型 吸水性 纤维直径 um 比重 g m 3 纤维长度 1 l 瑚 比表面积 m 2 k g 熔点 燃点 导热性 抗酸碱腐蚀能力 杨氏弹性模量 g p a 单丝纤维 无 1 8 o 9 l 1 2 2 2 5 1 6 5 5 9 0 低 高 2 2 1 2 试验方法 计算方法 1 2 1 试验方法 按照配合比精确称量各个组成材料的质量 按投放顺序投料 用搅拌机进行搅拌 干搅3 分钟 之后加入拌合水 减水剂等充分搅拌 直到各组分充分混合 纤维均匀分 布在拌合物中 选择4 0 x 4 0 x 1 6 0 m m 的三联试件模 装满捣实 放在振动台上进行振捣 确定试件填充满整个模具 用边铲处理好封口 盖上保鲜膜防止水分蒸发 2 4 小时后拆 模 观察试件边缘是否出现大量气泡和未填满现象 如果出现 及时销毁不合格试件 并重做 如果试件合格 用毛笔标注试件的代号和日期等信息 然后放入特制的养护箱 内进行常温养护 养护2 8 天后拿出试件 放在通风处使其晾干 晾干后进行抗折 抗 压试验 1 2 1 1r p c 试件抗压强度试验方法 试件抗压试验设备是由北京产的s y e 2 0 0 0 型压力试验机 如图1 1 所示 将养护好的试件从养护池中取出 随即擦干表面并量出其尺寸 确保试件尺寸精确 至l m m 将试件放在压力试验机的下承压板上 在下承压板上刻有不同直径尺寸的圆 确保试件的轴心与刻的圆的圆心重合 这样便能做到轴心受压 然后开动试验机 当试 1 2 第一章试验材料 方法及理论研究 验机的上压板接触到试件上表面时 按着上述的混凝土抗压强度试验方法操做 调整试 验机的加载速度为o5 加8 m p a s 当试件受压破坏时 立刻打开试验机的排油阀 停止 加载 记录当时的压力值 诩l 粤童圉剜盈 图1 1s y e2 0 0 0 型压力试验机 f i g i 1s y e 2 0 0 0p r e s s u r e t e s t i n g m a c h i n e 以六个试件的算术平均值作为该组试件的抗压强度 精确至o1m p a 如果六个测定值中的最小值或最大值中有一个与中间值的差异超过中间值的1 5 则把虽大值和最小值一并舍弃 取中问值作为该组试件的抗压强度值 如果最大值和最 小值与中间值相差均超过1 5 则此组试验作废 1212 r p c 试件抗折强度试验方法 从养护地点取出试件 擦净后检查外观 不得有明显缺损 抗折间距为8 0 m m 将 试件成型时的侧面作为承荷面 安放在支座上 按图12 所示进行加载 所有间距尺寸 偏差均不得大于l m m 试件抗折试验设备是力学试验室的万能试验机 设备如图l2 所示 将养护好的试件从养护池中取出 随即擦干表面并量出其尺寸 确保试件尺寸精确 至1r n m 将试件在模拟简支条件的支座上放置好 按照上面所述的试验方法 打开进 大连交通大学工学硕士学位论文 油阀 关闭出油阀 加压 当上支座接触试件上表面时 调零然后调整加压速率为 08 m p a s 左右 直至试件破坏 记录破坏荷载 并计算抗折强度 以三个试件的抗折强 度的平均值作为该组试件的抗折强度值 l2 2 计算方法 12 2 l 抗压强度计算方法 图i2 万能试验机 f i 9 12 t h eu n i v e r s a l t e s t i n g m a c h i n e 按照普通混凝土力学性能试验方法标准g b t5 0 0 8 1 2 0 0 2 进行 采用4 0 r a m x 4 0 m m 1 6 0 m m 的试模9 5 州 计算精确至01 m p a 以6 个试件测得的算数平均值作为该组试 件的抗压强度值 若其中虽大值或最小值与中间值之差大于中间值的1 5 则取中间值 为该组试件的抗压强度值 如果二者与中间值相差均大于中间值的1 5 则试验结果无 效 试件加载为连续均匀加载 加载速度为05 8 m p a s r p c 试件的抗压强度按照式 1 l 计算 厶 11 第一章试验材料 方法及理论研究 式中厶一混凝土立方体抗压强度 m p a 卜试件破坏荷载 n a 一试件承压面积 m i l l 2 1 2 2 2 抗折强度计算方法 根据国家标准g b t 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 制作混凝 土试件在标准条件下养护 分别在第2 8 d 时 通过三点弯曲试验测其纤维不同体积率的 抗折强度 以比较不同的纤维掺量对其强度的影响 3 7 1 采用4 0 m m x 4 0 m m x1 6 0 m m 的 试模 计算精确至o 1 m p a 以3 个试件测得的算数平均值作为该组试件的抗折强度值 若其中最大值或最小值与中间值之差大于中间值的1 5 则取中间值为该组试件的抗折 强度值 如果二者与中间值相差均大于中间值的1 5 则试验结果无效 r p c 试件抗折强度计算公式 3 8 3 p 乃2 雨 1 2 l 式中 矿一混凝土抗折强度 m p m p 混凝土试件破坏时的荷载 n 卜支座间距 8 0 m m 卜试件高度 4 0 m m 1 3 纤维增强理论 水泥基体的缺陷之一是其固有的脆性破坏 这种破坏发生在受拉应力系统或冲击荷 载的情况下 加入纤维的主要目的是希望改善基体的韧性和抗拉性能 1 3 1 基本理论概述 在水泥浆及混凝土中采用纤维有着某些不利条件 为将纤维的力学性能置于完整的 理论基础上 必须首先说明水泥浆及混凝土的一些主要特点 3 9 主要的不利条件是 柏 1 抗拉极限应变d 5 0 0 xl o 6 2 弹性模量较高 7 4 0 g p a 尽管这在工程结构中对于控制抗挠度是有利的 但 直到基体开裂时纤维的承载能力没有得到充分发挥 3 纤维掺入的容量有限 4 与许多种纤维的粘性差 1 5 大连交通大学工学硕士学位论文 5 水泥浆的碱性较高 p h 1 2 1 3 对保护钢筋有利 但会对某些有机纤维造成破 坏 6 在水泥基复合材料中 纤维的分布多半界于二维或乱向三维之间 而且纤维很 短 粘结力弱 此外 由于纤维和基体之间的静止和滑动摩阻粘结强度对关键性的参数是随基体的 不断水化而变化的 这就使得许多理论计算的结果不适合于预测复合材料的性能 为了 能预测基体可能改善的程度 还是值得进一步深入研究的 模板中已经自动设置为缺省 值 1 3 2 乱向短纤维增强复合材料的基本理论 1 3 2 1 乱向短纤维增强复合材料的复合力学理论 短纤维增强水泥基材料 纤维有乱向和短两大特点 因此 在增强理论上要反映出 这两个基本特征 乱向短纤维与定向长纤维增强水泥基是不相同的 所采用的复合力学 理论又被称为混合率法则 它是基于线弹性的 均质的顺向配置连续纤维的复合材料而 提出的 当在纤维方向受拉时 外力通过基体传递给纤维 因其建立在线弹性理论基础 之上 故混凝土基体开裂时所对应的荷载就是复合材料的破坏荷载 相应的强度为极限 强度 因此用于连续长纤维增强混凝土复合材料中单位面积所承受的平均应力计算方法 就不适用于乱向短纤维增强混凝土的特征 只适用于定向连续长纤维增强混凝土的弹性 阶段 并只能用来计算初裂强度 而不能用来计算极限强度 4 1 1 如要用复合力学理论计 算乱向短纤维增