提高商品混凝土抗折强度的探讨_图文

1、提高商品混凝土抗折强度的探讨3马烨红1吴笑梅1,2樊粤明1,2(11华南理工大学材料学院,广州510641;21华南理工大学特种功能材料及制备技术教育部重点实验室,广州510641摘要随着商品混凝土在城市道路建设方面的大量应用,如何进一步提高道路混凝土的抗折强度成为各混凝土搅拌站及施工单位关注的热点。本文分别探讨了混凝土坍落度、粗集料粒径与级配、掺和料品种与掺量等因素对C35、C50强度等级的商品混凝土的抗折强度的影响。研究结果表明,通过对原材料的选择与配合比的调整可以经济有效地提高不同强度等级商品混凝土的抗折强度。关键词商品混凝土抗折强度掺合料Discussion of improving

2、the bending strength of R eady-mixed concreteMA Ye-hong1,WU Xiao-mei1,2,FAN Yue-ming1,2(1.College of Material Science and E ngineering,South China U niversity of T echnology,G u angzhou,510640,China.2.K ey Laboratory of Specially Functional Materials and Advanced Manufacturing T echnology of Ministr

3、y of Education.South China U niversity of T echnology,G u angzhou,510640,China Abstract:As the large application of ready-mixed concrete on the city road construction,how to improve the bending strength of concrete becomes a focus for every concrete coMPany.In this thesis,the factors,such as the slu

4、mp,the fines and the size gradation of aggregates and the addition which affect the bend strength of concrete,are studied.The results prove utilizing the stable raw materials and adjusting the mixed ration of concrete can improve the bending strength of ready-mixed concreteK ey w ords:Ready2mixed co

5、ncreteBending strengthAddition1前言水泥混凝土是建造道路的主要材料之一,在道路基础设施建设中起着十分重要的作用。随着交通负荷的日益增重,水泥混凝土面板出现断裂损坏较为普遍。排除路基不均匀沉降、车辆超载等因素的影响,这种损坏是受到剪切作用力而出现断裂1,与混凝土自身抗折强度不足有关。据文献2介绍,若路面混凝土抗折强度降低5%,使用寿命将会降低48%。通常水泥混凝土路面的设计寿命为30年,较短时间内产生大面积破损,将造成极大的资源浪费和损失。据计算,如果3万公里的水泥混凝土高速公路延长30%的寿命每年便能替国家省下约100亿!如果全国水泥混凝土路面的使用寿命都能延长3

6、0%,那么为国家在道路维修上节约的费用是非常可观的。综合以上数据,提高混凝土路面水泥抗折强度对合理利用资源,提高路面质量,延长路面的使用寿命,都具有重要意义。水泥混凝土路面过去均采用现场搅拌混凝土,水泥用量较大,不掺用掺合料和外加剂,坍落度小于5cm,混凝土的抗折强度是抗压强度的1/81/12,对混凝土抗折强度的研究主要侧重于水灰比、材料的组合比例和本身的性质等3。随着商品混凝土的大量推广应用,城市交通建设越来越多地采用商品混凝土。商品混凝土应用了矿物掺合料与外加剂技术,其配制思想及性能与现场搅拌混凝土有较大差异。按照现场搅拌混凝土的折压比系数,采取提高混凝土抗压强度等级来满足商品混凝土抗折强

7、度的3华南理工大学材料学院2005届本科生黄健、郭庆参与本论文的实验做法不经济、不合理。显然如何配制经济合理的商品混凝土具有重要现实意义。本文重点研究了坍落度、粗集料粒径与级配、掺合料品种与掺量等因素对C35、C50等级的商品混凝土抗折强度的影响,并提出了不同强度等级的路面混凝土原材料选择的原则与配合比的优化思路。2原材料及实验方法211原材料1水泥:银羊牌P4215R水泥。2石子:广州顺发石场提供的石子,物理性质见表1。表1粗集料物理性质编号规格紧密堆积密度(kg/m3压碎指标(%针片状含量(%最大粒径(mm级配状况(mm A大1-3石1480111241440单粒级2040 B小1-3石1

8、50091741025连续级525 C1:131525101141240连续粒级540备注:编号C为A石与B石以11混合的粗集料,经检验为最紧密堆积。3砂子:广州西江砂子,细度模数2174,属级配区。含泥量等均符合国家标准。4减水剂:佛山瑞安高效减水剂,固含量为30%。5粉煤灰:采用珠江发电厂和广纸粉煤灰,基本物理性质见表2。以11比例配成实验用灰,其01045mm的筛余细度为24%。表2粉煤灰性质原料细度(%烧失量(%三氧化硫(%游离氧化钙(%P H值珠电15181170019701066广纸301071311109010666矿渣:湖南华菱生产的S95磨细矿渣,7天活性系数为87%,28天

9、活性系数为117%。212混凝土基准配合比采用基准配合比如表3所示。粉煤灰取代水泥的超量系数为115,矿渣取代水泥的系数为110。配合比1中粉煤灰取代水泥用量为1517%,矿渣取代量为20%。配合比2中粉煤灰取代水泥用量为20%,矿渣取代量约为20%。213实验方法按照表3的基准配合比,以及在此基础上调整粉煤灰掺量或矿渣掺量配制试验样品。将配好的材料在SJ D型单卧轴强制式混凝土搅拌机中搅拌3min,依照G BJ97-87水泥混凝土路面施工及验收规范成型、标准养护并检测试件的抗压与抗折强度。表3混凝土基准配合比配合比技术要求水胶比水泥(kg/m3水(kg/m3粉煤灰(kg/m3矿渣(kg/m3

10、砂(kg/m3石子(kg/m3外加剂(%坍落度(mm1C50013728516280706151193019780100 2C350150215171805065712190168801003实验结果及讨论311强度等级为C50的混凝土抗折强度的影响因素311.1混凝土坍落度的影响由于商品混凝土要用搅拌车运输,为方便卸料到工地后混凝土的最小坍落度需在80mm以上;城市各类交通设施(如高架桥的施工难度较大,往往需要采用坍落度更大的泵送混凝土,因而与传统的现场搅拌道路混凝土相比,坍落度差异最为显著。为此,论文首先研究了坍落度对抗折强度的影响。实验以配合比1为基准配比,通过调整减水剂掺量获得3组不同

11、工作性能的混凝土(混凝土坍落度分别为3050mm ,80100mm ,160180mm 。结果如表4所示:不同坍落度的混凝土7天抗压强度和抗折强度相差不大,28天抗压强度略有差别,28天抗折强度随着坍落度的增大显著减小,由616M Pa 下降至515M Pa 和514M Pa 。表4不同坍落度的混凝土(C50强度强度坍落度(mm 7天抗压(MPa 28天抗压(MPa 7天抗折(MPa 28天抗折(MPa 7天折压比28天折压比3050501163124156160108980110448010048166413411515010844010861160180441256134125140109

12、57010960混凝土坍落度为3050mm ,80100mm ,160 180mm ,此时减水剂的掺量分别为胶凝材料总量0160%、0197%和1113%。坍落度随减水剂掺量增加而增大的原因是水泥浆体中的絮凝结构不断减少,用于流动的自由水含量增多。同时粗集料周边形成的水膜厚度增加,界面结构增厚,Ca (O H 2及其钙矾石(A FT 等结晶产物相容易富集和长大4,导致粗集料与浆体界面粘结结构疏松, 抗折强度下降。因此,适当减少减水剂掺量,降低混凝土坍落度确实有利提高混凝土28天抗折强度。但工程上受到道路施工条件的限制,通过降低坍落度以提高抗折强度较难实现。因此,本文在混凝土坍落度为80100m

13、m 的基础上,进一步研究了集料粒径与级配、掺合料品种及掺量对抗折强度的影响。311.2粗集料粒径与级配的影响采用表3中配合比1,分别对比了表1中A 、B 、C 三种不同级配的粗集料配制的混凝土的抗折强度,结果如表5所示。采用A 、B 石配制混凝土,28天抗折强度均为515M Pa ,抗折强度较低。A 石与B 石以11混合,集料堆积密度最大,其混凝土28天抗折强度显著提高,达到6173M Pa 。同时,用A 石、B 石、C 石配制混凝土28天折压比分别为010861,010909和01107。用C 石作为粗集料的混凝土折压比较高,说明混凝土抗折强度增长幅度较抗压强度高。结合折压比及其28天抗折强

14、度数据都可看出,粗集料的不同级配对混凝土抗折强度的影响很大,采用堆积紧密的粗集料对混凝土抗折强度提高十分有利。图1为28天龄期混凝土抗折试件的破坏断面(由于混凝土中集料及砂浆同时断裂,破坏断面较平整如图所示:采用B 石,混凝土中集料分布不均(a 采用B 石的混凝土28天断面(b 采用C 石的混凝土28天断面图1混凝土(C50断面匀,石头与石头之间的拨开较小;采用C 石,混凝土中石头分布较均匀且石子之间被浆料拨开的较合适。因为在紧密堆积的情况下,石子的空隙率最小,在一定的体积下所需要的砂浆的填充量最少,其用于包裹石子的砂浆就多,改善了混凝土的界面情况,且由于石头分布较均匀,提高混凝土的匀质性,从

15、而提高混凝土抗折强度。如果粗骨料粒径过小(如B 石,使得石子的比表面积过大,空隙率增大,用于填充的砂浆用量多,包裹石子的砂浆就少,影响混凝土抗折强度。同时,粗集料粒径越小,结构内界面增多,缺陷增多进而降低混凝土强度。但粗集料粒径越大,结构均匀性差,内部缺陷存在的几率也越大;同时,粒径越大,在施工振捣过程中,下沉速度越快,容易造成混凝土内部颗粒分布不均匀,进而使硬化后的混凝土强度降低。5因此在混凝土的使用中,选择合理的石子级配对混凝土抗折强度的提高十分有利。表5不同粗集料粒径的混凝土(C50强度强度石子级配7天抗压(MPa28天抗压(MPa7天抗折(MPa28天抗折(MPa7天折压比28天折压比

16、A48166413511515010970010861 B50176016417515010927010909 C52126219418617010920011070311.3混凝土掺合料品种与掺量的影响以配合比1为基准,采用C石,坍落度控制在80100mm范围,分别试验了粉煤灰和矿渣对混凝土抗折强度的影响,结果如图2、图3所示。保证粉煤灰取代率为15%,改变磨细矿渣取代水泥的用量(图2。当矿渣取代量为0%,即胶凝材料中只含水泥和粉煤灰,其混凝土7天抗折强度为51 1M Pa,28天抗折强度也较高,为612M Pa;用10%矿渣取代水泥,7天抗折强度下降至416M Pa,28天抗折强度没有变化

17、,为612M Pa;用20%矿渣取代水泥,7天抗折强度略微下降至418M Pa,28天抗折强度高达617M Pa。取代量增加至30%,7天和28天抗折强度下降至412M Pa和518M Pa,强度明显低于未掺矿渣的混凝土。从以上结果看出在掺15%粉煤灰的条件下,用磨细矿渣取代水泥,对混凝土28天抗折强度影响不显著,磨细矿渣取代量过大甚至会导致抗折强度下降。当矿渣取代量固定20%时,改变粉煤灰的取代量,实验结果如图3所示:除取代率为15%以外,7天抗压强度及抗折强度均低于未掺粉煤灰的混凝土;28天抗压及抗折强度都高于未掺粉煤灰的混凝土。从折压比也可以看出:粉煤灰取代量为0%、15%、20%、30

18、%,其7天折压比为011062、010996、010920、011011,即掺粉煤灰的混凝土7天折压比低于未掺粉煤灰的;28天折压比数值为010966、011117、011070、010995,掺有粉煤灰的混凝土28天折压比都高于未掺粉煤灰的混凝土,取代量为15%图2不同矿渣取代量的混凝土(C50强度图3不同粉煤灰取代量的混凝土(C50强度和20%的混凝土28天折压比最高。掺有粉煤灰的混凝土抗折强度后期增长较快,28天强度高于未掺粉煤灰的混凝土。由此可见,在强度等级较高的混凝土中加入粉煤灰,对提高混凝土28天抗折强度有利。本文认为虽然磨细矿渣的化学活性高于粉煤灰,取代部分水泥后,对净浆的胶凝性

19、的不利影响弱于粉煤灰,但在强度较高的混凝土中,界面对抗折强度的影响作用更加显著:粉煤灰取代水泥时采用超量取代,且粉煤灰的微集料效应及形态效应均比矿渣优越,因此掺入较大量的粉煤灰对改善混凝土集料2砂浆界面的密实度,降低界面的孔隙缺陷十分有利。对于强度等级较高的混凝土,粉煤灰取代量为10%20%较适宜,此时混凝土28天抗折强度较高。312普通混凝土抗折强度的影响因素由于普通混凝土的结构特点与强度等级较高的混凝土不同,掺合料的作用特性及其对混凝土结构影响结果会有不同,因此论文进一步研究了粉煤灰及矿渣不同掺量对C35混凝土抗折强度的影响。以表3中的配合比2为基准,采用C石,坍落度控制在810cm范围,

20、分别改变粉煤灰和磨细矿渣的取 代量,实验结果图4所示。图4不同掺合料品种及数量的普通混凝土强度在磨细矿渣取代量为20%的条件下,粉煤灰取代水泥量在0%30%之间,除取代量为10%的情况外,其7天和28天抗压强度曲线均随着取代量的增加呈下降趋势,且7天抗折强度曲线平缓下降,28 20 商品混凝土 Beto n Chinese Editio n Ready - mixed Co ncrete 2006 年第 3 期 天抗折强度曲线较波动 ,但强度数值都较低 ,普遍低 于未掺粉煤灰的混凝土抗折强度 。掺粉煤灰后砂浆 强度数据如表 6 所示 : 养护 3 、 、 天 , 砂浆胶凝性 7 28 能都随着

21、粉煤灰取代量的增加而降低 。由此可知 , 在配制混凝土路面时随粉煤灰掺量增多 , 虽然混凝 土的抗压强度变化不大 , 但由于砂浆的胶凝性使强 度降低 ,混凝土的 7 、 天抗折强度均显著下降 , 因 28 此普通路面混凝土应尽量减少粉煤灰的掺入量 。 在粉煤灰取代量为 20 %的条件下 ,磨细矿渣取 代水泥量在 0 % 30 %之间 , 从图 4 也可以观察到 磨细矿渣掺量的增加可提高普通混凝土的抗折强 度 。虽然 7 天抗折强度曲线和粉煤灰曲线之间拉开 距离 不 大 , 且 数 值 都 处 于 同 一 个 等 级 , 3M Pa 到 4M Pa 之间 。但是 28 天抗折强度曲线呈上升趋势

22、且当取代量达到 30 %时 ,曲线坡度陡增 。强度全都 在 5M Pa 以上 ,部分可高达 6M Pa ,接近 C50 混凝土 的抗折强度 。掺磨细矿渣后水泥胶砂强度如表 7 所 示 : 磨细矿渣取代率为 0 %的砂浆早期抗压及抗折 强度都较高 ,但 28 天强度均低于掺有矿渣的砂浆 。 用磨细矿渣取代一定量的水泥 , 胶砂后期强度有较 大的增长 ,这是因为试验中采用磨细矿渣 28 天活性 达到 117 % , 其火山灰活性强 , 能够与界面中的 C H 晶体进行二次反应 , 生成 C - S - H 凝胶 , 既改善界 面情况又提高混凝土中砂浆的胶凝性能 , 从而提高 混凝土抗折强度 。 表

23、6 不同粉煤灰取代量的胶砂强度 粉煤灰 替代率 0% 10 % 20 % 30 % 3 天 ( MPa 7 天 ( MPa 28 天 ( MPa 由此可知 ,在普通混凝土中加入矿渣 ,对提高混 凝土抗折强度十分有利 。本文认为虽然粉煤灰的微 集料效应及形态效应对浆体界面改善作用强于磨细 矿渣 ,但在普通混凝土中 ,浆体胶凝性能对混凝土抗 折强度影响较为显著 。用活性较强的磨细矿渣取代 水泥 ,与 C H 反应生成 C - S - H 凝胶 , 增强浆体的 胶凝性能 ,从而提高混凝土抗折强度 。矿渣取代量 增加至 30 % ,混凝土后期 28 天抗折强度有较大的 增长 。 4 结论 1 随着减水剂掺量增加 ,拌合物坍落度增大 ,相 同强度等级的混凝土抗折强度降低 。坍落度为 30 50mm 时 ,混凝土具有较高抗折强度 。 2 配合比原材料中采用紧密堆积的粗集料 , 对 提高混凝土抗折强度有利 。 3 强度等级较高的混凝土中 , 用 10 % 20 %的 粉煤灰取代水泥 ,可显著提高混凝土抗折强度 ; 掺入 磨细矿渣对此混凝土抗折强度影响不大 。 4 普通混凝土中 ,掺入粉煤灰 ,混凝土的