自密实高性能水泥基复合材料的研究kdh.pdf

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1、99.7799.60表 1原材料的化学组成%Loss1.562.91原料粉煤灰水泥SO30.582.37SiO254.5020.53Al2O332.016.62Fe2O35.613.57CaO1.2760.76MgO1.462.84K2O2.47-Na2O0.31-赵玉芳，卢忠远，严云（西南科技大学 材料科学与工程学院，先进建筑材料四川省重点实验室，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0）A b s t r a c t:According to the dense-packing theory，the hydration process and synergistic effect of the

2、multi-component cementitious were stud-ied by orthogonal experimental.The results showed that：the liquidity and strength of the multi-component cementitious could be regulated byvarying the content and fineness of the each cementitious，the mixing amount of the steel fiber.Finally，a self-compacting h

3、igh performance ce-ment-based composite materials was prepared under 90 hot water curing system with steel fibre volume quantities was 2.5%，which flexualstrength was more than 40 MPa and compressive strength was more than 200 MPa.K e ywo r d s:reactive powder concrete；superplasticizer；self-compactin

4、g；best particle size gradation摘要：根据紧密堆积原理，通过正交试验研究了多元胶凝粉体材料各组分的水化进程匹配和复合胶凝效应。试验结果表明：改变胶凝组分含量和细度以及钢纤维的掺量可以调控多元胶凝粉体的流动性和强度。在 9 0 热水养护钢纤维体积纤维掺量在 2.5%时可配制出抗折强度超 4 0 M P a，抗压强度超 2 0 0 M P a 的自密实高性能水泥基复合材料。关键词：活性粉末混凝土；高效减水剂；自密实；最佳颗粒级配中图分类号：T U 5 2 8.5 3文献标志码：A文章编号：1 0 0 2-3 5 5 0（2 0 0 8）1 1-0 0 7 2-0 5S

5、e l f-c o mp a c t i n gh i g hp e r f o r ma n c ec e me n t-b a s e dc o mp o s i t ema t e r i a l sZHAO Yu-fang，LU Zhong-yuan，YAN Yun（SouthwestUniversityofScienceandTechnology，KeyLaboratoryforAdvancedBuildingMaterialsofSichuanProvince，Mianyang621010，China）自密实高性能水泥基复合材料的研究收稿日期：2008-06-10基金项目：“十一五

6、”国家支撑项目（2006BAF02A24）混凝土Concrete2 0 0 8年 第1 1期（总 第 2 2 9期）Number 11 in 2008（Total No.229）原材料及辅助物料MATERIAL AND ADMINICLE0 引言水泥混凝土作为一种建筑材料自问世以来，迄今已有一百多年的历史。随着 21 世纪混凝土工程的大型化、工程环境的复杂化以及应用领域的不断扩大，人们对其提出了更高的要求，高性能化和高功能化是未来混凝土科学和工程技术的重要发展方向1。活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，缩写为 RPC）2-4是继高强、高性能混凝土之后出的一种新型混凝土

7、，是由法国最大的营造公司之一布伊格（Bouygues）公司以 Pierre Richard5为首的研究小组在 1993 年率先研制成功的。RPC 是一种超高强、高韧性、低孔隙率、耐久性和体积稳定性良好的超高性能水泥基复合材料混凝土。它主要由水泥、石英砂、石英粉、硅灰、钢纤维和高效减水剂组成，根据密实堆积原理将粗骨料剔除，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）减小到最少，采用适当的成型和养护工艺制成的6-8，从而获得超高强度与高耐久性。然而 RPC 的高成本和施工复杂性影响了它在实际工程中的应用。首先必须解决施工问题，考虑到未来的建筑物需要在更加恶劣的环境中服役，同时建筑物也

8、将越来越复杂，形状特殊、厚度小或配筋密、振捣不易、施工困难、对施工人员的技术要求高，同时容易造成因振捣不充分而出现蜂窝、孔洞等缺陷，影响建筑物的质量。一些工程位于人口居住区，振捣噪音污染严重，这些都对混凝土提出了免振捣自密实的要求9-11。鉴于以上原因本研究在 RPC 的基础上设计正交试验，通过调节水泥和不同细度及活性的矿物掺合料的比例，使其达到最佳的堆积密实度和复合胶凝效应，制备一种不经振捣就能达到自密实的高性能水泥基复合材料。1 试验研究1.1 原材料（1）水泥：四川江油双马水泥厂生产的双马 P O 42.5R 级水泥，化学成分见表 1。（2）粉煤灰：选取江油巴蜀火电厂的 I 级粉煤灰，化

9、学成分见表 1。（3）硅灰：埃肯国际贸易上海有限公司 JH92OU 灰白色微硅粉，化学成分与物理技术指标见表 2。（4）石英砂：绵阳市某石英砂厂细石英砂，用 0.63 和 0.08mm72标准筛过筛，用自来水清洗晒干粒径范围0.080.63mm。（5）减水剂：四川柯帅外加剂有限公司生产的 KS-JS50 型聚羧酸高性能减水剂（固含量 50%）。（6）消泡剂：四川柯帅外加剂有限公司提供，由减水剂的说明书可知，此减水剂有引气作用。加入消泡剂以减少气泡，提高强度。消泡剂的添加量为减水剂固含量的 3。（7）钢纤维：天津市贝瑞克丝钢纤维厂产的镀铜微丝型钢纤维，规格 0.2 mm14 mm。1.2 原材料

10、的制备1.2.1粉煤灰的制备以江油巴蜀电厂生产的 I 级粉煤灰为主要原料，用振动磨制备 4 种细度的粉煤灰，具体粒度分布见表 3。1.2.2石英粉的制备石英砂洗净晾干后经粉磨制备不同细度的石英粉，以下是试验制备的 4 种石英粉，具体粒度分布见表 4。1.3 试件制备、养护及测试方法1.3.1搅拌方式采用 JJ-5 型水泥胶砂搅拌机，手动控制搅拌时间，将水泥、硅灰、粉煤灰、石英粉、石英砂倒入搅拌锅内，干拌 3 min；倒入一半溶有减水剂和消泡剂的用水量，搅拌 3 min；倒入另一半用水量，搅拌 3 min；若掺入钢纤维，则最后加入钢纤维再搅拌 3 min。1.3.2流动度测试拌合物的流动度参照

11、GB 24192005 水泥胶砂流动度测定方法，不开启跳桌拌合物依靠自身重力流动并密实，用秒表控制时间在 2530 s 内读出数据。1.3.3试件成型及强度测试混凝土搅拌完后，将拌合物浇筑于40mm40mm160mm 的三联模里，试件成型后移入养护室，24h 后拆模，考察 3 种养护制度：在（202）的水中标养 6d；先标养 3d 然后在 90的热水中养护 3 d12；先标养 3 d 然后在 90 的热水中养护 3 d，再在200 养护箱中干热养护 8 h。试件的抗折抗压强度按GB/T 176711999 水泥胶砂强度检验方法（ISO）法 进行测定。2 试验结果及分析2.1 确定减水剂的用量高

12、效减水剂是制备高性能混凝土必不可少的一种组分，它的作用是释放水泥絮凝结构中的禁锢水，且使水泥颗粒之间产生斥力使水泥浆体具有更小的流动极限和更高的动力学黏度，因而更能满足自密实混凝土的要求，掺量少时起不到充分减水作用，掺量大时又会使浆体黏度大抑制气泡的逸出，都会降低混凝土的强度。本试验在控制流动度达到 250 mm 时选用 4 个减水剂掺量，具体抗压强度值见图 1，可明显看出当减水剂掺量为胶凝材料的 1.5%时，抗压强度达到最大值，并且此时浆体流动性良好，没有离析泌水现象。2.2 确定 f u l l 指数q 值自密实活性粉末混凝土技术中剔除了粗骨料，而只加入了细骨料。为了达到最紧密填充，并且达

13、到自密实，它的配合比是相当重要的。根据 Andreasen 连续堆积理论相关资料和经验可知调节 q 值使填充体拥有最紧密填充，并能流动起来13-16。本试验分别取 q=0.22、q=0.25、q=0.3、q=1/3 进行试验以便得到最佳q 值。Andreasen 粒度分布式如式（1）：U（Dp）=100DpDpmaxDDq（1）式中：U（Dp）累计筛下百分数，%；Dpmax最大粒径；qFull 指数。从图 2 可以看出抗压强度随着 q 值的减小而增加，但考虑到成本和混凝土其他性能方面的原因，本试验选择 q=0.25来进行研究。石英砂的粒径范围为 0.080.63 mm，所以当取Dp max=0

14、.63 mm，Dp=0.08 mm，q=0.25 时，U（Dp）=59.7%，石英砂占整个体系的 40.3%。2.3 设计正交试验确定配合比参数试验设计了 4 水平 5 因素正交试验，将不同细度的矿物掺合料以适当比例掺配，使得胶凝材料颗粒的级配在一定程度上接近紧密堆积状态增加密实度提高强度。综合考察了硅灰用量、粉煤灰用量、石英粉用量、粉煤灰种类、石英粉种类对强度和流动度的影响。试验工况和结果见表 5。观察表 5 可以明显看出配合比各参数对材料性能的影响，试验通过调节用水量使新拌浆体的流动度在 250 mm 左右，综合分析前 16 组试验，发现强度值较高的几组试验水胶比都较表 4石英粉的粒度分布

15、md（0.9）172.58869.78042.25712.588石英粉编号Q1Q2Q3Q4d（0.1）4.1952.1382.5130.934d（0.5）49.50419.74413.1064.309表 2硅灰的化学成分与物理技术指标化学成分/%SiO292.0Al2O30.3Fe2O30.8CaO0.4MgO0.3Na2O0.2K2O0.9密度/（g/cm3）2.2细度/（m2/kg）22 000表 3粉煤灰的粒度分布md（0.9）53.85122.76619.22012.588粉煤灰编号F1F2F3F4d（0.1）2.6471.3201.0920.934d（0.5）16.2937.6886

16、.1924.309图 1减水剂掺量对强度的影响图 2q 值对强度的影响73低，可见水胶比是影响强度的一个重要因素。矿物掺合料的微集料填充效应和高效减水剂产生的相互叠加效应使得达到同一流动度的水胶比降低，硬化水泥石的密实度及强度提高。编号 C1 的抗折和抗压强度值最高，所以本研究将配比 C1 定为本试验的最优配合比。由表 6 可知各影响因素的极差顺序为sfFfaQq，即硅灰的掺量和粉煤灰的种类为主要影响因素。硅灰的细度和活性很高，在适宜掺量时能起到填充作用和活性效应提高强度，然而它的比表面积很大，导致需水量高。粉煤灰中含有大量表面光滑的玻璃体微珠具有“轴承”减水作用，和硅灰复掺能起到很好的密实填

17、充作用。均值强度值随着粉煤灰细度的增加而增加，随着石英粉细度的增加呈先增加后减小的趋势。观察图 3 可知当 sf=0.25、fa=0.2、q=0.25 时均值强度达到最大值。结果表明可以通过调整多元胶凝粉体的掺量和细度使得体系具有更好的紧密堆积效应和复合胶凝效应，有利于硬化水泥石结构体强度的提高。2.4 钢纤维掺量对强度的影响掺加乱向分布的钢纤维能阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻碍宏观裂缝的发生和发展。以 C1 配合比为基材，分别以钢纤维体积率 0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的量掺入，在不同养护制度下研究纤维掺量对流动性和强度的影响。结合表 5 及图 4、5 考察养护制度和纤维掺量对材

18、料强度值的影响，发现在同一纤维掺量下热养的强度值明显高于标养，其中抗折强度值提高了 10MPa 左右，抗压强度值提高了 60MPa左右。但是两种热养护下的强度值差别不大，当纤维掺量在2%以内时，经干热养护后抗压强度值有所提高，然而抗折强度值却比只经热水养护的要低 2MPa 左右，当纤维掺量达到 2.5%，两种热养护下的强度值的增长速度都开始降低，并且干热养护的抗折强度值出现下降趋势。标养制度下的强度值随纤维掺量的增加几乎呈直线增长。在成型过程中发现纤维掺量对流动度的影响并不明显，可能是本研究选用的是表面镀铜的微丝钢纤维表面不吸水以及掺图 4不同养护制度下的抗折强度值图 3效应曲线图表 5配合比

19、对材料性能的影响胶凝材料热水养护/MPa编号A1A2A3A4B1B2B3B4C1C2C3C4D1D2D3D4X1X2X3X4X5水胶比（W/B）0.2160.2060.2170.2220.2060.1990.2170.2100.1980.2160.1970.2080.2160.2140.2080.2010.1980.1980.1980.1980.198水泥 C111111111111111111111硅灰（SF/C）0.150.150.150.150.200.200.200.200.250.250.250.250.300.300.300.300.250.250.250.250.25粉煤灰（FA

20、/C）0.10（F1）0.15（F2）0.20（F3）0.25（F4）0.10（F3）0.15（F4）0.20（F1）0.25（F2）0.10（F4）0.15（F3）0.20（F20.25（F1）0.10（F2）0.15（F1）0.20（F4）0.25（F3）0.10（F4）0.10（F4）0.10（F4）0.10（F4）0.10（F4）石英粉（Q/C）0.15（Q1）0.20（Q2）0.25（Q3）0.30（Q4）0.20（Q4）0.15（Q3）0.30（Q2）0.25（Q1）0.25（Q2）0.30（Q1）0.15（Q4）0.20（Q3）0.30（Q3）0.25（Q4）0.20（Q1）0.

21、15（Q2）0.25（Q2）0.25（Q2）0.25（Q2）0.25（Q2）0.25（Q2）流动度/mm255250252258250250257253255250253255250253255250255253250250247钢纤维体积比/%00000000000000000.51.01.52.02.5抗折19.5620.0120.8719.4219.5521.5722.0021.2422.5020.9121.2419.9619.2219.0820.8120.4522.8527.3832.5338.6442.57抗压126.3131.4134.9130.7132.3137.8136.213

22、5.8145.2140.6141.2138.6133.9135.0139.2136.8161.9180.6190.4193.5202.4表 6影响因素的极差分析均值均值1均值2均值3均值4极差因素硅灰sf130.825135.525141.400136.22510.575粉煤灰fa134.425136.200137.875135.3503.450石英粉q135.525135.375137.875135.3502.375粉煤灰类型F134.025135.575136.150138.2254.200石英粉类型Q135.475137.400136.300134.8002.60074图 7不同养护制度

23、下各样品的 XRD 图图 5不同养护制度下的抗压强度值图 6不同养护制度下各样品的 SEM 图量少的原因。但钢纤维体积掺量的提高会使成型困难，导致密实度下降，同时造价也会相应增加。综合考虑材料的性能和成本，本研究认为钢纤维的体积掺量宜为 2%2.5%。2.5 S E M 显微微结构分析为了研究不同配合比和不同养护制度下的水化程度及水化产物的形貌，试验测试了相同龄期不同配合比和不同养护制度下的 SEM图，各试样的 SEM图如图 6：观察图 6（a）可知除了大量纤维和絮凝状的 C-S-H 外，球状粉煤灰还清晰可见。并且表面还十分光滑，没有明显的被腐蚀迹象，这也正说明了粉煤灰的活性比较低，在水化早期

24、还没有发生火山灰活性反应，基体中活性粉末颗粒表面不连续地包裹着一层水化产物。从图 6（b）上可以明显看到水化早期形成针状 AFt 晶体和大量的针状纤维状的 C-S-H形成网络和板状的Ca（OH）2晶体。观察图 6（c）、（d）可得经过热养护后硬化体结构致密，水化产物主要是 III型 C-S-H。随着水化进程的发展，由于水化生成物的增多，水化环境是致密和相对缺水的体系，其生长空间受限，使它们的结晶形态发生改变，晶体尺寸较小，几乎看不到几何外形规整的水化产物。界面相互结合紧密，两者之间观察不到明显的界面过渡区。可以推测经热养护后强度值会明显增加。因为晶体的强度不但随其结构变化，也随其形状和尺寸而变

25、化，晶体的尺度越小，其强度越高。这是因为晶体的尺寸越小，结晶完整性越好，其中的位错、孔隙、裂缝等缺陷越少，在荷载作用下，这些缺陷是应力集中和开始破坏的地方。结合前面强度试验说明微观分析结论与混凝土强度发展规律相一致。2.6 X R D物相分析试验通过 XRD 分析判断试样矿相组成及胶凝材料水化进程情况。观察 A 样品和 B 样品两种体系的 XRD 图谱可以发现：两种样品的水化产物种类基本相同。存在 AFt 相、Ca（OH）2、C-S-H（II）微晶相还有未水化的熟料成分。对比 A 与 B 可以发现 A 样品中明显多出一种石英晶体相，这是由于 A 样品中加入了硅灰、粉煤灰、石英粉等矿物细掺料。另

26、外发现 Ca（OH）2相的特征峰明显降低，AFt 特征峰同样如此。主要是因为 A 中硅灰的加入极大地促进了早期水化，同时硅灰的二次水化消耗了Ca（OH）2。馒头峰较纯水泥的要大，这主要是因为掺入矿物掺合料后产生无定形的 C-S-H（I）凝胶增加。观察 C 样品和 D 样品可以看出两种图谱几乎完全一样，这和两种热养护制度下强度值相差不大，比较吻合。水泥熟料成分变化不是很明显，说明由于矿物掺合料的促进作用，水泥水化主要发生在早期，随着反应进行，生成水化产物在反应颗粒表面沉淀生成，降低了孰料的反应速度。和 A、B 样品相比 C、D 样品中几乎不能发现 AFt 相，Ca（OH）2特征峰也弱了很多。这说

27、明热养护和加入细矿物掺合料发生的二次水化消耗了熟料矿物水化生成的 Ca（OH）2，抑制了 AFt 的生成，同时结晶相产物的晶粒尺寸也发生了细化，这都有利于强度的产生。由于掺合料中加有石英粉所以 A、C、D 样品中有明显的石英相，以至于一些不显著的水化产物峰被掩盖。3 结论（1）在常规制作工艺热养护条件下，配制出抗折强度为22.50 MPa，抗压强度为 145.2 MPa 的自密实高性能水泥基复合材料。752.4 混凝土的冻融耐久性冻融对混凝土的破坏是在水转变成冰时体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸气压力差别所造成的渗透压力共同作用的结果。为了降低混凝土的冻结破坏，提高混凝土的抗冻性，降低混凝土中毛

28、细管孔隙率，减少混凝土用水量，降低水灰（胶）比，采用高效减水剂和固体减水剂（如 I 级粉煤灰）都是有效的措施。引气剂的采用大大改善了混凝土的抗冻性，如表 3 所示，不掺引气剂混凝土的冻融耐久性指数仅 20%，远低于掺引气剂混凝土的冻融耐久性指数。影响引气混凝土抗冻融性能的因素，除含气量外，气泡间距系数是一个重要的参数。试验研究发现，气泡间距系数对引气混凝土抗冻性的影响最为显著，如表 3 可见，气泡间距系数越小，混凝土的冻融耐久性指数就越大；气泡间距系数低于 290 m 时，混凝土冻融耐久性指数在 55%以上，而当气泡间距系数为 304 m 时，混凝土冻融耐久性指数仅在 32%。3 结论（1）引

29、气剂泡沫稳定性越高，新拌混凝土含气量的经时损失越小；新拌混凝土经 90 min 后的含气量越大，硬化混凝土含气量越高，线性相关性显著。（2）引气剂的掺入降低了混凝土的强度，且掺引气剂混凝土的强度随气泡平均半径增大而降低；（3）掺入引气剂后，混凝土的冻融耐久性得以改善；气泡间距系数对引气混凝土抗冻性的影响非常显著，当气泡间距系数超过 300 m 时，混凝土的抗冻融耐久性较差。参考文献：1 杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用M.北京：中国水利水电出版社，2004：178-183.2 ZHANG D S.Air-Entrainment in Fresh Concrete with PFAJ.Cem

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31、：174-181.5 NEVILLE A M.Properties of concreteM.London：Pitman Publishing Ltd.，1995.6 张德思，成秀珍.硬化混凝土气孔参数的研究J.西北工业大学学报，2002，20（1）：10-13.作者简介：周世华（1979-），男，硕士，工程师，主要从事水工混凝土研究与应用。单位地址：湖北省武汉市黄浦大街 23 号（430010）联系电话：027-82926347表 3混凝土的冻融耐久性指数气泡间隔系数/m-262259288289304试验编号012345引气剂品种-E1E2E3E4E5冻融耐久性指数/%2070685855

32、32图 4混凝土强度与气泡平均半径的关系 上接第 5 7 页（2）以 C1 配比为基体配比钢纤维体积掺量在 2.5%时配制出抗折强度为 42.57 MPa，抗压强度为 202.4 MPa。综合考虑成本和各方面综合性能，本文认为钢纤维的体积掺量宜为 2%2.5%。（3）通过 SEM 和 XRD 分析可知：，加入细矿物掺合料后水泥水化主要发生在早期，经过热养护后硬化体结构致密，水化产物主要是 III 型 C-S-H，Ca（OH）2晶体量稀少且没有钙矾石。参考文献：1 杨久俊，吴科如.混凝土科学未来发展的思考J混凝土，2001（3）：3-92 RICHARD P，CHEYREZY MComposit

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36、制度对 RPC200 强度影响的研究J施工技术，2007，36（4）：49-5113刘娟红，宋少民颗粒分布对活性粉末混凝土性能及微观结构影响J.武汉理工大学学报，2007，29（1）：26-2914李滢，杨静胶凝材料颗粒级配对水泥凝胶体结构及强度的影响J.新型建筑材料，2004（3）：1-4.15陆厚根.粉体技术导论M.上海：同济大学出版社，2003：37-38.16王素娟，严云自密实活性粉末混凝土的研究J混凝土，2007（10）：34-37作者简介：赵玉芳（1982-），女，硕士研究生，主要研究方向为先进建筑材料。单位地址：四川省绵阳市西南科技大学材料科学与工程学院（621010）联系电话：0816-241920676