较好韧性的超高强混凝土的制备及性能

第１３卷第３期　２０１０年６月　建筑材料学报　

Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＵＩＬＤＩＮＧ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　Ｖｏ１．１３，Ｎｏ．３　

Ｊｕｎ．，２０１０　

文章编号：１０ｏ７—９６２９（２Ｏ１Ｏ）Ｏ３—０３１Ｏ—Ｏ５　较好韧性的超高强混凝土的制备及性能　

佘伟，　张云升，　张文华，　李　欣　（东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京２１１１８９）　

摘要：通过二元、三元复合工业废渣大掺量取代水泥，普通砂取代磨细石英砂，掺短切钢纤维等优　化基体组成工艺制备出了抗压、抗折强度分别为２２０，７０　ＭＰａ的超高强混凝土（ＵＨＳＣ）；系统研究　了矿物掺和料掺加方式对ＵＨＳＣ动态力学行为的影响规律；通过压汞分析（ＭＩＰ）、扫描电镜　（ＳＥＭ）、Ｘ射线能谱分析（ＥＤＡＸ）、Ｘ射线衍射分析（ＸＲＤ），研究了ＵＨＳＣ的孔结构、界面、显微结　构和水化产物．结果表明：复掺矿物掺和料改善了ＵＨＳＣ的界面结构，促进了水化产物的形成，从　而提高了ＵＨＳＣ的抗冲击和耐撞磨性能．　关键词：超高强混凝土；矿物掺和料；韧性；抗冲击；耐撞磨；机理　中图分类号：ＴＱ５２８．３１　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－９６２９．２０１０．０３．００８　

Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗｉｔｈ　

ＳＨＥ　Ｗｅｉ，　ＺＨＡＮＧ　Ｙｕｎ—ｓｈｅｎｇ，　ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｈｕａ，ＬＪ　Ｘｉｎ　（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ。Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＵＨＳＣ）ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　２２０　ＭＰａ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　７０　ＭＰａ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ，ｎａｔｕｒａｌ　ｆｉｎｅ　ａｇｇｒｅ—　ｇａｔｅｓ，ａｎｄ　ｓｈｏｒｔ　ａｎｄ　ｆｉｎｅ　ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｈａｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ＵＨＳＣ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｐｏｒｅ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎ—　ｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｚｏｎｅ　ａｎｄ　ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｅｒｃｕｒｙ　ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｏｒｏｓｉｍｅｔｒｙ（ＭＩＰ），ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ），ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｘ—ｒａｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＥＤＡＸ）ａｎｄ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ｔｈｅ　ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＩＴＺ　ａｎｄ　ｉｍ——　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃ－Ｓ—Ｈ　ｇｅｌ，ａｎｄ　ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｄ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＵＨＳＣ；ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅ；ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ａｎｔｉ—ｉｍｐａｃｔ；ａｂｒａｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　

超高性能混凝土是一种强度大于１００　ＭＰａ，具　有良好流动性能、力学性能和耐久性能的水泥基复　合材料　］．活性粉末混凝土（ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｃｏｎ—　ｃｒｅｔｅ，ＲＰＣ）是超高性能水泥基材料中的代表，由于　其具有超高强度、优异耐久性、良好工作性等特点，　在高层建筑、大跨径桥梁、大型隧道、核电防护以及　核废料处理等工程中具有广阔的应用前景［２］．目前，　由于ＲＰＣ普遍使用磨细石英砂取代普通骨料、硅灰　掺量大、价格昂贵以及特殊的成型和养护制度（压力　成型和高温养护）等限制了其广泛使用［３　］．本文在　国外ＲＰＣ研究的基础上，采用多重复合技术和超细　微粉技术，用天然砂大掺量取代硅灰及磨细石英粉，　在标准养护条件下制备出了具有较好韧性的超高强　混凝土（ＵＨＳＣ），并通过落锤冲击试验和洛杉矶磨　耗法研究了矿物掺和料掺加方式对ＵＨＳＣ的抗冲　击性能和耐撞磨性能的影响规律，通过压汞分析　（ＭＩＰ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、Ｘ射线能谱分析　（ＥＤＡＸ）、Ｘ射线衍射分析（ｘＲＤ），研究了其孔结　

收稿日期：２００９—１０—２８；修订日期：２００９－１１－２０　基金项目：国家自然科学基金资助项目（ＮＳＦ５０７０２０１４）；国防基础科研“十一五”项目（Ａ１４２００６０１８６）　第一作者：佘伟（１９８５一），男，江苏如皋人，东南大学博士生．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｗ１３１４２６５９＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　第３期　佘伟，等：较好韧性的超高强混凝土的制备及性能　构、水化产物和显微结构．　１　试验　１．１原材料　南京江南小野田水泥厂Ｐ・Ⅱ５２．５硅酸盐水　泥（Ｃ）；上海埃肯国际贸易公司生产硅灰（ＳＦ），其　比表面积为１７　６００　ｍ　／ｋｇ；南京华能热电厂Ｉ级粉　煤灰（ＦＡ），其比表面积为３１０　ｍ　／ｋｇ；粒化高炉矿　渣粉（ＳＬ），其比表面积为４３６　ｍ　／ｋｇ；普通砂，其细　度模数为２．５；上海贝尔卡特生产的特细钢纤维，长　度为２　ｃｍ，长径比为４Ｏ：ｌ，抗拉强度≥２　８００　ＭＰａ；　聚羧酸类高效减水剂，其减水率≥４０％（质量分数）；　普通自来水。　１．２　配合比　通过矿物掺和料的不同掺加方式，制备了６个　系列的ＵＨＳＣ，试验配合比如表１所示．　

表１　ＵＩｉＳＣ基体配合比　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＵＨＳＣ　ｍａｔｒｉｃｅｓ　Ｍｉｘ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ（ｂｙ　ｍａｓｓ），／　Ｃｏｄｅ——，ｎｗ／　ｂ　Ｃ　ＳＦ　ＦＡ　ＳＬ　Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ　

Ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　（ｂｙ　ｖｏｌｕｍｅ）／　Ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓａｎｄ　

ｔＯ　ｂｉｎｄｅｒ　

１．３试验方法　１．３．１试件制备　先将超细混合材、水泥、砂干拌均匀，然后在搅　拌过程中将混合均匀的水和外加剂缓慢倒入搅拌机　内，湿拌２～３　ｒａｉｎ．当混合料进入黏流状态后，均匀　撒入钢纤维，继续搅拌２～３　ｒａｉｎ后，浇筑并振动３Ｏ　Ｓ成型．试件标准养护１　ｄ后拆模，在（２０±２）℃，　相对湿度大于９５　９，６的标准养护室中养护２８　ｄ后进　行性能测试．　１．３．２静、动态力学性能和微观性能试验　抗压、抗弯强度试件尺寸为４０　ｍｍ×４０　ｍｍ×　１６０　ｍｍ，按ＧＢ　１７６７１－－１９９９｛水泥胶砂强度检验方　法》进行测试；按照ＡＣＩ一５４４委员会推荐的方法（即　落锤试验）进行抗冲击试验；参考粗集料磨耗试验方　法（洛杉矶法）进行耐撞磨试验；从试件中心部位取　出数个约１　ｃｍ。的颗粒，然后浸泡在无水乙醇中终　止其水化，经烘干处理后进行ＳＥＭ，ＭＩＰ试验；从　水泥净浆（其配合比与水泥砂浆相同）试件中取出约　１　ｃｍ。的颗粒终止水化，经研磨、真空干燥后进行　ＸＲＤ试验；采用荷兰ＦＥＩ生产的Ｓｉｒｉｏｎ场发射扫　描电镜进行ＳＥＭ试验；采用美国麦克公司生产的　ＡｕｔｏＰｏｒｅ　９５００压汞仪进行孔结构试验；采用德国　Ｂｒｕｋｅｒ公司生产的Ｄ８一ＡＤＶＡＮＣＥＤ型Ｘ射线衍　射仪进行ＸＲＤ试验．　

２结果与分析　２．１抗压和抗折强度　图１为矿物掺和料掺加方式对ＵＨＳＣ抗压和　抗折强度的影响．由图１可以看出，复掺矿物掺和　料以后，ＵＨＳＣ　２８　ｄ抗压和抗折强度大大提高，其　中三掺矿物掺和料试件Ｅ５的抗压、抗折强度分别　为２２０，７０　ＭＰａ，比纯水泥试件Ｅ１的抗压、抗折强　度（１５２，４７　ＭＰａ）分别提高了４４　，４８　．这是由于　硅灰作为一种活性微集料掺人ＵＨＳＣ后，在水泥水　化早期便与ＣＨ发生火山灰反应，降低了水化产物　Ｃ—Ｓ＿Ｈ中的钙硅比，从而使强度提高．另外，多元复　合矿物掺和料使胶凝材料颗粒形成良好的级配，能　够相互紧密填充，有效降低浆体空隙率，从而改善了　硬化浆体的宏观力学性能．　

一　Ｅｌ　Ｅ２　Ｅ３　Ｅ４　Ｅ５　Ｅ６　

．－Ｉ－　－　Ｅｌ　Ｅ２　Ｅ３　Ｅ４　Ｅ５　Ｅ６　图１　矿物掺和料掺加方式对抗压、抗折强度的影响　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ＵＨＳＣ　

７　７　７　７　７　７　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　＿　５　５　５　５　５　２　２　２　２　２　ｏ０　０　０　Ｏ　２　３　１　０　Ｏ　０　２　ｌ　ｌ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　ｉ　１　１　加　加　∞　加　１　２　３　４　５　６　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　建筑材料学报　第１３卷　２．２抗冲击性能　矿物掺和料掺加方式对试件初裂冲击次数Ｎ。，　破坏冲击次数Ｎ　和冲击韧性Ｗ的影响见图２，３．　由图２，３可以看出：（１）不同配合比试件的Ｎ　，Ｎ　呈现相同变化规律，而且掺矿物掺和料试件的Ｎ　，　Ｎ：均大于纯水泥试件Ｅ１，其中Ｅ２的Ｎ。（９　６００　次），Ｎ。（１４　０００次）最大，比纯水泥试件Ｅ１的Ｎ　（８　５００次），Ｎ２（１１　７００次）分别高出１３　，１９．７　．　（２）掺矿物掺和料试件的ｗ大予纯水泥试件Ｅ１，其　中三掺矿物掺和料试件Ｅ５的Ｗ达最大（９１．２　ｋＮ　・ｍ），比纯水泥试件Ｅ１（６４．６　ｋＮ・ｍ）大４１　．（３）　掺矿物掺和料３Ｏ　（质量分数）时，试件Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４　的　为Ｅ２＞Ｅ３＞Ｅ４，说明增韧效果硅灰＞粉煤灰　＞矿渣粉．　图２矿物掺和料掺加方式对Ｎｌ，Ｎｚ的影响　Ｆｉｇ．２　Ｉｍｐａｃｔ　ｔｉｍｅｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ＵＨＳＣ　图３矿物掺和料掺加方式对ｗ的影响　Ｆｉｇ．３　Ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ＵＨＳＣ　耐撞磨能力，Ｑ越小，说明其耐撞磨性能越好．图４　为矿物掺和料掺加方式对Ｑ的影响．试验发现，撞　磨次数小于３００时，试件主要表现为表面砂浆磨损，　撞磨次数大于５００时，试件砂浆和纤维均被磨损，部　分纤维与砂浆脱黏．由图４可以看出：（１）随着撞磨　次数的增加，ＵＨＳＣ的Ｑ越来越大．（２）掺矿物掺和　料的ＵＨＳＣ的Ｑ在相同撞磨次数下均小于纯水泥　试件Ｅ１，说明掺矿物掺和料可提高ＵＨＳＣ的耐撞　磨性能，而且随着撞磨次数的增加，提高幅度越明　显，如撞磨３　０００次后，Ｅ２的Ｑ（８．３）最小，比纯水　泥Ｅ１的Ｑ（１５．０）降低了４５　．（３）掺矿物掺和料　３Ｏ　时，试件Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４的Ｑ为Ｅ４＞Ｅ３＞Ｅ２，即提　高耐撞磨性能的大小顺序为硅灰＞粉煤灰＞矿渣，　这与文献Ｅｓ］的研究结果一致．