超高性能混凝土在中国的研究和应用
摘要:现阶段,随着社会的发展,我国的科学技术的发展也越来越迅速。
超高
性能混凝土作为一种新型水泥基材料,具有强度高,耐久性优异的优点。
本文综
述了超高性能混凝土在中国的研究和应用。
使用常规辅助性胶凝材料取代水泥和
硅灰,在普通工艺下,也可制备出满足性能要求的超高性能混凝土。
硅灰和纳米
二氧化硅可加速超高性能混凝土胶凝材料的水化速度,但矿粉延缓了超高性能混
凝土胶凝材料的水化速度。
超高性能混凝土具有均匀致密的微观结构。
超高性能
混凝土的抗拉、抗弯、抗剪、粘结强度、峰值应变等均远大于普通混凝土,掺入
钢纤维可显著增大超高性能混凝土的韧性。
超高性能混凝土的抗冻性和抗锈蚀性
能均优于普通混凝土。
自从中国2005年第一次将超高性能混凝土应用于工程中,超高性能混凝土已经广泛应用于电缆槽盖板、高速铁路、地铁、桥梁、挂檐板和
人行道盖板中。
关键词:超高性能混凝土;中国;研究和应用
引言
相对于普通混凝土,超高性能混凝的力学性能、耐久性能等提高显著。
近年来,其在工程领域尤其是特殊工程领域逐步得到应用。
目前,我国针对高性能混
凝土的研究主要集中在原材料与制备养护工艺、力学性能、耐久性能等方面,尚
未形成系统、大规模的研究,一定程度了延缓了其在工程领域中的进一步推广。
本文基于对现有文献的总结分析,对目前超高性能混凝土研究内容与方向进行了
梳理归纳,并对未来研究方向与内容进行了展望。
随着未来高、大、深等超级工
程的建设,超高性能混凝土将具有更广阔的研究空间和应用前景。
1 原材料与制备养护条件
一直以来,研究人员都在尝试通过在原料中加入钢纤维、钢渣粉、稻壳灰等
材料以提高超高性能混凝土的强度,或者用超细粉煤灰、钢渣粉、稻壳灰等材料
作为替代材料以减少水泥、硅灰的用量,不仅节约成本、利于环保,而且能将超
高性能混凝土更好的应用于工程中。
用水泥、硅灰和超细粉煤灰以1∶0.25:(0.3-0.4)的胶凝材料比例,且水胶比小于0.16,通过100℃的热水养护制
备了超高性能混凝土,当胶砂比为1.2时,超高性能混凝土具有最佳的强度,
不掺钢纤维时的混凝土抗压强度达到200MPa,掺入3%(体积分数)长径比为60的钢纤维,混凝土的抗压强度接近250MPa,抗折强度达45MPa。
水泥、硅灰、
超细粉煤灰和钢渣粉做胶凝材料,用天然细沙取代标准砂,掺入2%的钢纤维,
在0.18水胶比下制备了超高性能混凝土,经90℃热水养护的超高性能混凝土抗
压强度达到了152MPa,抗折强度可达27.9MPa。
稻壳灰代替硅灰,当低温稻壳
灰掺量为50%,在100℃热水养护条件下,活性粉末混凝土的抗压强度可达115.1MPa。
剔除了硅灰,制备了超细水泥超高性能混凝土。
当矿粉掺量为30%,粉煤灰掺量为10%时,用超细水泥制备的超高性能混凝土抗压强度最大,流动度
最高,超高性能混凝土的生产成本较低。
当水胶比小于0.18,砂胶比为0.9左右,骨料为0.16-0.63粒径范围时,超高性能混凝土的抗压强度较高。
但是,为了增大辅助性胶凝材料的火山灰活性,提高超高性能混凝土的强度,传统的制
备工艺往往需要热养护,使得超高性能混凝土的应用局限于预制构件,大大限制
了超高性能混凝土的应用。
为了克服这个缺点,近年来,人们采用标准养护条件
制备超高性能混凝土。
用60%复合超细辅助性胶凝材料取代水泥和硅灰,并采用
天然黄砂作为骨料,采用三种养护制度(标准养护、蒸汽养护和蒸压养护),成
功制备出了抗压强度大于200MPa的超高性能混凝土。
大量使用矿物掺合料,并
掺入最大粒径为20㎜的粗骨料,采用常规搅拌、成型、养护工艺配制出了超高
性能混凝土。
当采用水胶比为0.16,胶凝材料总量为900㎏/m3(50%水泥,10%硅灰,20%磨细矿粉,20%石灰石粉),合适掺入减水剂和缓凝剂时,混凝土最
大坍落度为268㎜,90d抗压强度为175.8MPa,365d抗压强度为182.9MPa。
大量掺入辅助性胶凝材料,采用普通工艺,在标准养护制度下,制备出了抗压强
度为220MPa、抗折强度为70MPa的超高性能混凝土。
由于混凝土的生产制备会
增加能源的消耗,加剧环境污染,为了减少环境污染,将铁矿石残渣回收利用,
用铁矿石残渣作为骨料,研究了两种不同养护制度下超高性能混凝土的性能,研
究结果表明,用铁矿石残渣100%取代天然骨料显著降低了混凝土的工作性和抗
压强度。
然而,当铁矿石掺量不超过40%时,对于标养90d的试件,掺铁矿石的
试件强度和不掺铁矿石的试件强度相当;对于蒸汽养护2d的试件,和不掺铁矿
石的试件相比,掺铁矿石的试件抗压强度减小了11%,抗折强度增大了8%。
2 水化过程和微观结构
关于超高性能混凝土胶凝材料的水化过程,国内也有一些研究,主要集中在
标准养护制度下超高性能混凝土胶凝材料的水化过程。
三元正交设计下水泥-硅灰-矿粉胶凝体系下超高性能混凝土胶凝材料的水化过程。
研究结果表明,在标准养护制度下,硅灰改变水化的诱导期,减小了加速期出现的时间。
硅灰用量为15%
的混合物放热速率超过了不掺硅灰和矿粉的混合物,当硅灰用量从0%增大到15%时,加速期从7.23h降低到了4.77h。
然而,当硅灰用量增大到30%,水化放
热速率变慢,加速期增大到了6.37h。
矿粉主要延缓了潜伏期和加速期,掺入矿粉的混合物放热峰比纯水泥体系混合物出现的晚,当矿粉用量分别为25%和50%时,加速期分别为9.95和9.8h。
研究了纳米二氧化硅对超高性能混凝土水化
过程和微观结构组成的影响。
研究结果表明,掺入纳米二氧化硅改变了超高性能
混凝土胶凝材料的水化过程,由于纳米二氧化硅的火山灰效应和成核效应,随着
纳米二氧化硅掺量的增大,水泥水化的加速期和减速期都提前了。
掺入纳米二氧
化硅,也优化了超高性能混凝土的孔结构。
随着纳米二氧化硅的掺入,超高性能
混凝土的孔隙率和平均孔径减小。
和不掺纳米二氧化硅的超高性能混凝土相比,
掺入纳米二氧化硅超高性能混凝土的微观结构更均匀致密。
然而,当纳米二氧化
硅用量5%时,由于纳米二氧化硅的结团效应,不利于超高性能混凝土的微观结
构形成。
采用纳米压痕技术,研究了超高性能混凝土的微观性能。
研究结果表明,占据一半浆体体积的水化产物是由高硬度的水化相,大量未水化的水泥和粉煤灰
比水化产物具有更高的力学性能,可作为微骨料填充混凝土的孔隙,提高超高性
能混凝土的强度。
而且,临近骨料或纤维表面的浆体力学性能和浆体性能相近,
表明超高性能混凝土具有紧密的界面过渡区。
超高性能混凝土的水化产物主要为Ⅲ型C-S-H,氢氧化钙含量低,没有钙矾石。
超高性能混凝土的孔隙率约为5%,
主要为微小孔,孔径分布均匀(10nm左右)。
借助微观结构的扫描电子显微镜
技术,可以观测到超高性能混凝土的结构相当致密,基体结构几乎没有可以让有
害气体、水和侵蚀性溶液渗入的毛细孔道。
从扫描电镜图像上看,超高性能混凝
土在180d龄期时,水泥石结构非常致密,只有一些空气孔洞,这是由于水泥水
化及硅灰和磨细矿粉的火山灰效应造成的。
3 结语
在原材料研究方面,主要通过加入超细粉煤灰、钢纤维、钢渣粉、稻壳灰等材料的实验,以寻求提高超高性能混凝土强度的方法,并减少对环境的污染;在工艺研究方面,制备养护工艺研究,从高温养护向常温养护发展,使生产工艺更为简便;在力学研究方面,对抗拉强度、抗压强度、抗折强度、耐久性能的研究等,以及对耐久性方面的研究。
参考文献:
[1]王德辉,史才军,吴林妹.超高性能混凝土在中国的研究和应用[J].硅酸盐通报,2016,35(1):141~149.。