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C60鎂質高強混凝土配制及強度試驗

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摘要:用鎂礦石代替石灰石為粗骨料,研究了不同高效減水劑摻和量、骨料、水膠比、砂率等對混凝土抗壓強度的影響。通過多次試驗調整得到一種鎂質高強混凝土新型配合比。對鎂質混凝土試塊進行抗壓強度測試,對受壓試塊單元體進行應力分析。結果表明,鎂質混凝土試塊與普通混凝土試塊的破壞形式相同,且強度相差不大,均能達到C60高強混凝土強度等級要求。

關鍵詞:鎂礦石;C60高強混凝土;新型配合比;平面應力狀態

菱鎂礦即鎂礦石是一種碳酸鎂礦物,它是中國的優勢礦產資源之一,其儲量、產量、出口量均居世界首位,以遼寧菱鎂礦儲量最為豐富,占全國的85.6%,山東、西藏、新疆、甘肅次之。菱鎂礦除提煉鎂外,還可用作耐火材料和制取鎂的化合物,也可作為建筑原材料。隨著中國經濟的飛速發展,高層建筑蓬勃而起,為了滿足相應要求,高強混凝土得益于廣泛應用,配制技術也愈來愈成熟。近幾年,國內外在對高強度混凝土原材料選擇上也有了新的突破。文獻[1-3]用白云石砂、白云石粉取代石英砂、石英粉,在最佳配合比下,配制出抗壓抗折強度較高的高性能混凝土。文獻[4-7]用鋼渣代替天然砂石做骨料,配制出抗壓強度、抗氯離子滲透性能和耐久性都優于普通混凝土的鋼渣高強度混凝土。文獻[8-10]用粉煤灰陶粒作為骨料,配制出抗壓強度高、抗震性能好、熱工性能好的輕質高強陶粒混凝土。文獻[11-13]用高爐礦渣作為混凝土摻和料代替部分水泥,配制出強度高、耐久性好、工作性能好的高性能混凝土建筑材料。文獻[14-16]將稻草纖維作為一種摻和料加入到混凝土中,配制出一種抗拉、抗彎、抗裂性能好的稻草纖維混凝土,用于建筑結構的非承重部位能夠降低成本。已有研究大多是在原來材料的基礎上添加陶粒、礦渣、纖維等材料,配制出輕質、高性能的混凝土,但有些材料價格高,不經濟、不易取。本文采用便宜易取的廢棄鎂礦石代替普通石子骨料,配制C60鎂質高強度混凝土,充分體現鎂礦石在混凝土中的良好性能,合理利用資源,節約建筑成本,減少了鎂礦石的浪費。

1實驗用原材料

1.1水泥根據《JGJT281-2012高強混凝土應用技術規程》,配制C60及以上高強混凝土,宜選取質量穩定、強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通水泥。因此,本次試驗選用遼寧鞍山水泥廠產P.O42.5R級強度水泥,該水泥的強度穩定性好,水泥與外加劑相容性較好。

1.2粗骨料粗骨料顆粒形狀、顆粒級配、雜質含量等物理性能對混凝土的保水性、流動性、和易性有很大影響,而且粗骨料的強度直接影響混凝土的強度。因此,選用良好的粗骨料是配制高強度混凝土的關鍵。配制C60以上高強度混凝土,宜選用2~20mm的連續級配,含針片狀顆粒小于5%,最大粒徑不超過25mm,含泥量不超過0.5%,泥塊含量不大于0.2%。本次試驗選用兩種類型的粗骨料:一種是遼寧鞍山產鎂礦石,體積密度2900kg/m3;另一種是遼寧鞍山產石灰巖碎石,體積密度2800kg/m3。

1.3細骨料細骨料作為混凝土填充材料,與水泥相結合形成水泥漿,補充石子之間的空隙密實混凝土,提高混凝土的粘結力。因此,選用良好的細骨料對高強度混凝土的配制十分關鍵。本次選用鞍山鐵西產河沙,細度模數為2.6~3.0,含泥量不大于2.0%,泥塊含量不大于0.5%。1.4摻合料根據《粉煤灰混凝土應用技術規范GBJ146-90》,粉煤灰質量指標分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個等級,試驗采用遼寧鞍山鐵西第二發電廠產的粉煤灰,細度≤12%,燒失量≤5%。選用遼寧鞍山鐵西產等級S95硅粉。1.5減水劑減水劑采用陜西秦奮建材Q8081PCA均衡型聚羧酸鹽系高性能減水劑,密度0.98~1.02g/mL,含固量40%,減水劑28%,保坍2h。1.6拌和水采用不含有害物質的潔凈水。

2試樣制作

2.1配合比設計根據文獻[17],配制高強混凝土,砂率應采用37%~44%,水膠比不大于0.38,在JGJT281-2012規程規定,配制強度為C60以上且不大于C80的高強混凝土,砂率宜選用35%~42%,水膠比控制在0.28~0.34。本試驗混凝土試塊分3批制作。第一批X組以普通石灰巖為骨料,研究不同減水劑摻量對混凝土試塊力學性能的影響;第二批Y組以普通石灰巖和鎂礦石為骨料,并采用骨料三級配,研究不同種類骨料對混凝土試塊力學的影響;第三批Z組混凝土配合比基于前兩批混凝土配合比,優化調整而來,以普通石灰巖和鎂礦石為骨料,并采用骨料5~20mm連續級配。其中第二批Y組骨料小中大三級配比例均為1:2:2,Y1組小中大骨料均為普通石灰巖,Y2組小骨料采用普通石灰巖,中大骨料采用鎂礦石,Y3組小中大骨料均為鎂礦石。具體每批混凝土配合比詳見表1和表2。

2.2試塊制作本試驗中3批混凝土試塊均在試驗室內制作完成,每批中每組配合比制作6~9個試塊做標準養護,取平均值記入表格。所有試塊均按照下面操作步驟完成:(1)每組配合比制作采用一次性投料法,將經過篩分的各種按配合比稱量好的材料混合攪拌均勻,再將高效減水劑緩慢倒入水中攪拌均勻,以保證減水劑與材料充分混合。(2)將上述一半混合溶夜加入材料,攪拌5min,再將剩余一半混合液全部加入材料拌和5min。(3)將拌合好的材料裝入150mm×150mm×150mm的模具中,放在振動臺上振動,同時伴隨人工振搗,保證試塊內部材料均勻密實,振動3min成型結束。(4)采用標準養護法進行試塊養護。

3實驗結果及分析

3.1抗壓試驗結果本次試驗利用NYL-2000D型壓力機對每組混凝土試塊進行抗壓試驗。混凝土抗壓試驗時加載速度對立方體抗壓強度也有影響,加載速度越快,測得的強度越高[18]。因此,試驗時壓力機速度控制在每秒鐘0.5~0.8Pa。試塊受壓試驗時,隨著混凝土試塊上施加荷載的增加,試塊四側中部表層混凝土先出現裂縫,接著裂縫沿著大致45°方向向頂角延伸,荷載不斷加大,裂縫開展程度逐步增大,最后達到極限,試塊破壞。圖1為Z組試塊抗壓試驗中試塊破壞形式。第一批混凝土試塊的齡期分別為3、7、28d,第二批試塊的齡期為分別3、7、28d,第三批試塊的齡期為28d。試驗結果如表3所示。混凝土的抗壓強度隨著齡期的延長明顯增大。在一定范圍內,隨著高效減水劑比例的增加混凝土抗壓強度呈增長趨勢,1%的高效減水劑比例較適宜。第三批混凝土試塊均達到了C60高強度混凝土強度等級,第一批和第二批混凝土試塊抗壓強度均未達到C60高強標準,但部分試塊達到C50標準。

3.2理論分析以第三批混凝土試塊抗壓試驗為例,分析混凝土試塊的破壞以及受壓應力狀態,混凝土試塊在試驗機上受壓過程中,隨著縱向逐漸壓縮,橫向會膨脹,由于混凝土的彈性模量、橫向變形與壓力機墊板的差異,壓力機墊板的橫向變形明顯小于混凝土的橫向變形。當試塊承壓接觸面上不涂潤滑劑時,混凝土立方體試塊的橫向變形受到摩擦力的約束,形成“箍套”作用[19-20]。在“箍套”的作用下,試塊與墊板的接觸面局部混凝土處于三向受壓應力狀態,造成混凝土破壞時形成兩個對頂的角錐形破壞面。由圖1可看出,Z組混凝土試塊實際的破壞形式與理論相符。在受壓試塊上取一單元體,單元體前、后、左、右表面均為零,上、下表面主應力為-σ受壓,切應力為零。建立以正應力σ為橫坐標,切應力τ為縱坐標的直角坐標系,畫出單元體的莫爾應力圓[21],單元體應力平面形式和應力圓如圖2所示。由單元體應力狀態可計算出該單元體莫爾應力圓方程如下式中:α表示截面的方位角;σα、τα表示方位角為α截面的正應力、切應力。最大切應力所在的截面與σ2主平面相垂直,并與σ1、σ3主平面互成45°角。Z2組鎂質混凝土立方體試塊和Z1組普通混凝土試塊破壞形式相同,破壞面都是由試塊上、下面的邊緣大致呈45°向試塊中心擴展,符合混凝土試塊受壓應力狀態理論。

4各因素對試塊強度的影響

4.1減水劑的影響配制高強度混凝土,減水劑是一必不可少的材料,能保持良好的坍落度,降低水灰比,從而提高混凝土的強度和密實度。然而,過摻或少摻高效減水劑就達不到提高混凝土強度的良好效果[22]。減水劑摻和量對X組混凝土強度的影響如圖3所示。摻和量為0.8%~1.0%時,混凝土抗壓強度呈增長趨勢,摻和量為1.0%~1.1%時,混凝土抗壓強度呈下降趨勢。因此,減水劑摻和量為1.0%效果最好。

4.2骨料種類的影響骨料在高強混凝土中起骨架作用,隨著混凝土硬化過程與水泥和水形成的水泥石粘結在一起,主要承受加載在混凝土上受到的應力,由于骨料種類的不同造成骨料界面特性[23]的不同,對混凝土強度有重要影響。圖4是Y組3個不同骨料的混凝土試塊隨齡期的抗壓強度曲線。前期強度都增長較快,后期增長緩慢,以普通石灰巖為骨料配制的Y1組混凝土抗壓強度較高,以鎂礦石為骨料配制的Y3組混凝土抗壓強度較低,以普通石灰巖和鎂礦石為骨料配制的Y2組混凝土抗壓強度位于Y1、Y2兩者之間。3個試塊抗壓強度曲線非常接近,抗壓強度值相差不大,說明鎂礦石骨料與石灰巖骨料界面特性相似。

4.3水膠比、砂率的影響砂率和水膠比對混凝土抗壓強度的影響如圖5和圖6所示。3個試樣的減水劑都是采用1.0%的摻和量,但砂率和水膠比都不同。X3組、Y1組、Z1組分別采用31%、28%、39%的砂率,如圖5所示。隨著砂率的增大混凝土的抗壓強度逐漸增大,Z1組混凝土抗壓強度最高達66.7MPa。X3組、Y1組、Z1組分別采用23%、30%、28%的水膠比,如圖6所示。隨著水膠比的增大,混凝土的抗壓強度呈現先逐漸增高后減小的趨勢,28%的水膠比最佳。因此,在本試驗中砂率39%,水膠比28%時配制出的混凝土強度最大。

5結論

(1)用鎂礦石代替普通石子,和水泥、硅粉、水按一定比例混合,添加1.0%高效減水劑能配制C60鎂質高強混凝土。(2)以鎂礦石為骨料配制的高強混凝土試塊與以普通石灰巖為骨料高強混凝土試塊受壓破壞形式相同,且抗壓強度相差不大,均能達到C60高強混凝土強度等級要求。(3)選用小中大三級配比為1:2:2的骨料可以配制C50高強混凝土。混凝土抗壓強度早期增長較快,后期緩慢。選用5~20mm連續級配骨料可以配制C60高強混凝土,砂率宜在39%、水膠比28%左右。

作者:張瑞濤 高華國 李吉人 王楠 劉武通 李程前 單位:遼寧科技大學

遼寧科技大學學報責任編輯:張雨    閱讀:人次
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