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硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献的分析
发布人:sphnt 发布时间:2009年11月25日 被浏览 4638

何 峰1 ,2 ,  黄政宇2
(1 湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南长沙 410081 ;  2 湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082)

[摘 要]  运用火山灰效应数值分析方法定量分析了硅灰和石英粉两种主要组分对RPC 抗压强度贡献率、强度贡献
数值以及两种组分的强度贡献指数。
[关键词]  活性粉末混凝土;  硅灰;  石英粉;  强度贡献;  增强效应

1  前言
      活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete ,简称RPC) 是一种超高强、高韧性、耐久性和体积稳定性良好的超高性能混凝土。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,采用适当的成型和养护工艺制成的。近年来,RPC 在国内受到了大量关注,湖南大学、清华大学、中南大学、东南大学、福州大学等各高等院校先后开展了RPC 研究工作。尽管各组分对RPC 的增强机理有了一定的研究,但是其增强作用还缺乏定量的分析。本文利用蒲心诚教授所提出的火山灰效应数值分析方法[1] ,定量地分析了硅灰和石英粉两种主要组分对RPC 强度贡献率、强度贡献数值及各组分的强度贡献指数,从而反映这两种组分在RPC 中对强度贡献的大小。

2  试验数据
  试验数据的原材料性质、成型工艺和养护条件均相同。其中,标准养护指的是在(20 ±2) ℃水中养护28d ,热水养护是指在90 ℃热水中养护48h ,高温养护是指热水养护后在200 ℃的高温下干热养护8h 。

3  硅灰和石英粉对RPC 强度贡献的分析
  火山灰效应数值分析方法认为掺有活性矿物掺料的混凝土强度由水化的强度贡献和火山灰效应的强度贡献两部分组成,为了找出这两部分强度贡献的数值表示方法,提出了混凝土比强度(R,MPa) 、火山灰效应强度贡献率(P火山, %) 、水化反应强度贡献率(P水化, %) 、复合效应强度贡献率( P, %) 和活性指数(A) 等指标。这套指标需要以无活性掺料的水泥混凝土的比强度为基础,来分别计算出火山灰效应和水化反应强度贡献率及强度贡献值。
  RPC 强度主要由水泥水化、硅灰的火山灰效应、石英粉在常温下的微集料效应和高温下的火山灰效应[4]等组成,当掺有钢纤维时,还有钢纤维的增韧作用。在表1和表2 配比中,当未掺入钢纤维时,RPC强度也可看作是由水化的强度贡献和火山灰效应的强度贡献两部分组成。

      文献[4 ]提出石英粉是热养护必不可少的组分,提高养护温度和增加养护时间有利于促进硅灰和石英粉火山灰反应,提高RPC 的抗压强度。然而,未掺任何掺合料的配比1 和配比6 在热养护下其抗压强度也得到显著增加,这说明热养护也有利于提高普通混凝土(砂浆) 的抗压强度,即在热养护条件下水泥水化反应强度贡献率在增加。那么在不同养护条件下硅灰和石英粉对混凝土强度的贡献又如何? 本文利用火山灰效应数值分析方法提出的指标,对硅灰和石英粉在不同养护条件下对RPC200 的强度贡献率和强度贡献值作了定量分析,并计算了两种掺合料的强度贡献指数,具体数据见表3 和表4 。另外,由于两种掺合料复合掺入时可改善胶凝材料体系中颗粒的紧密堆积,提高其填充率,故蒲心诚教授还提出了复合火山灰效应[1] ,因此,根据此概念计算了双掺硅灰和石英粉在不同养护条件下的复合火山灰效应贡献的强度值R复合。
  表3 和表4 得出的不同养护条件下硅灰或石英粉强度贡献率是分别以三种养护条件下未掺任何掺
合料的基准混凝土抗压强度为基础计算而来的,因此可将各养护条件下硅灰或石英粉强度贡献率看作是排除了热养护对未含掺合料混凝土强度的影响。从表3 和表4 中可看到:
(1) 在掺量相同(均为胶凝材料的20 %) 的情况下,无论是在标准养护还是热养护条件下硅灰对强度的贡献率和强度贡献值都远大于石英粉。这一点从配比2 和配比3 中可得到证实。
(2) 从配比2 和配比7 中可知,硅灰在标准养护条件下达到一定龄期后的强度贡献率较大,分别31.4 %和36.3% ,说明硅灰在常温下就表现出较大的活性,而热水养护和高温养护条件下硅灰的增强效
应进一步增加,其强度贡献率达40 %左右。
(3) 从配比3 可知,石英粉在标准养护和热水养护条件下的强度贡献率和强度贡献值普遍较低,分别
为14.2 %和10.7MPa 以及3.9 %和3.1MPa ;但高温养护对其增强效应有一定的促进作用,其强度贡献率和强度贡献值分别为15.7 %和18.8MPa 。文献[ 4 ]运用Si NMR 技术研究发现石英粉在200 ℃和250 ℃时参与了火山灰反应,而20 ℃和90 ℃时表现并不明显;随着养护温度从90 ℃提高到200 ℃,Q2 含量增加的速度超过Q1 ,这说明提高养护温度,有利于RPC 的火山灰反应,形成C - S - H 聚合硅酸盐长链。
(4) 在表1 配合比下硅灰的强度贡献指数在标准、热水和高温养护条件下分别为1.570 、2.270 和1.920 ,而石英粉则分别为0.710 、0.195 和0.785 ,可见,就强度贡献指数而论,硅灰也远大于石英粉,且硅灰在热养护条件下强度贡献指数均较高,而石英粉在高温养护条件下强度贡献指数达到最大。虽然石英粉在常温和热水中火山灰活性表现并不明显,但它在粉细状态时还具有“微粉效应”[5] ,因此其强度贡献指数在常温和热水养护条件下并不为零。此外,在表2配合比下,硅灰的强度贡献指数均大于或等于同养护条件下表1 配合比硅灰的贡献指数。这是因为表2配比的水胶比( 0.35) 大于表1 配比中的水胶比(0.25) ,当水胶比较低时,水胶比的适量增加有利于增加硅灰的二次水化反应程度,提高其强度贡献指数。
(5) 对于双掺硅灰和石英粉的RPC ,如若将石英粉视为胶凝材料等量取代水泥或硅灰进行配比(配比
4) ,其掺合料的强度贡献率在同养护条件下均低于只掺硅灰的混凝土(配比2) ,而高于仅掺石英粉的混凝土(配比3) 。这说明掺入两种掺合料可改善胶凝材料体系中颗粒的紧密堆积,提高其填充率,即出现复合火山灰效应。如若保证水泥和硅灰的掺量,适量掺入石英粉(配比5) ,则掺合料的强度贡献率在标准、热水和高温养护条件下均高于只掺硅灰或石英粉的混凝土(配比2 和配比3) ,分别为55.6 %、51.3 %和5412 %。可见,在保证水泥和硅灰掺量的前提下,硅灰和石英粉的双掺有利于提高RPC 在三种养护条件下的抗压强度。
(6) 此外,配比9 中硅灰强度贡献率是以配比8为基准混凝土计算而来,因此可看作是排除了石英粉微集料效应(常温下) 和火山灰效应(热养护条件下)对RPC 抗压强度的影响。配比9 硅灰的火山灰强度
贡献率和强度贡献值同样说明了硅灰在常温下就表现出较大的活性,而热养护条件下硅灰的增强效应进一步增加。但需要说明的是,由于配比8 和配比9 中掺入了石英粉,因此,该两个配合比中水泥水化强度贡献率和强度贡献值还包含了石英粉微集料效应(常温下) 和火山灰效应(热养护条件下) 对RPC 强度贡献,其贡献大小从现有试验数据中无法推算出来。

4  结论
(1) 在掺量和养护条件相同的情况下,硅灰的强度贡献率、强度贡献值及其强度贡献指数都远大于石英粉。硅灰在热养护条件下强度贡献指数均较高,而石英粉在高温养护条件下强度贡献指数达到最大。当水胶比较低时,水胶比的适量增加可提高硅灰的强度贡献指数。
(2) 硅灰在标准养护条件下强度贡献率较大,而热水和高温养护下硅灰的增强效应进一步增加,其强
度贡献率达40 %左右;石英粉在标准养护和热水养护条件下的强度贡献率较低,而高温对石英粉的增强效应有一定的促进作用,其强度贡献率为15 %左右。
(3) 在保证水泥和硅灰掺量的前提下,硅灰和石英粉的双掺有利于提高RPC 在三种养护条件下的抗压强度。
(4) 运用火山灰效应数值分析方法定量分析硅灰和石英粉对RPC 的强度贡献,得到的结论与文献[ 2 ]
[4 ]一致,但将各组分的增强效果转化为数值化了的强度贡献率、强度贡献值和强度贡献指数可谓是更直观,更具有可比性。

[参考文献]
[1]蒲心诚. 高强与高性能混凝土火山灰效应的数值分析[J ] . 混凝土,1998. 6.
[2]何峰,黄政宇. 养护制度对活性粉末混凝土(RPC) 强度的影响研究[J ] . 混凝土,2000. 2.
[3]何峰,黄政宇. 200MPa~300MPa 活性粉末混凝土(RPC) 的配制技术研究[J ] . 混凝土与水泥制品,2000. 4.
[4]H. Zanni ,M. Cheyrezy ,V. Maret , S. Philippot , P. Nieto. Investigation of Hydration and Pozszolanic Reaction in Reactive Powder Concrete (RPC) Using Si NMR ,Cement and Concrete Research [J ] ,1996 , 26(1) :93 - 100.
[5]吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社,1999.

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