掺合料、钢纤维及试件尺寸对水泥基材料强度影响

张宇，金祖权，吴运超

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

掺合料、钢纤维及试件尺寸对水泥基材料强度影响

张宇，金祖权，吴运超

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

研究矿物掺合料、钢纤维及试件尺寸对水泥基材料抗压与抗折强度的影响规律．试验结果表明：矿物掺合料提高水泥基材料28 d抗折强度，但降低其早期抗压强度；掺粉煤灰或硅粉对水泥基材料抗压强度影响较小；掺2%钢纤维水泥基材料抗压强度提高30～50MPa，抗折强度增加1倍以上，28 d抗压强度接近100MPa，抗折强度达到22～32MPa．将试件尺寸由40mm×40mm×160mm提高到100mm×100mm×100mm，其抗压强度大幅度降低．

水泥基材料；强度；矿物掺合料；钢纤维；尺寸效应

0 引言

高强水泥基材料因其强度高、耐久性好，可用于海工结构满足其高耐久性的要求[1]．目前,抗压强度达100～150MPa的高强水泥基材料已有广泛报道[3-5]．水泥掺量大、收缩大、易开裂等因素限制其在工程中的应用．考虑到矿物掺合料可以降低混凝土的水化热，减小材料收缩，纤维可有效提高材料的韧性[2-7]．本文系统研究水泥基材料中掺加不同类型、不同掺量的粉煤灰、矿粉和硅粉，以及微细钢纤维对其力学性能的影响，以实现高强水泥基材料的优化．与此同时，本文也研究了不同尺寸水泥基试件的抗压强度，以期获得尺寸效应的定量影响规律．

1 实验

1.1 原材料及配合比

水泥为山水东岳P O 42.5水泥；成都明凌硅粉，SiO2含量85%，比表面积15 000～20 000m2/kg；鲁青I级粉煤灰；S95矿粉；青岛大沽河中砂，过5mm筛，并用自来水淘洗至容器内的水目测清澈为止，然后放入盘中置于烘箱（50±1℃）烘干；苏博特新材料有限公司生产的润强丝钢纤维0.2×13mm、PCA-1聚羧酸高效减水剂，减水率为45%；水为自来水．

高强水泥基材料的W/B为0.2，考虑粉煤灰、矿粉等量取代水泥20%，硅粉取代水泥为20%～30%，以及粉煤灰、矿粉、硅粉复掺取代水泥40%．并针对上述水泥基材料掺2%的钢纤维，高强水泥基材料配合比如表1所示．

表1 高强水泥基材料配合比Tab.1 Mix high-strength cement-basedmaterials

1.2 实验方法

成型40mm×40mm×160mm砂浆试件，试件成型后用不透水薄膜覆盖，在实验室（20±5℃）静置24h后拆模，随后将试件移入标准养护室（20±1℃且湿度95%）养护至28 d，测其抗折强度和抗压强度．成型100mm×100mm×100mm立方体试件，在实验室（20±5℃）静置24 h后拆模，测试标准养护3 d、7 d、28 d抗压强度．

2 实验结果及分析

2.1 掺合料对水泥基材料的强度影响

针对水泥基材料中掺20%的粉煤灰、矿粉、硅粉，100mm×100mm×100mm立方体试件，测试不同龄期的抗压强度，40mm×40mm×160mm试件测试其28d抗折强度，结果如图1，图2所示．

由图1a）可知，水泥基材料中掺20%的粉煤灰、矿粉、硅粉，相比基准水泥基材料，3 d抗压强度降低2.2%、27.9%和42.4%．7 d时，掺粉煤灰、矿粉、硅粉的水泥基材料相比基准降低4.8%、32.3%和34.6%．但当养护龄期延长至28 d，水泥基材料中掺20%粉煤灰，28 d抗压强度相比基准水泥基材料增加4.5%，掺硅粉水泥基材料的抗压强度相比基准水泥基材料增加10.1%，水泥基材料抗压强度达到60～70MPa．由图2可知：水泥基材料中掺20%粉煤灰、矿粉或硅粉，28 d抗折强度相比基准水泥基材料增加38.1%、27.1%和44.2%，达到12～14MPa．

图1 水泥基材料抗压强度Fig.1 Compressive strengthof cementbasematerial

2.2 复掺对水泥基材料强度的影响

针对水泥基材料中水泥取代率30%和40%时，测试其抗压强度及抗折强度，结果如图3所示．由图3a）可知，相比基准，取代率30%的水泥基材料养护3 d的抗压强度降低42.2%，取代率40%的同比降低39.8%．当养护龄期延长至7 d，取代率30%的抗压强度降低1.5%，复掺同比降低8.4%．但当养护龄期延长至28 d，水泥取代率30%的相比基准抗压强度增加9.2%，水泥取代率40%同比降低11.1%．由图2b）知，标准养护28 d，水泥取代率30%和40%的抗折强度相比基准材料增加61.9%和29.8%，抗折强度达到12～15MPa．

图2 水泥基材料抗折强度Fig.2 Flexural strength cement-basedmaterials

图3 大掺量条件下强度的演变Fig.3 Strength under the condition of large dosageof evolution

2.3 钢纤维对水泥基材料的影响

针对不同掺合料水泥基材料，掺2%的钢纤维，测试不同龄期的抗压强度，以及28 d抗折强度，结果如图4和图5所示．

由图4可知，相比素水泥基材料，掺2%钢纤维的粉煤灰系列3 d、7 d、28d的抗压强度分别增加34.2%、53.2%和47.9%，矿粉系列分别增加34.2%、94.5%和130%，硅粉系列分别增加27.9%、67.4%和25.1%，复掺系列增加18.5%、7.8%和32.8%，掺钢纤维水泥基材料28d抗压强度接近100MPa．由图5可知：水泥基材料中掺2%钢纤维，粉煤灰系列28d抗折强度相比未掺钢纤维增加76%，矿粉系列增加127.8%，20%硅粉系列增加137.9%，复掺系列增加119.1%，抗折强度最高能达到30MPa．钢纤维对水泥基材料的增强增韧效果显著．

图4 掺加钢纤维水泥基材料抗压强度Fig.4 Adding steel fiber cementbasematerial compressive strength

2.4 尺寸效应对水泥基材料强度影响

养护28 d的40mm×40mm×160mm和100mm×100mm×100mm高强水泥基材料的抗压强度对比，结果如图6、图7所示．

图6 不掺加钢纤维水泥基材料强度对比Fig.6 Notadding steel fibercementbasematerialstrength contrast

图7 掺加钢纤维水泥基材料强度对比Fig.7 Addingsteel fibercementbasematerial strength contrast

由图6、图7分析知：无论水泥基材料是否掺钢纤维，小尺寸试件的28 d强度均高于大尺寸试件的强度．100mm×100mm×100mm的粉煤灰、矿粉、20%硅粉、30%硅粉、复掺系列的素水泥基材料相比小尺寸试件分别降低11.3%、55.8%、12.1%、50.5%和27.1%．掺钢纤维时，粉煤灰、矿粉、20%硅粉、30%硅粉、复掺系列的标准立方体试件的强度相比小尺寸试件分别降低3.7%、31.6%、47.2%、52.5%、44.4%．

3 结论

1）以P O42.5水泥制备水泥基材料，其早期强度仅能达到25～40MPa，28 d强度能达到60～70MPa，抗折强度能达到12～15MPa，不适合制备超高强水泥基材料．

2）水泥基材料中掺20%粉煤灰或硅粉，其早期强度降低，28 d抗压强度略高于基准；28 d抗折强度提高38%～44%．水泥取代率20%和40%时，降低了水泥基材料的早期和28 d抗压强度，但抗折强度提高27～30%．

3）水泥基材料中掺2%钢纤维，其增强增韧效果明显．抗压强度最大可增加54 MPa左右，抗折强最大可增加14MPa左右．

4）尺寸效应对水泥基材料的宏观力学性能影响十分明显，将试件尺寸由40mm×40mm×160mm提高到100mm×100mm×100mm，其强度测试值最高下降56%，且小尺寸试件的抗压强度离散性大．

[1]M etha PK，M onteiro M P J．Conceretem icrostructure properties andmaterials[M]．Third Edition．New York：M eGraw Hill，2005：2-13．

[2]高慧婷，孙莉安，荣华，等．硅灰钢纤维对混凝土性能影响的试验研究[J]．吉林建筑工程学院学报，2010，27（2）：2-4．

[3]刘建忠，孙伟，缪昌文，等．大掺量粉煤灰超高性能钢纤维混凝土的试验研究[J]．新型建筑材料，2008，35（10月增刊）：150-155．

[4]张秀芝，孙伟，张倩倩，等．混杂钢纤维增强超高性能水泥基材料力学性能分析[J]．东南大学学报：自然科学版，2008，38（1）：3-5．

[5]Langan BW，Kweng，Ward M A．Effectof silica fume and fly ash on heatof hydration of Portland cement[J]．Cementand ConcreteResearch，2002，32：1045-1051．

[6]杜修力，田予东，窦国钦．纤维超高强混凝土的制备及力学性能试验研究[J]．混凝土与水泥制品，2011（2）：2-9．

[7]苏俊，陶俊林，李棠．粉煤灰钢纤维超高强混凝土抗压性能试验研究[J]．长江大学学报：自然科学版，2011，8（2）：4-6．

[责任编辑 田丰]

Influenceofmineraladmixtures,steelfiberand specimen sizeeffect on strength of cement-basedmaterials

ZHANG Yu，JIN Zu-quan，WU Yun-chao

(Schoolof Civil Engineering,Qingdao Technological University,Shangdong Qingdao 266033,China)

Mineral adm ixtures,steel fiber and specimen size on compressive and flexuralstrength of thematerialwere studied.The result shows that28 d flexural strength of cement-basedmaterialswithmineral adm ixturewere improved butearly compressive strength reduced；and the contentof fly ashor silica fume shows little influenceon it.M ixedwith 2%steel fibers,the com pressive strength of cement-basedmaterialsw ere improved by 30～50MPa,flexural strength more than doubled,28 d compressive strength of cement-basedmaterials closed to 100 MPa,flexural strength w ere increased to 22～32MPa.The specimen size of 40mm×40mm×160mm increased to100mm×100mm×100mm,a significant reduction on compressivestrength values.

cementbasematerial;strength;m ineraladm ixtures;steel fiber;size effect

TU 528.58

A

1007-2373(2014)06-0105-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.027

2014-09-05

国家自然科学基金（51178230，51378269）；青岛市科技计划项目（13-1-4-176-jch，13-1-4-115-jch）

张宇（1989-），男（汉族），硕士．通讯作者：金祖权（1977-），男（汉族），博士，教授，Email：jinzuquan@126.com．

数字出版日期：2014-12-17数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141217.0855.005.htm l