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炉石活性粉混凝土静动态韧性及耐久性

2016-12-22孟洁平金晓勤焦俊婷

硅酸盐通报 2016年10期
关键词:炉石石粉钢纤维

孟洁平,金晓勤,焦俊婷

(厦门理工学院土木工程与建筑学院,厦门 361024)



炉石活性粉混凝土静动态韧性及耐久性

孟洁平,金晓勤,焦俊婷

(厦门理工学院土木工程与建筑学院,厦门 361024)

本研究将活性粉混凝土中的硅灰利用水淬炉石粉取代,探讨不同炉石粉取代量添加钢纤维含量1%、2%抗压强度变化,找出炉石取代后抗压强度可达到150 MPa 最佳配比,并控制流度值在200~250 mm 避免添加钢纤维有沉淀的现象发生。试验结果比较150 MPa炉石活性粉混凝土的静动态韧性、及微观晶体结构的差异性。

炉石; 活性粉; 混凝土; 静动态; 韧性

1 引 言

近年来重大工程的兴建,力求采用高强度兼具有耐久性能、抗剧烈冲击性能的工程材料,来提高防洪构造物的寿命。纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete,FRC)是近年来质量强度迅速发展的水泥基复合材料,藉由添加钢纤维,可明显提升混凝土的抗压、抗弯强度。而减水强塑剂的不断进步,活性粉混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)中去除了粗骨材,利用粒径相当细的石英砂作为骨材,去除材料内部的孔隙,使内部达到相当致密的效果,并且添加硅灰,在水化作用下,可以有效改善混凝土中的微观结构,改变了混凝土中晶体结构中C-S-H 胶体的含量,大幅降低孔隙率,增加了胶结材与骨材间的界面粘结能力,使得活性粉混凝土材料性质变得更坚硬、致密,并且活性粉混凝土中添加适量的钢纤维,可使混凝土在破坏时抵抗材料直接破坏,阻止破坏裂缝的成长,大幅提升混凝土的性能[1]。因此若防洪构造物使用活性粉混凝土作为构造物材料,其耐久性、强度能优于一般高强度混凝土。

2 试验设计

2.1 材 料

其试验材料如下:

(1)水泥:密度为3.16 g/cm3,平均粒径约为15.8。

(2)石英粉:粒径约为5~20。

(3)石英砂:平均粒径约为 105~420,密度为2.62 g/cm3, 纯度达97%,硬度在6~7之间。

(4)硅灰:表面积约为20000,粒径约为0.1~0.2。

(5)水淬炉石粉:水淬炉石粉为某公司生产之水淬炉石粉,符合 CNS 12549 规格[1],使用型号为#6000,其细度为 611 m2/kg (平均粒径为 7.02)。水淬炉石粉化学及物理性质表如表1[3]。

(6)钢纤维:长度为12.0 mm,直径0.18 mm,长径比为60,比重为7.8。

表1 水淬炉石粉物理与化学性质Tab.1 Water quenching slag to the physical and chemical properties

2.2 养护方式

(1)养护1:将拆完模后试体,置入恒温恒湿水槽养护中,于90 ℃热水进行热养护7 d,取出后放置于室温一天使试体降温再进行试验[4]。

(2)养护2:将拆完模后试体,置入恒温恒湿水槽养护,于90 ℃热水热养护5 d,取出后放置于预先加温至90 ℃高温烘箱,再以每分钟2 ℃升温速率升温至210 ℃,进行热养护2 d,最后取出后放置于室温1 d使试体降温再进行试验。

2.3 试验仪器与设备

MTS万能材料试验机、分离式霍普金森杆法试验机、扫描式电子显微镜、伸长计、连续记录器、精密平面磨床、应变片、数位式示波器。

3 炉石活性粉混凝土静态力学性能

3.1 试验方法

3.1.1 活性粉纤维混凝土弯曲韧性试验

使用5吨MTS材料试验机,将40 mm×40 mm×160 mm的长方形抗弯试体,进行三点抗弯试验[5],以位移加载进行加载,加载速率为0.06 mm/min。因需要量测活性粉混凝土抗弯载重挠度变化,在抗弯基座外试体中点处放置LVDT位移计纪录加载时挠度,LVDT位移计连接数据纪录器记录位移时电压变化,经电压换算成位移挠度,画出载重-挠度曲线。

试体抗弯强度计算公式如下:

(1)

式中,P=试体加载到最大载重(N);L=夸度(mm);b=抗弯试体宽度(mm);h=抗弯试体深度(mm)。

LVDT 位移计位移与电压换算:

当LVDT位移计位移到20 mm 时,电压变化为0.02636 V,位移计换算公式为:

(2)

式中:ΔV为位移计纪录位移时的电压差;Δl为位移计抗压时纪录位移。

3.1.2 破裂韧性试验

图1 破裂韧性试体及抗弯示意图Fig.1 Toughness test specimen and bending schematic breakdown

为获得临界应力强度因子,俗称破裂韧性(Toughness),图1为此方法示意图。制作长方形 4 cm×4 cm×16 cm试体,在试体中点下方预留4 mm预裂缝,并且装设CMOD 开口位移计使用25吨MTS材料试验机,利用中心点抗弯试验进行破裂韧性弯曲试验[6],以位移加载控制方式进行加载,加载速率为0.02 mm/min,量测中心点最大载重(P)和试体裂缝开口的位移。

将试体中心点载重(P)和试体裂缝开口位移,并代入下列公式计算临界应力强度因子KIC。

(3)

其式中的S跨距,b、d分别为试体宽度和深度d=h-4 mm,为几何形状修正系数。

(4)

a为预留裂缝与试体高度h的比。

3.2 静态力学性能

探讨C材及A材两组配比,受不同热养护静态力学性能,则试验数据以试体编号如表 2所示。因此本研究改变 90 ℃热养护7 d的方式,透过90 ℃热养护5 d,再利用高温210 ℃热养护2 d,调整此养护方式来探讨抗压强度是否会成长。

表2 配比代号Tab.2 Ratio code

3.2.1 静态抗压强度

将配比A(炉石0%)及配比C(炉石50%)受高温90 ℃及210 ℃热养护方式进行养护,进行压缩试验。

3.2.2 静态应力-应变曲线

两侧装设轴向伸长计,量测试体轴向加载力和轴向位移变化,画出应力-应变曲线图。本研究探讨透过 210 ℃热养护,HC材及HA材添加钢纤维含量1%、2%后的应力-应变全曲线。再将添加炉石的C材受90 ℃及210 ℃两种不同热养护的应力-应变曲线进行。

4 炉石活性粉混凝土动态力学性能

4.1 动态冲击力学试验

图2 霍普金森杆试验的试体Fig.2 Hopkinson bar test specimen test of sample

图3 试体涂抹牛油紧密夹放于两弹性杆间Fig.3 Specimen smear butter put on tightlysandwiched between two elastic rod

研究采用φ50 mm ×25 mm 圆柱试体利用分离式霍普金森杆(SHPB)试验设备进行试验。在进行试验前,必须将试体利用精密模床磨成水平(图2),以防止冲击时应力集中破坏情形发生;要先将试体表面涂抹牛油,并夹放在入射杆与透射杆中间紧密接触(图3),再进行冲击试验[4]。

4.2 结果分析与讨论

4.2.1 冲击抗压强度

动态冲击试验结果如表3所示。

表3 动态冲击试验结果Tab.3 Dynamic impact test results

4.2.2 冲击应力-应变曲线

当进行高应变率动态冲击试验时,冲击应力-应变曲线所上升趋势较高且峰值后曲线会继续往后延伸,因此曲线包围面积也较大,得到吸收较多的应变能量,所以当应变率较高时,试体吸收能量也会随着应变率增加而提高,因此透过较高应变率此时可看出峰值应力及峰值应变也会随着高应变率的增加峰值应力也会增大,并且在极限强度前的曲线,应力值约略呈线性增加,达到峰值应力后曲线才会有往下降趋势,且应力-应变曲线也会因为纤维含量增加而提升[5]。

将 HC 及 HA 配比的炉石活性粉混凝土受动态冲击压载试验的冲击应力-应变曲线,每组配比利用三种应变率进行冲击,可以看出两组配比的基材与添加钢纤维后的应力-应变曲线会随着应变率增加而明显提升,且极限强度前曲线斜率也会随着应变率增加而提升,因此弹性模数E值也会随着提高。当进行高应变率动态冲击试验时,冲击应力-应变曲线所上升趋势较高且峰值后曲线会继续往后延伸,因此曲线包围面积也较大,得到吸收较多的应变能量,所以当应变率较高时,试体吸收能量也会随着应变率增加而提高,因此透过较高应变率此时可看出峰值应力及峰值应变也会随着高应变率的增加峰值应力也会增大,并且在极限强度前的曲线,应力值约略呈线性增加,达到峰值应力后曲线才会有往下降趋势,且应力-应变曲线也会因为纤维含量增加而提升。

当应变率为 128~255/s 时,可以看出试体并未破坏的应力-应变曲线并未完全提升就断掉,并且在应力-应变中有两个峰值,此一现象根据文献可能是应力波在试体上进行反复应力加载与卸除的过程中,残留应变所造成的。当应变率403~525/s 与 711~904/s 的冲击应力-应变曲线,应变率 711~904/s 到达峰值点的曲线会有较上凸的趋势,峰值点应力会较应变率 403~525/s 时高出很多;而应变率 403~525/s 作用下,曲线会到达峰值点会较平缓。

图4 冲击应力-应变曲线Fig.4 Impact stress-strain curve

图 5 炉石活性粉混凝土晶体结构Fig.5 Crystal structure of active powder concrete

5 炉石活性粉混凝土微观结构

利用扫描式电子显微镜(SEM)进行炉石活性粉混凝土微观晶体结构量测,SEM 试体的取样,必需要用敲击方式将混凝土试体敲成碎片进行取样,取样的试片不能采用切割方式,以免切割造成材料晶体结构上受干扰,选取完成后,试片利用导电碳胶紧密的黏贴于硬币上。取样试片的保存,必须要先烘干,将材料试片内部水份干燥,并且浸泡于甲醇溶液中,避免水泥继续进行水化反应。在进行观测SEM前,试片必需要经过烘干、覆膜等程序,SEM的试体,镀金完成,放入SEM观测混凝土晶体微观结构。

6 结 论

(1)随着炉石取代量越多,活性粉混凝土的抗压强度有下降趋势;添加钢纤维后,抗压强度强度则会随着纤维含量有明显提升;

(2)配比A和配比C经210 ℃养护2 d(成为HA与HC材)的抗压强度有明显增加,例如C0材的抗压强度可由131 MPa 增加到148 MPa,而添加钢纤维的抗压强度成长幅度则更明显;

(3)添加 1%与 2%钢纤维的活性粉混凝土经 90 ℃热养护的应力-应变曲线,在极限强度后的曲线会缓慢下降,具有韧性特征;但透过210 ℃养护的曲线,在极限强度后的曲线却是快速下降,材料性质变得较脆;

(4)虽然未添加炉石HA材会比HC材有较好的抵抗氯离子渗透能力,但两者的抵抗能力评定都很好,且比普通混凝土有较好的抵抗能力;

(5)透过SEM微观观察,HA材与HC 材的微观结构都很密实,HA材的孔隙中有较多CSH胶体填充,且有单硫型铝酸钙水化物(AFm)存在,而添加炉石的HC材的孔隙则有较多钙帆石(AFt)及CSH胶体。

[1] 黄红柳.废弃石粉对混凝土性能的影响研究[J].商品混凝土,2009,(07):4-5.

[2] 王 珍,张泽江,祝 杰.高温后掺防腐剂C35高性能混凝土剩余抗压强度试验研究[J].混凝土,2010,(09):8-10.

[3] 庞宝君,王立闻,何丹薇,等.活性粉末混凝土高温后的扫描电镜试验研究[J].混凝土,2010,(12):1-5.

[4] 黄政宇,谭 彬.活性粉末钢纤维混凝土受压应力-应变全曲线的研究[J].三峡大学学报(自然科学版),2007,(05):3-5.

[5] Kayali O.Effect of high volume fly ash on mechanical properties of fiber reinforced concrete[J].MaterialsandStructures,2004,(5):9-12.

Static-Dynamic Toughness and Durability of Reactive Powder Concrete Containing Blast Furnace Slag

MENGJie-ping,JINXiao-qin,JIAOJun-ting

(School of Civil Engineering and Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China)

In this study, the active powder concrete silica fume powder substituted with water quenching furnace, furnace explore different substituents powder added in an amount of steel fiber content of 1%, 2% compressive strength, compressive strength looking baked stone, after replacing up to 150 MPa best ratio, and controls the flow value at 200-250 mm avoid adding steel fibers precipitation phenomenon. Test results compare 150 MPa furnace slag powder concrete activity of static and dynamic toughness and microstructure differences crystal structure.

hearthstone;reactive powder;concrete;static and dynamic;toughness

福建省教育厅B类项目(JB14081);厦门市2014年科技计划高校项目(3502Z20143035)

孟洁平(1978-),女,工学硕士.主要从事防灾减灾工程与防护工程方面的研究.

TQ177

A

1001-1625(2016)10-3471-05

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