掺矿粉和粉煤灰的高性能混凝土力学性能试验研究

杨卫忠 王晨阳

（1 郑州大学土木工学院，河南 郑州 450000 2 中州建设杂志社，河南 郑州 450000）

高性能混凝土（简称HPC）是在传统混凝土组成材料（水、水泥、砂子和石子）的基础上，通过掺加适量的活性胶凝材料（如矿粉、粉煤灰等）和高效减水剂而形成的新型绿色混凝土，它不仅可以节能利废、减少水化热，而且能增加施工时的和易性，经济效益显著。

已有的高性能混凝土研究成果[1～4]以单一的强度、变形或耐久性研究为主，而进行较为完整的基本力学性能研究尚不多见，而现行混凝土结构设计规范[5]（以下简称混凝土规范）在条文说明中指出该规范并不适用高炉矿渣（也称矿粉）混凝土。本文主要的研究内容有：（1）混凝土立方体受压强度和劈拉强度试验；（2）混凝土棱柱体轴心受压强度和弹性模量试验。变化的主要参数是试件的形状和骨料的种类。

1 试验概况

试验用高性能混凝土设计强度等级为C50，试件形式有立方体、棱柱体和方板三种，其中，立方体的边长为150mm，棱柱体的边长和高分别为100mm和 300mm，方板的厚度有50mm和60mm两种，而边长则为3倍的厚度。试件采用的混凝土配合比为水：胶凝材料：砂：石=0.340：1：1.254：2.156，每立方米混凝土的胶凝材料用量为510kg，外加15.4kg的高效减水剂，其中，用矿粉和粉煤灰分别替代40%和20%的水泥用量，粗骨料粒径为5～15mm，分卵石和碎石两种。采用试模成型，机械振捣，24小时后拆模，标准养护28天后进行试验。在板式试件的混凝土浇注时，又分为水平浇注和竖直浇注两种，同时，量测了混凝土的坍落度和扩展度，其中，卵石混凝土的坍落度和扩展度分别为200～210（mm）和450～500（mm），而碎石混凝土的相应值分别为215～220（mm）和470～510（mm）。

试验参照《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T 50081-2002）相应规定的方法，采用应力加载控制方式。而在弹性模量试验中，采用在试件侧面中心线上十字正交形粘贴标距为100mm（纵向）和80mm（横向）的应变片量测变形，由动态信号采集系统同步采集应变和试验机输出的荷载。

2 主要试验结果

2.1 立方体受压强度

采用标准试验方法对混凝土试件进行有关受压强度试验后得知，高性能混凝土立方体受压与相应等级普通混凝土的破坏形态相同，不同龄期强度的试验结果如图1所示，同时将普通混凝土强度（Fn）随龄（n）期增长曲线示于图中，其中，F28表示混凝土28天的立方体强度。

图1 立方体受压强度随龄期变化

从上图中不难看出，在其他条件相同的前提下，仅粗骨料种类不同，两种混凝土的立方体强度相差不大，均具有随着龄期的增加而强度增长的规律，并符合普通混凝土强度随龄期增长规律。

2.2 轴心受压强度

混凝土轴心受压强度是结构承载能力计算的依据，一般由棱柱体试件受压试验获得。试验采用应变控制加载，对板式试件和棱柱体试件进行了全曲线试验，从中提取峰值应力，结果列于表2中。其中，试件分水平浇注和竖直浇注。此外，在板式试件与试验机加载板之间设置了减摩垫层，以消除加载板对试件的约束。

当不考虑端部约束的影响，对于高宽比相同的板式试件和棱柱体试件而言，理论上，两者强度相等，而实际上仅垂直浇注的碎石混凝土板式试件和棱柱体试件的强度相近，甚至还略高于棱柱体强度，而对水平浇注的试件而言，板式试件的强度约为棱柱体试件强度的0.85倍。试件形状和浇注方法是影响强度的主要因素。

进一步计算得棱柱强度与立方强度的比值，分别为0.77（卵石混凝土）和0.78（碎石混凝土），此值高于混凝土规范中C50普通混凝土的0.76，而接近C60普通混凝土的0.78，与实际混凝土强度相符。

表1 受压强度试验结果

2.3 轴心受拉强度

混凝土的受拉强度包括立方体劈拉和轴心受拉强度两种，立方体试件的边长为150mm，而板式试件的尺寸同轴心受压试件的尺寸。其中，轴心受拉强度是通过将试件端部粘接在试验机加载板上并采用等应变加载试验获得，而劈拉强度则由边长150mm的立方体试件通过标准的劈拉试验获得。就破坏过程和形态而言，与普通高强混凝土相似，仅发生一个截面的拉断破坏，断口比较平齐，一般相差5mm左右。通过考察试件的破坏面，高性能混凝土的破坏面穿越的粗骨料大部分被整齐地拉开，少量粗骨料发生粘结破坏，与高强混凝土的受拉破坏特征相符。具体试验结果如下表。

表2 受拉强度试验结果

考察上表中的数据不难看出，在配合比和浇注方法相同且立方体受压强度相近的情况下，无论是碎石混凝土还是卵石混凝土，劈拉强度均高于轴心受拉强度，分别提高33%和18%。无论是轴心受拉还是劈拉，在相同试件尺寸、浇注方法、试验方法的前提下，碎石混凝土的强度均高于卵石混凝土的强度，提高幅度分别为33%和18%，粗骨料、试验方法是影响强度的主要因素。

用混凝土规范中轴拉强度与立方强度关系式计算得到的轴心受拉强度分别为4.01MPa（卵石）和4.12MPa（碎石），两种骨料的混凝土由轴心拉伸试验得到的强度均低于该估算值。

2.4 弹性模量和泊松比

混凝土的弹性模量和横向变形系数是本构关系计算中的重要参数。利用标准试验方法测得了弹性模量，同时，也间接量测了混凝土的横向变形与纵向变形之比（即割线泊松比）随应力水平的变化。试件采用100mm×100 mm×300 mm的棱柱体。此外，混凝土的弹性模量和初始泊松比也通过相同尺寸试件的全曲线试验并结合本构关系的参数识别获得，两种试验方法得到的结果非常接近，表3列出了受压强度和弹性模量的平均值和标准差。

表3 混凝土弹性模量试验结果

从表中不难看出，在试验方法、试件尺寸等条件相同的前提下，仅骨料不同，试验得到的抗压强度和割线泊松比相差不大，而弹性模量则相差较大，碎石混凝土的弹性模量明显要高于卵石混凝土的弹性模量，提高幅度为34%。进一步用混凝土规范的弹性模量公式计算，两种骨料混凝土的弹性模量估算值分别为37504MPa和37710MPa，偏差分别为-20%和7.8%，碎石混凝土更吻合。

进一步根据记录的应变数据，整理得到割线泊松比和体积变形随（相对）压应力的变化曲线。图2和图3分别是卵石混凝土和碎石混凝土的试验结果。

图2 相对压应力-割线泊松比曲线

图3 相对压应力-体积应变曲线

从图2—3中不难发现，两种不同骨料混凝土的初始割线泊松比近似为0.2，与普通混凝土相近。割线泊松比出现明显增大时的压应力分别为0.6倍和0.8倍的峰值应力，而混凝土的体积变化也由开始的压缩状态转变为膨胀，最大体积变形发生在0.9～0.95倍轴心受压强度附近，比普通混凝土相应值要高一些，具有高强度混凝土的特征。

3 试验结果分析

试验用混凝土是在传统四组分混凝土的基础上，用矿粉和粉煤灰等量替代水泥，并添加高效减水剂，使得混凝土的坍落度和扩展度大幅提高，具有高性能混凝土特点。同时，由于混凝土强度等级较高，又具有高强混凝土的特征。

3.1 破坏形态

总体来看，掺粉煤灰和矿粉的高性能混凝土的破坏形态与相应强度等级的高强度混凝土相同，即受拉破坏仅在试件中部出现一条裂缝，而受压破坏则出现若干条裂缝，其中，立方体试件破坏后仍具有典型的锥形体，棱柱体试件破坏后呈哑铃型，而板式试件则由于端部的减磨层存在，裂缝大致与压应力方向平行。通过考察试件的破坏面，其破坏面穿越的粗骨料部分被整齐地劈开，部分粗骨料发生粘结破坏。

3.2 骨料种类

骨料是混凝土的主要组成部分，我国现行混凝土结构设计规范主要以其标准立方体受压强度来划分强度等级[5]，相应地也就确定其他指标，如：受拉强度、弹性模量等，未考虑骨料种类的影响。从前面的试验结果不难发现，骨料显著影响混凝土的抗拉强度和弹性模量，而对其抗压强度的影响基本不明显。

进一步分析后得知，卵石和碎石的表面特征不同，与混凝土的粘结强度也不同，相应地也就影响了与粘结强度密切的混凝土的抗拉强度和弹性模量，若粘结强度越大，则混凝土的抗拉强度就越高，相应地，混凝土的弹性模量也提高，两者的提高幅度相近。

3.3 试件成型

混凝土的浇筑成型也影响混凝土的强度，尽管混凝土材料组成、试验方法、试件尺寸等均相同，但是，不同的浇筑方法也显著影响混凝土的强度。从表1的试验结果不难发现，材料组分相同的碎石混凝土，采用垂直浇注成型的板式试件的受压强度要比采用水平浇注成型试件的相应强度高23%，也要高于棱柱体试件强度。

这其中的主要原因是在不同的试件成型方法中，水平浇注成型试件的高厚度仅50mm，而垂直浇注试件的高度为560mm，对未凝结硬化混凝土，在试件成型及静止养护过程中，混凝土中的固体颗粒物在重力作用下会发生沉降而产生分层现象，其结果必将产生沿浇注方向的宏观堆聚，下部的密实度高于上部，形成混凝土内部结构的不均匀性，并在粗骨料下部形成充水区，硬化后则形成宏观孔穴，使得沿浇注方向的拉伸强度低于垂直于该方向的强度，下部密实区的受压强度高于上部区的强度，相应地，垂直浇注试件的混凝土抗压强度较水平浇注试件的强度更高。

3.4 试验方法

混凝土受拉强度是混凝土结构构件抗裂计算的重要指标，而轴心受拉强度的得到尽管有多种试验方法，但其难易程度和结果相差较大。通过粘接连接的轴心受拉试验获得的受拉强度被认为是最能反映混凝土轴心受拉强度的试验，但其试验难度也最大，而劈拉强度的试验则较为简便，但其结果反映的是混凝土的间接受拉强度。两种试验方法不仅试件的受力状态不同，而且加载速率也不同，因此产生不同的结果。

4 结论

对掺矿粉和粉煤灰的高性能混凝土的力学性能进行了较为系统的试验研究，主要研究结果总结如下：

（1）两种粗骨料的混凝土均符合C50级设计要求，随混凝土龄期增加，强度也增加，符合普通混凝土强度增长规律。

（2）碎石混凝土与卵石混凝土相比，两种混凝土的受压强度和压缩割线泊松比（即横向应变/纵向应变）、体积变形规律等特性均差别不大，但是，碎石混凝土的抗拉强度、弹性模量均显著高于卵石混凝土的相应值，约提高1/3。无论受拉还是受压，卵石混凝土的峰值应变则显著高于碎石混凝土的峰值应变。

（3）试件浇注成型方法和试验方法影响混凝土力学性能。板式试件采用水平浇注成型时的受压强度要显著低于垂直浇注成型试件的强度，而混凝土的劈拉强度则要高于轴心受拉强度。

（4）高性能混凝土的棱柱强度与立方强度的比值同相应等级普通混凝土的值，对碎石混凝土而言，用混凝土规范方法预测的混凝土弹性模量、峰值应变与试验结果基本吻合，而对卵石混凝土则需进行修正。

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[5]中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范（2015年版）GB 50010-2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016