负温高性能混凝土强度与孔结构试验研究.pdf

负温高性能混凝土强度与孔结构试验研究 ＊ 曹 辉 1,2 杨仁树 1,2 董聚才 1,2 孙 伟 1,2 1. 中国矿业大学力学与建筑工程学院, 北京 100083; 2. 中国矿业大学“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室, 北京 100083 摘 要运用压力试验机、压汞测孔法以及扫描电镜观测等实验手段, 对负温高性能混凝土强度与孔隙 特征的关系进行试验研究, 研究结果表明 负温高性能混凝土强度受孔结构影响显著, 呈现抗压强度增大孔 隙率减小趋势关系。 同时, 抗压强度还受孔的级配、孔的形貌及孔的空间排列的影响。 关键词负温; 高性能混凝土;孔隙特征; 强度 EXPERIMENTAL RESEARCH ON STRENGTH AND PORE STRUCTURE OF MINUS TEMPERATURE HPC Cao Hui1 ,2 Yang Renshu1, 2 Dong Jucai1 ,2 Sun Wei1 ,2 1. School of Mechanics 2. State Kay Laboratory of Coal Resources andMine Safety , China University of Mining HPC; pore characteristics; strength ＊国家科技支撑计划资助项目 2007BAK24B01 -2 。 第一作者 曹辉, 女, 1979 年出生, 博士研究生。 E-mail cumtbcc126. com 收稿日期 2009-02-24 山东郓城煤矿副井建设采用冻结法施工 , 深部 外层井筒浇筑 C100 高性能混凝土 。由于混凝土材 料的力学性能与微观结构紧密相连, 孔结构和孔隙 率与混凝土强度有直接的关系 [ 1] 。本课题组拟通过 试验研究在负温条件下高性能混凝土强度及孔隙特 征之间关系。 许多科学家做过大量试验 ,研究孔隙率与强度 的关系 [ 1-6] 。1896 年, 法国的 R. Feret 首先提出混 凝土强度与孔隙率的经验关系式 [ 3] ; 20 世纪 60 年 代,美国的 T . C . Powers 在对水泥石结构的假设及 大量实验研究结果基础上 , 将水泥的主要水化产物 凝胶 考虑进来 ,提出反映水泥石强度与孔隙率关 系的胶空比公式 [ 4,6] ; 1979 年,瑞典学者T . C .Hansen 以T . C. Powers 试验数据假设为基础 , 建立了水泥 石与混凝土强度组合模型 ; 此外许多学者还提出了 关于水泥基材料强度与总孔隙率之间关系的半经验 公式, 为研究混凝土强度与孔隙率关系提供了重要 参考依据 。 1 试件的制备 试件所用原料为 52. 5 普通硅酸盐水泥 ,细度模 数为 3. 0 的河砂 , 粒径为 5 ～ 20 mm 石子 ,聚羧酸高 效减水剂 , 自制优质掺合料 。水胶比为 0. 24 , 砂率 为 40,制作成 100 mm 100 mm 100 mm 立方体 体试件 1组 , 试件编号为 1 -1、1 -2、1 -3、1 -4、 1- 5。 试件在 -15 ℃下养护 4 h 之后, 常温养护 28 d。 2 单轴压缩试验 2. 1 试验设备 仪器设备 YTD-200 型压力试验机。 记录设备 国产1 000 kN 压力传感器; 数力墙数 据采集器 。 数据处理设备 开天 4600 计算机及激光打印 机。 2. 2 试验结果 105 Industrial Construction Vol. 39, No. 6, 2009工业建筑 2009 年第 39 卷第 6期 试验结果见表 1。 表 1 负温高性能混凝土抗压强度 Table 1 Compressive strength of minus temperature HPC 试样 编号 长度 mm 宽度 mm 高度 mm 质量 g 密度 gcm- 3 抗压强 度 MPa 1 -1100. 68104. 00100. 732 624. 432. 488109. 5 1 -2100. 75104. 01100. 842 604. 952. 465104. 6 1 -3100. 47102. 87100. 602 554. 802. 457102. 8 1 -4100. 74103. 73100. 772 599. 912. 469107. 5 1 -5100. 40103. 83100. 792 581. 402. 45799. 8 3 压汞试验 3. 1 试验原理 汞压力测孔法的基本原理是汞和固体之间接触 角大于 90 ,即汞不能润湿固体 ,必须在外界压力作 用下, 才能使汞压入多孔固体中微小的孔内 。若欲 使毛细孔中的汞保持一平衡位置 ,必须使外界所施 加的压力 P 同毛细孔中水银的表面张力 P′ 相等 图 1 。 P πγ 2 p P′2πγ σ cosα 1 式中 p 为加给汞的压力 ,MPa ; P 为外界施加给汞 的总压力 ,N; P′ 为由于汞的表面张力而引起毛细孔 壁对汞的压力,MPa; α 为α π -θ , θ 为汞对固体的润 湿角, 变化在 135 ～ 142 ; σ为汞的表面张力 , 25 ℃ 时为 48. 42 Pa ; γ 为毛细孔半径 , 。 图 1 毛细孔中的受力情况 Fig. 1 Forcing on the surface of mercury in capillary 由πγ 2 p - 2πγ σ cosθ ,得 γ-2σ cosθ p 2 只要测量孔压力, 就可计算出在此压力下进入 的孔 的最小 半径 。式中 2σ cosθ一般 近似地取 - 7 500 MPa ,则有 γ7 500 p 3 上述最小孔直径 γ是指 在压力 p 作用下 ,凡 是大于 γ 的孔中都已压进了汞 。改变压力后, 又可 测得一个 γ 。如果压力从 p1改变到 p2, 分别测出孔 径 γ 1、γ2,并设法测量出单位重量试样在两孔孔径 之间所压入的汞的体积 ΔV , 则在连续改变测孔压 力时 ,就可测出汞进入不同孔级孔中的汞量, 从而得 到试样孔径分布 [ 3] 。 3. 2 试验设备 本试验采用清华大学热能系设备 ,压汞仪型号 为AutoPore Ⅱ922,仪器的主要技术参数如下 测孔范围 孔直径 30 ～ 0. 003 6 mm ; 压力范 围 0 ～ 345 kPa , 138 ～ 41 400 kPa ; 压 力精确 度 0. 11 满量程 ,0. 05满量程 ; 数据分辨率 2 000个 数据点。 3. 3 试验结果 压汞试验 MIP 法 主要是根据压入多孔系统中 的水银数量与所加压力之间的函数关系, 计算孔的 直径和不同大小孔的体积,最终计算出孔隙率 孔隙 体积占试件总体积的百分比 。试验结果见表 2。 表 2 压汞实验数据统计表 Table 2 MIP experimental data 名称孔隙率 内部孔总体积 mLg- 1 平均 孔径 体积中间 孔径 堆积密度 gmL - 1 1 -14. 250. 017 7431412. 445 5 1 -29. 610. 040 12041162. 399 9 1 -37. 40. 036 91132232. 458 1 1 -411. 630. 048 81285492. 410 3 1 -55. 080. 021 2501362. 463 1 4 扫描电镜 SEM 试验 本试验设备为岛津 SEM 全数字液压高温疲劳 实验系统 。利用扫描电镜对试件断裂面微细观结构 进行了观测, 图2 为负温高性能混凝土试件 试件 1- 2 的 SEM 图片。 图2 负温高性能混凝土SEM 照片 -20 ℃ Fig . 2 SEM image of HPC at -20 ℃ 5 试验结果分析 混凝土是由胶凝材料及骨料组成的人造复合脆 性材料, 具有各向异性, 不均质的特性 。试块抗压强 106 工业建筑 2009 年第 39 卷第 6期 度有所差异 ,强度大 ,密度较大 见表 1 。高性能混 凝土在负温条件下放置 4 h ,混凝土内水分结冰 ,水 化反应停止 。因水结冰体积膨胀 ,解冻后水与水泥 及掺和料发生水化反应留下孔洞。孔隙率大 , 试件 的密度小 ,结构较疏松,孔隙率大, 孔径可能不大 见 表2 中的试件 1-2 。以上定性地分析了强度与孔 隙之间关系,其强度与孔隙率定量关系如图 3 所示 。 图 3 负温高性能混凝土抗压强度与孔隙率关系 Fig. 3 Curve of compressive strength and porosity of minus temperature HPC 由图 3 可知 ,负温高性能混凝土孔隙率与抗压 强度成反比 ,即强度越大 ,孔隙率越小; 进一步得到 负温高性能混凝土抗压强度与孔隙率的线性回归方 程 y -1. 285x 114. 4 4 式中 x 为负温高性能混凝土抗压强度,MPa; y 为负 温高性能混凝土孔隙率, 。 除孔隙率影响强度之外 , 不同孔径的孔对材料 强度的影响不同 。吴中伟教授对混凝土孔级进行划 分,共划分为 4个级孔 ,即无害级孔 2 000 [ 1] 。由表 2 得到 5 个试件平均孔径 均小于 500 , 说明一部分孔隙为无害孔 ,但也有一 部分孔径大于500 的孔隙 。取试件 1 -2 进行分析 大于 500 的孔数量为 75,小于 500 的孔数量 为25。P .K .Methta 的试验表明 小于1 320 的孔 对混凝土强度无影响 。统计 5 个试件孔径大于 1 320 的孔数量为66,即符合 Power 所提出大于 毛细孔下限1 000 的孔隙对混凝土的性能有较大 的影响 [ 5] 的研究结论 。 孔结构中孔的形貌及空间排列对强度也有影 响,从图 2中可以看出, 试件的孔洞分布不均, 有的 地方密集 ,有的地方稀疏, 孔之间连通可形成孔道, 对混凝土强度有一定的影响 。 6 结 论 通过对在相同配比、相同养护条件下的负温高 性能混凝土试件进行的试验及试验结果分析, 得到 以下结论 1 试件的抗压强度大 ,结构凝胶较密实; 孔隙率 大的试件 ,结构较疏松。试件强度受孔结构的影响 显著 ,针对本试验强度与孔隙率具有较好的线性关 系。 2 试件的强度还受到孔的级配 、 孔的形貌及孔 的空间排列的影响 ,有待进一步研究在其他影响因 素条件下的负温高性能混凝土强度与孔隙之间关 系。 利用扫描电镜 、 压汞仪等试验仪器 ,对低温高性 能混凝土细观结构方面的研究, 进一步解释了负温 对高性能混凝土力学性能的劣化影响 。 参考文献 [ 1 ] 吴中伟, 廉惠珍. 高性能混凝土技术[ M] . 北京 中国铁道出版 社, 1999 22- 23. [ 2 ] Bye G C. Portland cement[ M] . Oxford Pergamon Press, 1983 30- 31. [ 3 ] 廉惠珍, 童良, 陈恩义. 建筑材料物相研究基础[ M] . 北京 清华 大学出版社, 1993 106-108. [ 4 ] 郑文奇. 混凝土孔隙与材性[ J] . 混凝土,2008 2 48- 50. [ 5 ] 王炳杰, 尹在东, 夏春. 掺合料水泥净浆孔隙结构的研究[ J] . 粉 煤灰, 2007 1 21-23. [ 6] Mindess S, Young D J F. Concrete[ M] . New Jersey Prentice-Hall Inc , Englewood Cliffs,1989 50-51. 上接第 87 页 [ 6] 张振营, 吴世明, 陈云敏. 城市生活垃圾土性参数的室内实验研 究[ J] . 岩土工程学报, 2000, 22 1 35-39. [ 7] 陈云敏, 柯瀚. 城市固体废弃物的压缩性及填埋场容量分析 [ J] . 环境科学学报, 2003, 5 23 694-698. [ 8] Rao S K , Moulton L K, Seals R K . Settlement of Refuse Landfills, Geotechnical Practice for Disposal of Solid Waste Materials. ASCE, Reston, 1977 574-598. [ 9] Debnath D K.Vertical Expansion of Landfills[ R] . New Orleans, Louisiana The Faculty of the University of New Orleans,2000. [ 10]Ricardo C de Abreu, Kenneth L, McMnais. A New Model for Immediate Settlement Predictions in lnadfills[ C] Pocreedings of 8th ICSMFG. 2005 2233-2236. [ 11 ]Carvalho M F , Vilar O M. Behavior of Municipal Solid Waste Under Confined Compression [ C] Proceedings of the Eleventh Brazilian Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering , 1999 1717-1724. [ 12] 刘荣, 施建勇, 彭功勋. 城市固体废弃物 MSW 的沉降参数研究 [ J] . 岩土工程技术, 2003 2 90-94. 107 负温高性能混凝土强度与孔结构试验研究 曹 辉, 等