C60鎂質(zhì)高強混凝土配制及強度試驗范文

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摘要：用鎂礦石代替石灰石為粗骨料，研究了不同高效減水劑摻和量、骨料、水膠比、砂率等對混凝土抗壓強度的影響。通過多次試驗調(diào)整得到一種鎂質(zhì)高強混凝土新型配合比。對鎂質(zhì)混凝土試塊進(jìn)行抗壓強度測試，對受壓試塊單元體進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果表明，鎂質(zhì)混凝土試塊與普通混凝土試塊的破壞形式相同，且強度相差不大，均能達(dá)到c60高強混凝土強度等級要求。

關(guān)鍵詞：鎂礦石；C60高強混凝土；新型配合比；平面應(yīng)力狀態(tài)

菱鎂礦即鎂礦石是一種碳酸鎂礦物，它是中國的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源之一，其儲量、產(chǎn)量、出口量均居世界首位，以遼寧菱鎂礦儲量最為豐富，占全國的85.6%，山東、西藏、新疆、甘肅次之。菱鎂礦除提煉鎂外，還可用作耐火材料和制取鎂的化合物，也可作為建筑原材料。隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層建筑蓬勃而起，為了滿足相應(yīng)要求，高強混凝土得益于廣泛應(yīng)用，配制技術(shù)也愈來愈成熟。近幾年，國內(nèi)外在對高強度混凝土原材料選擇上也有了新的突破。文獻(xiàn)［1-3］用白云石砂、白云石粉取代石英砂、石英粉，在最佳配合比下，配制出抗壓抗折強度較高的高性能混凝土。文獻(xiàn)［4-7］用鋼渣代替天然砂石做骨料，配制出抗壓強度、抗氯離子滲透性能和耐久性都優(yōu)于普通混凝土的鋼渣高強度混凝土。文獻(xiàn)［8-10］用粉煤灰陶粒作為骨料，配制出抗壓強度高、抗震性能好、熱工性能好的輕質(zhì)高強陶粒混凝土。文獻(xiàn)［11-13］用高爐礦渣作為混凝土摻和料代替部分水泥，配制出強度高、耐久性好、工作性能好的高性能混凝土建筑材料。文獻(xiàn)［14-16］將稻草纖維作為一種摻和料加入到混凝土中，配制出一種抗拉、抗彎、抗裂性能好的稻草纖維混凝土，用于建筑結(jié)構(gòu)的非承重部位能夠降低成本。已有研究大多是在原來材料的基礎(chǔ)上添加陶粒、礦渣、纖維等材料，配制出輕質(zhì)、高性能的混凝土，但有些材料價格高，不經(jīng)濟(jì)、不易取。本文采用便宜易取的廢棄鎂礦石代替普通石子骨料，配制C60鎂質(zhì)高強度混凝土，充分體現(xiàn)鎂礦石在混凝土中的良好性能，合理利用資源，節(jié)約建筑成本，減少了鎂礦石的浪費。

1實驗用原材料

1.1水泥根據(jù)《JGJT281-2012高強混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，配制C60及以上高強混凝土，宜選取質(zhì)量穩(wěn)定、強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通水泥。因此，本次試驗選用遼寧鞍山水泥廠產(chǎn)P.O42.5R級強度水泥，該水泥的強度穩(wěn)定性好，水泥與外加劑相容性較好。

1.2粗骨料粗骨料顆粒形狀、顆粒級配、雜質(zhì)含量等物理性能對混凝土的保水性、流動性、和易性有很大影響，而且粗骨料的強度直接影響混凝土的強度。因此，選用良好的粗骨料是配制高強度混凝土的關(guān)鍵。配制C60以上高強度混凝土，宜選用2~20mm的連續(xù)級配，含針片狀顆粒小于5%，最大粒徑不超過25mm，含泥量不超過0.5%，泥塊含量不大于0.2%。本次試驗選用兩種類型的粗骨料：一種是遼寧鞍山產(chǎn)鎂礦石，體積密度2900kg/m3；另一種是遼寧鞍山產(chǎn)石灰?guī)r碎石，體積密度2800kg/m3。

1.3細(xì)骨料細(xì)骨料作為混凝土填充材料，與水泥相結(jié)合形成水泥漿，補充石子之間的空隙密實混凝土，提高混凝土的粘結(jié)力。因此，選用良好的細(xì)骨料對高強度混凝土的配制十分關(guān)鍵。本次選用鞍山鐵西產(chǎn)河沙，細(xì)度模數(shù)為2.6~3.0，含泥量不大于2.0%，泥塊含量不大于0.5%。1.4摻合料根據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GBJ146-90》，粉煤灰質(zhì)量指標(biāo)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個等級，試驗采用遼寧鞍山鐵西第二發(fā)電廠產(chǎn)的粉煤灰，細(xì)度≤12%，燒失量≤5%。選用遼寧鞍山鐵西產(chǎn)等級S95硅粉。1.5減水劑減水劑采用陜西秦奮建材Q8081PCA均衡型聚羧酸鹽系高性能減水劑，密度0.98~1.02g/mL，含固量40%，減水劑28%，保坍2h。1.6拌和水采用不含有害物質(zhì)的潔凈水。

2試樣制作

2.1配合比設(shè)計根據(jù)文獻(xiàn)［17］，配制高強混凝土，砂率應(yīng)采用37%~44%，水膠比不大于0.38，在JGJT281-2012規(guī)程規(guī)定，配制強度為C60以上且不大于C80的高強混凝土，砂率宜選用35%~42%，水膠比控制在0.28~0.34。本試驗混凝土試塊分3批制作。第一批X組以普通石灰?guī)r為骨料，研究不同減水劑摻量對混凝土試塊力學(xué)性能的影響；第二批Y組以普通石灰?guī)r和鎂礦石為骨料，并采用骨料三級配，研究不同種類骨料對混凝土試塊力學(xué)的影響；第三批Z組混凝土配合比基于前兩批混凝土配合比，優(yōu)化調(diào)整而來，以普通石灰?guī)r和鎂礦石為骨料，并采用骨料5~20mm連續(xù)級配。其中第二批Y組骨料小中大三級配比例均為1：2：2，Y1組小中大骨料均為普通石灰?guī)r，Y2組小骨料采用普通石灰?guī)r，中大骨料采用鎂礦石，Y3組小中大骨料均為鎂礦石。具體每批混凝土配合比詳見表1和表2。

2.2試塊制作本試驗中3批混凝土試塊均在試驗室內(nèi)制作完成，每批中每組配合比制作6~9個試塊做標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，取平均值記入表格。所有試塊均按照下面操作步驟完成：（1）每組配合比制作采用一次性投料法，將經(jīng)過篩分的各種按配合比稱量好的材料混合攪拌均勻，再將高效減水劑緩慢倒入水中攪拌均勻，以保證減水劑與材料充分混合。（2）將上述一半混合溶夜加入材料，攪拌5min，再將剩余一半混合液全部加入材料拌和5min。（3）將拌合好的材料裝入150mm×150mm×150mm的模具中，放在振動臺上振動，同時伴隨人工振搗，保證試塊內(nèi)部材料均勻密實，振動3min成型結(jié)束。（4）采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)法進(jìn)行試塊養(yǎng)護(hù)。

3實驗結(jié)果及分析

3.1抗壓試驗結(jié)果本次試驗利用NYL-2000D型壓力機對每組混凝土試塊進(jìn)行抗壓試驗?；炷量箟涸囼灂r加載速度對立方體抗壓強度也有影響，加載速度越快，測得的強度越高［18］。因此，試驗時壓力機速度控制在每秒鐘0.5~0.8Pa。試塊受壓試驗時，隨著混凝土試塊上施加荷載的增加，試塊四側(cè)中部表層混凝土先出現(xiàn)裂縫，接著裂縫沿著大致45°方向向頂角延伸，荷載不斷加大，裂縫開展程度逐步增大，最后達(dá)到極限，試塊破壞。圖1為Z組試塊抗壓試驗中試塊破壞形式。第一批混凝土試塊的齡期分別為3、7、28d，第二批試塊的齡期為分別3、7、28d，第三批試塊的齡期為28d。試驗結(jié)果如表3所示。混凝土的抗壓強度隨著齡期的延長明顯增大。在一定范圍內(nèi)，隨著高效減水劑比例的增加混凝土抗壓強度呈增長趨勢，1%的高效減水劑比例較適宜。第三批混凝土試塊均達(dá)到了C60高強度混凝土強度等級，第一批和第二批混凝土試塊抗壓強度均未達(dá)到C60高強標(biāo)準(zhǔn)，但部分試塊達(dá)到C50標(biāo)準(zhǔn)。

3.2理論分析以第三批混凝土試塊抗壓試驗為例，分析混凝土試塊的破壞以及受壓應(yīng)力狀態(tài)，混凝土試塊在試驗機上受壓過程中，隨著縱向逐漸壓縮，橫向會膨脹，由于混凝土的彈性模量、橫向變形與壓力機墊板的差異，壓力機墊板的橫向變形明顯小于混凝土的橫向變形。當(dāng)試塊承壓接觸面上不涂潤滑劑時，混凝土立方體試塊的橫向變形受到摩擦力的約束，形成“箍套”作用［19-20］。在“箍套”的作用下，試塊與墊板的接觸面局部混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，造成混凝土破壞時形成兩個對頂?shù)慕清F形破壞面。由圖1可看出，Z組混凝土試塊實際的破壞形式與理論相符。在受壓試塊上取一單元體，單元體前、后、左、右表面均為零，上、下表面主應(yīng)力為-σ受壓，切應(yīng)力為零。建立以正應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)，切應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系，畫出單元體的莫爾應(yīng)力圓［21］，單元體應(yīng)力平面形式和應(yīng)力圓如圖2所示。由單元體應(yīng)力狀態(tài)可計算出該單元體莫爾應(yīng)力圓方程如下式中：α表示截面的方位角；σα、τα表示方位角為α截面的正應(yīng)力、切應(yīng)力。最大切應(yīng)力所在的截面與σ2主平面相垂直，并與σ1、σ3主平面互成45°角。Z2組鎂質(zhì)混凝土立方體試塊和Z1組普通混凝土試塊破壞形式相同，破壞面都是由試塊上、下面的邊緣大致呈45°向試塊中心擴展，符合混凝土試塊受壓應(yīng)力狀態(tài)理論。

4各因素對試塊強度的影響

4.1減水劑的影響配制高強度混凝土，減水劑是一必不可少的材料，能保持良好的坍落度，降低水灰比，從而提高混凝土的強度和密實度。然而，過摻或少摻高效減水劑就達(dá)不到提高混凝土強度的良好效果［22］。減水劑摻和量對X組混凝土強度的影響如圖3所示。摻和量為0.8%~1.0%時，混凝土抗壓強度呈增長趨勢，摻和量為1.0%~1.1%時，混凝土抗壓強度呈下降趨勢。因此，減水劑摻和量為1.0%效果最好。

4.2骨料種類的影響骨料在高強混凝土中起骨架作用，隨著混凝土硬化過程與水泥和水形成的水泥石粘結(jié)在一起，主要承受加載在混凝土上受到的應(yīng)力，由于骨料種類的不同造成骨料界面特性［23］的不同，對混凝土強度有重要影響。圖4是Y組3個不同骨料的混凝土試塊隨齡期的抗壓強度曲線。前期強度都增長較快，后期增長緩慢，以普通石灰?guī)r為骨料配制的Y1組混凝土抗壓強度較高，以鎂礦石為骨料配制的Y3組混凝土抗壓強度較低，以普通石灰?guī)r和鎂礦石為骨料配制的Y2組混凝土抗壓強度位于Y1、Y2兩者之間。3個試塊抗壓強度曲線非常接近，抗壓強度值相差不大，說明鎂礦石骨料與石灰?guī)r骨料界面特性相似。

4.3水膠比、砂率的影響砂率和水膠比對混凝土抗壓強度的影響如圖5和圖6所示。3個試樣的減水劑都是采用1.0%的摻和量，但砂率和水膠比都不同。X3組、Y1組、Z1組分別采用31%、28%、39%的砂率，如圖5所示。隨著砂率的增大混凝土的抗壓強度逐漸增大，Z1組混凝土抗壓強度最高達(dá)66.7MPa。X3組、Y1組、Z1組分別采用23%、30%、28%的水膠比，如圖6所示。隨著水膠比的增大，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先逐漸增高后減小的趨勢，28%的水膠比最佳。因此，在本試驗中砂率39%，水膠比28%時配制出的混凝土強度最大。

5結(jié)論

（1）用鎂礦石代替普通石子，和水泥、硅粉、水按一定比例混合，添加1.0%高效減水劑能配制C60鎂質(zhì)高強混凝土。（2）以鎂礦石為骨料配制的高強混凝土試塊與以普通石灰?guī)r為骨料高強混凝土試塊受壓破壞形式相同，且抗壓強度相差不大，均能達(dá)到C60高強混凝土強度等級要求。（3）選用小中大三級配比為1：2：2的骨料可以配制C50高強混凝土。混凝土抗壓強度早期增長較快，后期緩慢。選用5~20mm連續(xù)級配骨料可以配制C60高強混凝土，砂率宜在39%、水膠比28%左右。

作者：張瑞濤 高華國 李吉人 王楠 劉武通 李程前 單位：遼寧科技大學(xué)