高抗折強度路面混凝土脆性研究*

汪日燈 袁靜波 王選倉

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司1) 廣州 510230) (長安大學公路學院2) 西安 710064)

混凝土是一種多相復合而成的彈塑性材料,隨著混凝土強度的提高,塑性下降,而脆性增強.當混凝土的拉應力無法承受荷載的豎向應力、水平沖擊以及化學收縮、溫度變形產生的拉應力時,混凝土將產生開裂,并出現裂縫[1].因此,高抗折強度和低脆性對路面混凝土來講都是至關重要的.高抗折強度路面混凝土(HBSPC)是一種高技術混凝土,是為滿足重載交通水泥混凝土路面的要求,在大幅度提高普通路面混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土,屬于高強、高性能混凝土,其特點是“高抗折強度”、“高耐久性”和“優良工作性”[2].本文針對高抗折強度路面混凝土的脆性進行了系統研究.

1 HBSPC脆性破壞機理分析

高抗折強度路面混凝土的斷裂特征與普通混凝土有所不同.普通混凝土斷裂時,集料一般不斷裂,斷裂面是繞開集料的,從界面區斷開.而高抗折強度路面混凝土則不然,其斷裂面(見圖1)上切斷了相當部分的集料,使其斷裂面的曲折度減小,真實斷裂面積變小,斷裂速度加快.

由高抗折強度路面混凝土和普通混凝土斷裂面差異可見,普通混凝土由于砂漿基體和界面的強度較低,控制混凝土材料斷裂的是界面和砂漿本身的強度,集料巖石的斷裂特性對混凝土材料的斷裂沒什么影響.高抗折強度路面混凝土則不同,由于基體和界面的增強,集料巖石的斷裂特性對混凝土材料的斷裂力學行為有著舉足輕重的影響.因為在混凝土中占總體積70%～80%的是粗集料,粗集料巖石的斷裂特性在很大程度上決定著高抗折強度路面混凝土的斷裂特性和脆性.

圖1 HBSPC抗折試件斷面

2 HBSPC脆性指標研究

高強混凝土的脆性反映在其抗拉強度并不能隨抗壓強度的提高而同步成比例地增大,其抗拉強度的提高率顯著地低于抗壓強度的提高率,拉壓比隨抗壓強度的提高而降低.普通混凝土的拉壓比為1/10～1/14,而高強混凝土的拉壓比則為1/14～1/18[3].

混凝土的脆性目前尚無統一的衡量標準,工程界常用的指標有壓折比(混凝土的抗壓強度與抗折強度之比)和抗折彈模兩種.混凝土的脆性系數即壓折比,它反映混凝土的脆性即抗變形性能,脆性系數愈小,抗變形能力愈好,反之則愈差.本研究相應地對以上兩種指標進行了測試和計算,試驗分二批進行,混凝土的配合比見表1和表2.試驗結果見表3、表4、圖2和圖3.

表1 第一批HBSPC配合比方案

表2 第二批HBSPC配合比方案

表3 HBSPC脆性指標計算結果

由表4可知,NC 7 d,28 d,90 d和180 d壓折比由7.5到7.2,HBSPC的壓折比平均比NC大,聚合物HBSPC比NC小,但 HBSPC 28 d抗壓強度及抗折強度較NC有很大程度提高.

由表3可知,單摻高效減水劑HBSPC 7,28,90和180 d壓折比分別為9.7,8.1,8.5和9.4,可見單摻高效減水劑HBSPC的早期脆性較大,這主要是由于試驗所用的R型水泥抗壓強度的早強效應大于抗折強度的早強效應,使混凝土的7 d抗壓強度增長率(與28d相比)大于抗折強度的增長率,從而使混凝土的早期脆性增加.

由表3將不同類型HBSPC(A 2,B2,C2,D2)的試驗結果進行對比分析可以發現,粉煤灰和礦渣HBSPC隨著齡期的發展,其壓折比低于單摻高效減水劑HBSPC,摻加粉煤灰和礦渣使HBSPC的脆性得到一定程度的改善.沸石粉 HBSPC的脆性系數隨著齡期的發展逐漸增大,且28 d以后的壓折比高于其它類型HBSPC,可見摻入沸石粉使混凝土的脆性增大.

由表4可知,硅粉HBSPC 7 d,28 d壓折比低于單摻HBSPC;90 d,180 d壓折比高于單摻HBSPC.說明摻加硅粉降低了 HBSPC早期脆性,硅粉ⅠHBSPC壓折比隨齡期降低的趨勢不明顯;硅粉ⅡHBSPC壓折比隨齡期有所提高,180 d壓折比明顯大于其他類型HBSPC.這一點與沸石粉HBSPC相近.

纖維網 HBSPC壓折比隨齡期發展變化不大,但其總體上比單摻HBSPC略低,說明纖維網改善了HBSPC結構,使其脆性降低.

表4 HBSPC脆性指標計算結果

圖2 HBSPC壓折比隨齡期變化圖

圖3 HBSPC壓折比隨齡期變化圖

由圖3可知,聚合物HBSPC的脆性系數隨齡期發展而降低的變化規律很明顯.說明隨著齡期的增長,聚合物在HBSPC的改性作用不斷增強,使其脆性不斷得到改善.

從抗折彈模看,單摻HBSPC的抗折彈模最小,硅粉II HBSPC的最大,這表明壓折比與抗折彈模各自只能反映出HBSPC脆性的某些方面,并不能全面的反映混凝土的脆性.

由表4可知,HBSPC比普通水泥混凝土的抗折彈性模量高,這說明HBSPC在獲得高抗折強度的同時脆性并沒有大幅度增大.由此來看,HBSPC的脆性程度對路面工程來說是可以接受的.

3 HBSPC脆性主要影響因素和低脆性實現途徑

3.1 脆性主要影響因素

脆性一般指材料破壞過程中的能量消耗值,是和韌性相對的指標.其實質是斷裂臨界點以前材料內部積累起來的最大彈性能快速地轉化為主裂紋斷裂表面能的能量轉化過程.斷裂表面能起著抵抗裂紋擴展,抑制材料斷裂的作用,是材料脆性大小的一種量度,其取決于材料的組成、結構和顯微結構的特性參數[4].因此,改善材料的脆性,應從提高材料的斷裂表面能入手.由于原材料、施工工藝等方面的限制,混凝土內部存在大量的微裂縫及不均勻性,內部結構表現出極端的復雜性,因而改善混凝土的脆性也變得相對困難.從微觀上講,改善其內部結構,改善孔結構,降低孔隙率,改善水泥石與骨料過渡層的界面結構和性能,減少內部微裂縫,控制破壞時微裂縫的開裂和擴展等.從宏觀上講,混凝土的脆性可以從原材料、配合比、施工工藝,以及通過與金屬材料或高分子材料的復合等途徑來改善.

3.2 低脆性實現途徑

1)從原材料、配合比及施工工藝入手 材料的宏觀行為取決于材料的組成和內部結構,HBSPC的性能也決定于其組成和內部結構.硬化HBSPC由粗觀、細觀和微觀三個不同尺度的內部結構,由水泥漿體、界面過渡區和集料三個重要環節組成.因此,改善HBSPC的脆性,可以從粗觀、細觀的角度來提高混凝土水泥漿體、界面過渡區和集料的性能(目前從微觀角度來控制混凝土的宏觀行為的研究成果相當有限).孔是混凝土微結構重要的組成之一,孔隙率及孔結構對HBSPC的宏觀行為起著重要的影響作用.可通過宏觀手段調節孔結構、孔隙率,從而在一定程度上控制混凝土的性能.界面過渡區是由集料表面向水泥石本體過渡的區域,是混凝土中相對比較薄弱的部位.由于界面過渡區的水灰比較大,Ca(OH)2的含量大,結晶顆粒大且晶體取向生長,在受荷載前就充滿了微裂縫,因此過渡區的性質對混凝土的性能有著很大的影響.

不影響強度的微細孔隙率的增大可從一定程度上降低混凝土基體材料的脆性,合理選用膠凝材料、水灰比、施工工藝等來改善過渡層的性質,減少Ca(OH)2量,降低Ca(OH)2的取向生長,提高粘結力,減少微裂縫的數量.表面粗糙的集料可以降低Ca(OH)2的取向;細化粗集料粒徑,選用高強低脆的最佳粗集料(7～8 mm)粒徑,可以在相同原材料的情況下一定程度的降低混凝土的脆性;對于高抗折強度路面混凝土,選擇不僅具有高強度且具有堅硬膠結物的非勻質集料如花崗巖,可增加塑性斷裂能,進而大幅度降低脆性;活性礦物摻合料,如粉煤灰、礦渣、硅灰等,摻入后可以消耗界面處Ca(OH)2,并限制Ca(OH)2的取向,從而改善過渡層的性質,同時礦物摻合料的填充作用,還可以降低過渡層的孔隙率.高抗折強度路面混凝土的攪拌、攤鋪和養護等施工工藝也能影響界面的結構和性質.有資料顯示,先用部分水潤濕的砂、石和水泥攪拌再加剩余水的裹石工藝,可以使界面過渡層的Ca(OH)2生成量不富集,結晶顆粒減少,取向性不再出現,孔隙率也大大減少.而硅灰裹石摻合混凝土可以大幅度提高混凝土抗折強度,降低混凝土脆性系數[5-6].

因此,可以通過原材料、配合比及施工工藝等改善HBSPC的孔結構,降低孔隙率,改善界面過渡層的性能,提高混凝土的密實度來降低HBSPC的脆性.

2)采用復合方法 改善混凝土脆性的另一種有效可行的途徑是通過與金屬材料或高分子材料的復合,如采用摻入纖維、三維配筋、鋼管約束,聚合物改性等復合方式[7],其中適合于高抗折強度路面混凝土的主要是摻纖維和聚合物等復合方式.這些復合方式一般是通過提高裂縫啟裂、擴展和聚合及失穩擴展的阻力,即阻裂強韌化的途徑來實現混凝土的韌化.

其實,無論是套箍混凝土,各種網格混凝土,還是纖維增強混凝土,聚合物改性混凝土,對混凝土脆性的改善措施和方法在本質上都是一致的,即是對混凝土進行各種方式的復合.但是,這都只是單一材料對混凝土的復合,只能有限地改善混凝土的脆性,而兩種或多種材料對混凝土的復合可以更加有效的改善混凝土的脆性.如采用不同性能和不同尺度的纖維混雜增強,能使其在混凝土的不同的結構層次和性能層次上充分發揮各種纖維的尺度和性能效應,達到逐級阻裂與強化的功能;同時,可以克服單一纖維性能的缺陷,如鋼纖維的銹蝕,有機纖維的彈性模量低等方面的不足,使各種纖維增強性能進行疊加.又如,在纖維增強混凝土中加入粉煤灰、硅灰、礦渣等礦物摻合料或聚合物,可以增加纖維與混凝土基體的粘接力,從而進一步降低混凝土的脆性.

4 結 束 語

HBSPC的壓折比平均比NC大,HBSPC的斷裂特性和脆性在很大程度上由粗集料巖石的斷裂特性決定.與單摻高效減水劑HBSPC相比較,沸石粉HBSPC和硅粉HBSPC的壓折比隨齡期發展提高最多,180 d硅粉HBSPC壓折比最大;粉煤灰HBSPC和礦渣HBSPC的壓折比隨齡期發展有所降低;纖維網HBSPC和聚合物HBSPC改善了HBSPC結構,降低了其脆性,HBSPC在獲得高抗折強度的同時脆性并沒有大幅度增大.

通過原材料、配合比及施工工藝,如采用摻入纖維網、聚合物改性等方式來改善混凝土的內部結構,可以降低HBSPC的脆性,使用兩種或多種材料復合時效果更佳.

[1]陳拴發,職雨風,李煒光,等.超早強修補水泥混凝土的低脆性能研究[J].西安建筑科技大學學報:自然科學版,2001(3):57-61.

[2]尚志遠,王選倉,汪日燈.高抗折強度路面混凝土抗折彈性模量研究[J].公路,2008(6):100-102.

[3]袁 玲,陳賢樹,李化建.礦物摻合料對高強混凝土斷裂脆性的影響[J].建材技術與應用,2001(4):3-5.

[4]劉建忠,李天艷.混凝土脆性的改善措施[J].福建建筑,2001(3):68-69.

[5]Zhou F P.Fracture properties of high strength concrete with varying silica fume content and aggregates[J].Cement and Concrete Research,1995(3):543-552.

[6]Kumar T A.Pavement quality concrete using blended cements[J].Indian Concrete Journal,2002(2):117-120.

[7]劉 剛.高強混凝土的斷裂脆性及其增韌減脆措施試驗研究[D].武漢:武漢大學材料系,2004.