硅粉HBSPC性能研究

鄭衛(wèi)華

（河北省交通運輸廳公路管理局，河北 石家莊050032）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟和現(xiàn)代交通運輸?shù)陌l(fā)展,公路運輸重型貨車數(shù)量急劇上升，導致公路路面極易受到損壞，高性能混凝土路面因此而受到重視和應用。其中硅粉HBSPC 對提高混凝土路面強度和耐久性具有顯著的效果。為了比較不同硅粉對HBSPC 性能的影響，本研究選取了兩種硅粉并就其HBSPC 幾項主要性能作了對比研究。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：采用秦嶺42.5R 普通硅酸鹽水泥（見表1）。

表1 秦嶺42.5R水泥力學性能

（2）集料：砂的細度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.556g/cm3，砂含泥量為0.8%；碎石采用石灰?guī)r，粒徑均勻，Dmax＝20mm。

（3）減水劑：采用MNC—HHJ 緩凝高效減水劑，最佳摻量為0.9%，實測減水率為20%。

（4）硅粉Ⅰ：采用陜西金英超細材料有限公司生產(chǎn)的PGH—400微硅粉。

（5）硅粉Ⅱ：采用甘肅蘭州西北鋼鐵有限公司生產(chǎn)的SiO2—2硅微粉，詳細指標見表2。

表2 硅粉Ⅰ和硅粉Ⅱ性能指標

1.2 試驗方法

試驗依據(jù)《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTJ 053—1994）執(zhí)行，設計抗折強度為6.0MPa，硅粉取代率為10%，按照表3 的配合比成型試件，坍落度在20mm±5mm范圍內，標養(yǎng)。

表3 試驗用混凝土配合比

2 試驗結果及相關研究

2.1 力學性能

強度試驗主要研究高效減水劑和硅粉對高性能混凝土強度的影響以及齡期與強度之間的關系，結果如表4所示。

表4 強度試驗結果

由表4知，基準HBSPC 28d抗折強度和抗壓強度分別可以達到6.37MPa和51.60MPa，可見選用該配合比可以配制出抗折強度大于6.0MPa的HBSPC。

硅粉ⅠHBSPC 的7d、28d、90d 抗折強度均超過基準HBSPC 10%、5%、1%；7～90d 抗壓強度超過基準HBSPC 2%～7%。可見，摻用硅粉可以提高混凝土的早期強度。

硅粉ⅡHBSPC 的7d、28d、90d 抗折強度分別超過基準HBSPC 13%、50%、36%。抗壓強度分別超過基準HBSPC 11%、32%、57%。硅粉Ⅱ改善HBSPC 力學性能的效果很好。在相同養(yǎng)生條件下，硅粉ⅡHBSPC 無論是抗折強度還是抗壓強度都高于硅粉ⅠHBSPC，而且強度增長速度也大于硅粉ⅠHBSPC。這有利于提前開放交通，有很好的社會效益和經(jīng)濟效益[1]。

2.2 脆性研究

2.2.1 脆性評價指標

水泥混凝土剛度的評價指標有彈性模量、壓折比、破裂能等，本文采用抗折彈性模量和壓折比這兩個指標。

2.2.2 結果分析

測試混凝土抗折彈性模量試驗依據(jù)《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTJ 053—1994），采用150mm×150mm×550mm 的直角小梁試件，進行三分點加荷的方式，測定3kN～P0.5的弦線模量，試驗結果見表5。

表5 HBSPC脆性指標計算結果

從表5 看，HBSPC 的抗折彈性模量平均為3.35×104MPa，比普通水泥混凝土的略高，基準HBSPC 的抗折彈模最大，硅粉ⅡHBSPC 的最小。硅粉HBSPC 壓折比低于基準HBSPC，說明摻加硅粉降低了HBSPC 的脆性，硅粉ⅠHBSPC 壓折比隨齡期降低的趨勢不明顯；硅粉ⅡHBSPC 壓折比隨齡期降低的趨勢較為顯著。HBSPC 在獲得高抗折強度的同時，脆性并沒有大幅度增大。

HBSPC 的斷裂特征與普通混凝土有所不同，從斷裂面的形態(tài)看，普通混凝土斷裂時，其集料一般不斷裂，斷裂面是繞開集料沿界面區(qū)斷開。而HBSPC 則不然，其斷裂面上切斷了相當部分的集料，其斷裂面的曲折度減小，真實斷裂面積變小，斷裂速度加快。

改善HBSPC 的脆性應從提高材料的斷裂表面能入手，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、配合比以及材料復合等途徑改善[4]。

2.3 收縮研究

HBSPC不同齡期收縮率如表6所示。由該表可以看出，HBSPC的收縮穩(wěn)定期為90d，150d的收縮增量幾乎為零，而普通混凝土的收縮穩(wěn)定期一般為180d，可見HBSPC的收縮穩(wěn)定期較普通混凝土短。測試的普通路面混凝土90d 收縮率為454×10-6，而HBSPC 90d的平均收縮率為345×10-6，比普通混凝土降低了約24%。這主要是由于HBSPC 水泥石孔結構得到改善，更加密實，界面過渡區(qū)得到加強，所以HBSPC的收縮應變較普通混凝土小。

表6 HBSPC不同齡期的收縮率

硅粉HBSPC 早期收縮增大，但總收縮并沒有增大，與單摻的HBSPC 基本一致。為減小HBSPC的早期收縮，防止路面開裂，必須加強并延長HB?SPC的早期保濕養(yǎng)護。

2.4 耐久性能研究

2.4.1 耐磨性能

硅粉提高了HBSPC的耐磨性，研究表明混凝土的耐磨性能與強度基本成正比關系，強度越高，耐磨性能越好。混凝土的硬度可以用抗壓強度表示，硅粉ⅡHBSPC的抗壓強度高，磨損率最低。

2.4.2 抗凍性能

本文通過室內試驗，采用快凍法評價HBSPC在水和負溫共同反復作用下抵抗破壞的能力。

HBSPC的抗凍試驗結果結果見表7。

表7 HBSPC的抗凍試驗結果

由上可知，經(jīng)過55 次凍融循環(huán)，HBSPC 質量損失很小，相對抗折強度損失也很小，這是普通路面混凝土所不及的。硅粉HBSPC 水膠比小，加上硅粉火山灰效應、微集料效應等多重功效的發(fā)揮，可以細化混凝土孔隙，強化界面，提高混凝土的密實度和強度，阻止了外部水分的滲入，使混凝土內部可發(fā)生相變的水分減少，負溫體積膨脹相應減小，從而大大提高了HBSPC的抗凍性能。

試驗前后，硅粉HBSPC 的質量損失率和相對抗折強度損失均小于基準HBSPC；從試件的外觀看，硅粉HBSPC 的平均掉皮面積都小于基準HB?SPC 的掉皮面積，說明加入硅粉提高了HBSPC 的抗凍性能，尤其硅粉Ⅱ的效果最明顯。

2.4.3 疲勞特性

疲勞試驗的應力水平選取了較大且試驗數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定的0.75，低高應力比R＝0.08，加載頻率f=10Hz，此速度與重載車的行駛速度接近。HBSPC疲勞試驗結果為：方案Jz的平均壽命32 868；方案Gf1的平均壽命53 780；方案Gf2的平均壽命75471。

從上看出，硅粉HBSPC 的疲勞壽命高于基準HBSPC，說明加入硅粉可以改善HBSPC 的疲勞性能，其中硅粉ⅡHBSPC 的疲勞壽命最高。因此，當硅粉HBSPC 用于重載交通路面時，可以延長路面的使用壽命。

硅粉HBSPC 的孔結構得到改善，勻質性好，密實度和強度大大提高，界面區(qū)結構密實，水泥石與集料之間的黏結性得到加強。因此，HBSPC有較好的勻質性，比普通混凝土更接近均質材料，具有更少的缺陷，引發(fā)疲勞破壞的疲勞源也就越少，疲勞壽命就更長。

3 結論

（1）硅粉應用于HBSPC 之中，能夠提高混凝土的強度，尤其抗折強度更為突出。

（2）硅粉HBSPC 抗脆斷性能較普通混凝土及基準HBSPC優(yōu)良，適用于重載交通道路路面。

（3）硅粉ⅡHBSPC 具有良好的耐久性，其耐磨性，抗凍性及疲勞特性都優(yōu)于硅粉ⅠHBSPC，可知硅粉Ⅱ在改善混凝土耐久性方面優(yōu)于硅粉Ⅰ。

（4） 硅粉優(yōu)化了HBSPC 孔結構，改善了混凝土的勻質性，界面區(qū)結構密實，使水泥石與集料之間的黏結性得到加強，硅粉HBSPC 疲勞壽命是基準混凝土的2倍多，適用于重載交通路面。

[1] 顧培英，陳迅捷，葛洪. 高性能混凝土本構關系研究[J].水利水運科學研，1999（3）：241-247.

[2] 徐江萍，金雷，陳國甫.貧混凝土基層材料干燥收縮特性[J].長安大學學報，2003，23（2）：25-27.