高性能混凝土力學性能試驗檢測研究

陳寧

（中犇檢測認證有限公司，河南 鄭州 450000）

高性能混凝土優勢在于其具有較好的路用性能，能夠適應不同工程環境條件，在此基礎上就需要對影響混凝土工程性能的關鍵因素做出研討，探究如何保障混凝土材料具備足夠的耐久性，應當優先選擇質量可靠、性能良好的原材料并采取盡可能小的水灰比設計方案[1,2]。

1 高性能混凝土的制備

考慮到高性能混凝土在性能、配比上所具有的特殊性，其組分材料可能會產生較為突出的影響，導致路用性能發生變異[3]。

1.1 水泥

作為混凝土材料中至關重要的組分，水泥的強度往往主導著結構的強度及耐久性[4]。在設計環節中，水泥的選擇應當滿足我國現行《公路水泥混凝土路面施工技術細則》的具體要求，再本研究中最終選定為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本性能如表1 所示。

表1 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥的基本性能

1.2 粉煤灰和礦粉

對于混凝土設計而言，若僅在其中摻加粉煤灰常常會導致混凝土的早期強度下降，引發這一不良現象的主要原因在于粉煤灰的活性較低，在反應早期難以形成強度[5]。

在本研究中，材料設計所用的粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，根據現場試驗檢測得到其主要性能指標如表2 所示；材料設計所用的礦渣粉為S95 礦粉，根據試驗檢測得到其主要性能指標如表3 所示。

表2 試驗測得粉煤灰主要性能指標

表3 試驗測得S95 礦粉的性能指標

1.3 集料

1.3.1 粗集料

在本研究中控制碎石的最大粒徑在31.5mm 以內。為便于區分，根據粒徑不同將集料分為5-10mm、10-20mm及10-30mm 三類，其各自的試驗檢測結果如表4 所示。

表4 粗集料的主要性能指標

1.3.2 細集料

在設計混凝土時應當對細集料的配比設計予以足夠重視，優先選用堅硬潔凈的河砂，在本研究中所用細集料的基本性能如表5 所示。

表5 細集料的主要性能指標

1.4 外加劑

外加劑即是為了改善混凝土性能而摻入到材料內且摻加量在5%以內的一類化合物。經過長期的發展，目前外加劑的類型與數量都得到了極大的發展，其主要有減水劑、緩凝劑及引氣劑等。減水劑作為混凝土設計中常見的一類組分，其能夠在不影響設計功能的同時，發揮減少用水的作用[6]。在本研究中選用聚羧酸高效減水劑進行摻加，其基本技術指標如表6 所示。

表6 聚羧酸高效減水劑的基本技術指標

1.5 聚丙烯纖維

本研究采用聚丙烯進行設計，其具有重量小、耐腐蝕、電絕緣的優點，所以在工程中往往也能夠表現出較好的效果，本文所用纖維的基本技術指標如表7 所示。

表7 聚丙烯纖維的基本技術指標

2 力學性能試驗分析

本研究主要針對聚丙烯纖維在混凝土材料中發揮的力學性能影響作用展開分析，對于不同纖維摻量下的試件分別進行抗折、抗壓及抗沖擊試驗。本研究共設置了五組對照試件，其纖維摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

2.1 抗壓強度

在試驗設計中借助響應面法對混凝土的配比設計進行優化，并以此為基礎制作了規格為150mm×150mm×150mm 的標準試驗試塊，每一組共制作三個試件并編號。將試件置于標準養護條件下養護約24h，并在3d、7d 及28d 時分別對五組不同纖維摻量下的試件進行抗壓試驗。

本研究中借助萬能液壓伺服機來測定試件的抗折強度，且始終保持加載速度在0.8MPa/s 的標準下，荷載持續施加至試件破壞。將試驗測得各組三個試件的實測值取算術平均作為這一組試件的代表值。若該組試件的實測值中任一與中間值之間的偏差大于15%，則可取該中間值作為該組代表值。若該組試件最大及最小值與中間值之間的偏差均大于15%，則可認定該組試件無效，應當重新制作試件完成試驗。

對不同纖維摻量下混凝土的抗壓強度試驗可得到圖1 所示結果。

圖1 不同纖維摻量下混凝土試件的抗壓強度

根據圖1 可以發現，纖維的摻加對于混凝土試件抗壓強度存在一定的削弱作用，而在纖維的體積摻量達到1.0%后，試件抗壓強度達到穩定。出現這一現象的主要原因在于聚丙烯纖維的抗壓能力較差，其摻加將導致混凝土試件的有效受壓面積減小。所以在更高的纖維摻量下，混凝土的有效受壓面積也就更小，進而使得試件的抗壓強度下降。

2.2 抗折強度

制作規格為150mm×150mm×550mm 的標準試驗試塊，每一組共制作三個試件并編號。將試件置于標準養護條件下養護至預期齡期，并在7d 及28d 時分別對五組不同纖維摻量下的試件進行抗折試驗。

借助萬能液壓伺服機來測定試件的抗折強度，且始終保持加載速度在0.08MPa/s 的標準下，荷載持續施加至試件破壞。將試驗測得各組三個試件的實測值取算術平均作為這一組試件的代表值。若該組試件的實測值中任一與中間值之間的偏差大于15%，則可取該中間值作為該組代表值。若該組試件最大及最小值與中間值之間的偏差均大于15%，則可認定該組試件無效，應當重新制作試件完成試驗。

對不同纖維摻量下混凝土的抗折強度試驗可得到圖2 所示結果。

圖2 不同纖維摻量下混凝土試件的抗折強度

根據圖2 可以發現，纖維的摻加對于混凝土試件抗折強度存在一定的增強作用，而在纖維的體積摻量達到1.5%后，試件抗折強度達到穩定，同時在纖維的體積摻量達到2.0%后，試件抗折強度出現了小幅度的削弱，但從整體上來看，聚丙烯的摻加能夠顯著改善混凝土材料的抗折能力。出現這一現象的主要原因在于纖維在受拉時能夠發生一定的變形，有助提升構件抗拉性能的提升，同時延緩裂縫的產生。

2.3 抗沖擊性能

選用低速落錘進行試驗，制作尺寸為150mm×150mm×150mm 的標準試塊并在標準條件下養護28d。在沖擊試驗開始前將試件切分為厚度為40mm 及60mm 的三類小試件，且其高度應不高于2mm。記錄下試件受沖擊出現第一條裂紋所需的沖擊次數N1以及試件完全破壞所需的沖擊次數N2，其所對應的能量分別定義為E1和E2。計算可按以下公式進行：

其中：Ei——試件初裂（E1）和最終（E2）破壞時所對應的沖擊能量；Ni——在初裂（N1）和最終（N2）破壞時所對應的沖擊次數；m——落錘的質量（0.5kg 或1kg）；g——重力加速度（9.81m/s2）；h——落錘釋放高度（900mm）。抗沖擊強度保留率指標能夠較好地評價在出現裂紋后混凝土試件的力學性能，同時也能夠較好地表征混凝土的延展性，其計算可按式（2）進行：

對于不同試驗組，其代表值可按該組試件測得的算術平均值來確定，若該組試件的實測值中任一與平均值之間的偏差大于15%，則可認定該值無效；若該組所有試件的實測值中至少有兩個與平均值之間的偏差大于15%，則可認定該試驗結果無效，需要重新按照要求制作試件并完成試驗。基于不同聚丙烯纖維摻量下的混凝土試驗可以得到厚度為40mm 和60mm 時，混凝土試件的抗沖擊能力，如圖3-圖4 所示。

圖3 厚度為40mm 時

圖4 厚度為60mm 時

根據圖3-圖4 可以發現：聚丙烯纖維的摻加能夠有效改善混凝土試件的抗抗沖擊韌性，且在較高的纖維摻量下其改善效果更加突出；同時，試件厚度的提升也將導致混凝土在開裂后吸收更多的能量。分析上圖中沖擊次數、纖維摻量之間的關系可以發現，兩者之間大致存在二次關系，這也表明纖維摻量對于混凝土抗沖擊韌性的提升作用并非無限制的，所以在設計中需要合理確定纖維的最佳摻量范圍。

3 結論

本文基于聚丙烯纖維對于混凝土材料的改性作用展開分析，同時基于試驗結果進行了深入的研討，得到以下幾點結論：

3.1 聚丙烯纖維摻量的提升，舒蝶混凝土材料抗壓性能呈現出下降的趨勢，同時隨著養護時間的不斷推進逐漸穩定。當摻量達到1.0%時，混凝土材料的抗壓強度逐步平緩。但纖維的抗壓能力較差，因此使得混凝土試件內的有效受壓面積減小，使得混凝土抗壓能力呈現出下降的趨勢。

3.2 聚丙烯纖維的摻加使得混凝土抗折能力不斷上升，而當其摻量達到1.5%，混凝土抗折能力達到穩定狀態且在2.0%摻量附近發生一定的下落，但總體來看聚丙烯纖維對于混凝土抗折能力具有積極影響。

3.3 聚丙烯纖維的摻加能夠有效改善混凝土的抗沖擊韌性，且其摻量的提高能夠提升初裂沖擊強度，但對于破壞沖擊強度的影響較為微弱。