C60镁质高强混凝土配制及强度试验范文

摘要：用镁矿石代替石灰石为粗骨料，研究了不同高效减水剂掺和量、骨料、水胶比、砂率等对混凝土抗压强度的影响。通过多次试验调整得到一种镁质高强混凝土新型配合比。对镁质混凝土试块进行抗压强度测试，对受压试块单元体进行应力分析。结果表明，镁质混凝土试块与普通混凝土试块的破坏形式相同，且强度相差不大，均能达到C60高强混凝土强度等级要求。

关键词：镁矿石；C60高强混凝土；新型配合比；平面应力状态

菱镁矿即镁矿石是一种碳酸镁矿物，它是中国的优势矿产资源之一，其储量、产量、出口量均居世界首位，以辽宁菱镁矿储量最为丰富，占全国的85.6%，山东、西藏、新疆、甘肃次之。菱镁矿除提炼镁外，还可用作耐火材料和制取镁的化合物，也可作为建筑原材料。随着中国经济的飞速发展，高层建筑蓬勃而起，为了满足相应要求，高强混凝土得益于广泛应用，配制技术也愈来愈成熟。近几年，国内外在对高强度混凝土原材料选择上也有了新的突破。文献［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，配制出抗压抗折强度较高的高性能混凝土。文献［4-7］用钢渣代替天然砂石做骨料，配制出抗压强度、抗氯离子渗透性能和耐久性都优于普通混凝土的钢渣高强度混凝土。文献［8-10］用粉煤灰陶粒作为骨料，配制出抗压强度高、抗震性能好、热工性能好的轻质高强陶粒混凝土。文献［11-13］用高炉矿渣作为混凝土掺和料代替部分水泥，配制出强度高、耐久性好、工作性能好的高性能混凝土建筑材料。文献［14-16］将稻草纤维作为一种掺和料加入到混凝土中，配制出一种抗拉、抗弯、抗裂性能好的稻草纤维混凝土，用于建筑结构的非承重部位能够降低成本。已有研究大多是在原来材料的基础上添加陶粒、矿渣、纤维等材料，配制出轻质、高性能的混凝土，但有些材料价格高，不经济、不易取。本文采用便宜易取的废弃镁矿石代替普通石子骨料，配制C60镁质高强度混凝土，充分体现镁矿石在混凝土中的良好性能，合理利用资源，节约建筑成本，减少了镁矿石的浪费。

1实验用原材料

1.1水泥根据《JGJT281-2012高强混凝土应用技术规程》，配制C60及以上高强混凝土，宜选取质量稳定、强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通水泥。因此，本次试验选用辽宁鞍山水泥厂产P.O42.5R级强度水泥，该水泥的强度稳定性好，水泥与外加剂相容性较好。

1.2粗骨料粗骨料颗粒形状、颗粒级配、杂质含量等物理性能对混凝土的保水性、流动性、和易性有很大影响，而且粗骨料的强度直接影响混凝土的强度。因此，选用良好的粗骨料是配制高强度混凝土的关键。配制C60以上高强度混凝土，宜选用2~20mm的连续级配，含针片状颗粒小于5%，最大粒径不超过25mm，含泥量不超过0.5%，泥块含量不大于0.2%。本次试验选用两种类型的粗骨料：一种是辽宁鞍山产镁矿石，体积密度2900kg/m3；另一种是辽宁鞍山产石灰岩碎石，体积密度2800kg/m3。

1.3细骨料细骨料作为混凝土填充材料，与水泥相结合形成水泥浆，补充石子之间的空隙密实混凝土，提高混凝土的粘结力。因此，选用良好的细骨料对高强度混凝土的配制十分关键。本次选用鞍山铁西产河沙，细度模数为2.6~3.0，含泥量不大于2.0%，泥块含量不大于0.5%。1.4掺合料根据《粉煤灰混凝土应用技术规范GBJ146-90》，粉煤灰质量指标分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个等级，试验采用辽宁鞍山铁西第二发电厂产的粉煤灰，细度≤12%，烧失量≤5%。选用辽宁鞍山铁西产等级S95硅粉。1.5减水剂减水剂采用陕西秦奋建材Q8081PCA均衡型聚羧酸盐系高性能减水剂，密度0.98~1.02g/mL，含固量40%，减水剂28%，保坍2h。1.6拌和水采用不含有害物质的洁净水。

2试样制作

2.1配合比设计根据文献［17］，配制高强混凝土，砂率应采用37%~44%，水胶比不大于0.38，在JGJT281-2012规程规定，配制强度为C60以上且不大于C80的高强混凝土，砂率宜选用35%~42%，水胶比控制在0.28~0.34。本试验混凝土试块分3批制作。第一批X组以普通石灰岩为骨料，研究不同减水剂掺量对混凝土试块力学性能的影响；第二批Y组以普通石灰岩和镁矿石为骨料，并采用骨料三级配，研究不同种类骨料对混凝土试块力学的影响；第三批Z组混凝土配合比基于前两批混凝土配合比，优化调整而来，以普通石灰岩和镁矿石为骨料，并采用骨料5~20mm连续级配。其中第二批Y组骨料小中大三级配比例均为1：2：2，Y1组小中大骨料均为普通石灰岩，Y2组小骨料采用普通石灰岩，中大骨料采用镁矿石，Y3组小中大骨料均为镁矿石。具体每批混凝土配合比详见表1和表2。

2.2试块制作本试验中3批混凝土试块均在试验室内制作完成，每批中每组配合比制作6~9个试块做标准养护，取平均值记入表格。所有试块均按照下面操作步骤完成：（1）每组配合比制作采用一次性投料法，将经过筛分的各种按配合比称量好的材料混合搅拌均匀，再将高效减水剂缓慢倒入水中搅拌均匀，以保证减水剂与材料充分混合。（2）将上述一半混合溶夜加入材料，搅拌5min，再将剩余一半混合液全部加入材料拌和5min。（3）将拌合好的材料装入150mm×150mm×150mm的模具中，放在振动台上振动，同时伴随人工振捣，保证试块内部材料均匀密实，振动3min成型结束。（4）采用标准养护法进行试块养护。

3实验结果及分析

3.1抗压试验结果本次试验利用NYL-2000D型压力机对每组混凝土试块进行抗压试验。混凝土抗压试验时加载速度对立方体抗压强度也有影响，加载速度越快，测得的强度越高［18］。因此，试验时压力机速度控制在每秒钟0.5~0.8Pa。试块受压试验时，随着混凝土试块上施加荷载的增加，试块四侧中部表层混凝土先出现裂缝，接着裂缝沿着大致45°方向向顶角延伸，荷载不断加大，裂缝开展程度逐步增大，最后达到极限，试块破坏。图1为Z组试块抗压试验中试块破坏形式。第一批混凝土试块的龄期分别为3、7、28d，第二批试块的龄期为分别3、7、28d，第三批试块的龄期为28d。试验结果如表3所示。混凝土的抗压强度随着龄期的延长明显增大。在一定范围内，随着高效减水剂比例的增加混凝土抗压强度呈增长趋势，1%的高效减水剂比例较适宜。第三批混凝土试块均达到了C60高强度混凝土强度等级，第一批和第二批混凝土试块抗压强度均未达到C60高强标准，但部分试块达到C50标准。

3.2理论分析以第三批混凝土试块抗压试验为例，分析混凝土试块的破坏以及受压应力状态，混凝土试块在试验机上受压过程中，随着纵向逐渐压缩，横向会膨胀，由于混凝土的弹性模量、横向变形与压力机垫板的差异，压力机垫板的横向变形明显小于混凝土的横向变形。当试块承压接触面上不涂润滑剂时，混凝土立方体试块的横向变形受到摩擦力的约束，形成“箍套”作用［19-20］。在“箍套”的作用下，试块与垫板的接触面局部混凝土处于三向受压应力状态，造成混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面。由图1可看出，Z组混凝土试块实际的破坏形式与理论相符。在受压试块上取一单元体，单元体前、后、左、右表面均为零，上、下表面主应力为-σ受压，切应力为零。建立以正应力σ为横坐标，切应力τ为纵坐标的直角坐标系，画出单元体的莫尔应力圆［21］，单元体应力平面形式和应力圆如图2所示。由单元体应力状态可计算出该单元体莫尔应力圆方程如下式中：α表示截面的方位角；σα、τα表示方位角为α截面的正应力、切应力。最大切应力所在的截面与σ2主平面相垂直，并与σ1、σ3主平面互成45°角。Z2组镁质混凝土立方体试块和Z1组普通混凝土试块破坏形式相同，破坏面都是由试块上、下面的边缘大致呈45°向试块中心扩展，符合混凝土试块受压应力状态理论。

4各因素对试块强度的影响

4.1减水剂的影响配制高强度混凝土，减水剂是一必不可少的材料，能保持良好的坍落度，降低水灰比，从而提高混凝土的强度和密实度。然而，过掺或少掺高效减水剂就达不到提高混凝土强度的良好效果［22］。减水剂掺和量对X组混凝土强度的影响如图3所示。掺和量为0.8%~1.0%时，混凝土抗压强度呈增长趋势，掺和量为1.0%~1.1%时，混凝土抗压强度呈下降趋势。因此，减水剂掺和量为1.0%效果最好。

4.2骨料种类的影响骨料在高强混凝土中起骨架作用，随着混凝土硬化过程与水泥和水形成的水泥石粘结在一起，主要承受加载在混凝土上受到的应力，由于骨料种类的不同造成骨料界面特性［23］的不同，对混凝土强度有重要影响。图4是Y组3个不同骨料的混凝土试块随龄期的抗压强度曲线。前期强度都增长较快，后期增长缓慢，以普通石灰岩为骨料配制的Y1组混凝土抗压强度较高，以镁矿石为骨料配制的Y3组混凝土抗压强度较低，以普通石灰岩和镁矿石为骨料配制的Y2组混凝土抗压强度位于Y1、Y2两者之间。3个试块抗压强度曲线非常接近，抗压强度值相差不大，说明镁矿石骨料与石灰岩骨料界面特性相似。

4.3水胶比、砂率的影响砂率和水胶比对混凝土抗压强度的影响如图5和图6所示。3个试样的减水剂都是采用1.0%的掺和量，但砂率和水胶比都不同。X3组、Y1组、Z1组分别采用31%、28%、39%的砂率，如图5所示。随着砂率的增大混凝土的抗压强度逐渐增大，Z1组混凝土抗压强度最高达66.7MPa。X3组、Y1组、Z1组分别采用23%、30%、28%的水胶比，如图6所示。随着水胶比的增大，混凝土的抗压强度呈现先逐渐增高后减小的趋势，28%的水胶比最佳。因此，在本试验中砂率39%，水胶比28%时配制出的混凝土强度最大。

5结论

（1）用镁矿石代替普通石子，和水泥、硅粉、水按一定比例混合，添加1.0%高效减水剂能配制C60镁质高强混凝土。（2）以镁矿石为骨料配制的高强混凝土试块与以普通石灰岩为骨料高强混凝土试块受压破坏形式相同，且抗压强度相差不大，均能达到C60高强混凝土强度等级要求。（3）选用小中大三级配比为1：2：2的骨料可以配制C50高强混凝土。混凝土抗压强度早期增长较快，后期缓慢。选用5~20mm连续级配骨料可以配制C60高强混凝土，砂率宜在39%、水胶比28%左右。

作者：张瑞涛 高华国 李吉人 王楠 刘武通 李程前 单位：辽宁科技大学