楊永敢　 張云升　 楊　林　 毛若卿

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2海南瑞澤新型建材股份有限公司, 三亞 572000)

高性能混凝土表層硬度與強度的相關(guān)性

楊永敢1張云升1楊林1毛若卿2

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2海南瑞澤新型建材股份有限公司, 三亞 572000)

摘要:通過回彈法研究了高強度(C60,C70)、大摻量礦物摻合料(粉煤灰、礦渣)的高性能混凝土抗壓強度、回彈值隨齡期發(fā)展的變化規(guī)律,并分別采用掃描電鏡(SEM)、綜合熱分析法(TG-DSC)、壓汞法(MIP)對表層混凝土中的微觀形貌、水化產(chǎn)物和孔結(jié)構(gòu)進行研究．以回彈值、抗壓強度和碳化深度為測試指標(biāo),建立了高性能混凝土測強曲線方程．結(jié)果表明:摻合料摻量大于10%時,混凝土回彈值和抗壓強度值隨摻量增大而減小;同摻量礦渣混凝土回彈值和抗壓強度值均大于粉煤灰混凝土;摻加30%粉煤灰和礦渣后,混凝土結(jié)構(gòu)的密實度降低,孔隙率分別增加了28.92%和14.51%;采用最小二乘法建立的高性能混凝土測強曲線平均相對誤差為8.9%,平均相對標(biāo)準(zhǔn)差為11.3%,均滿足地區(qū)回彈測強曲線的要求．

關(guān)鍵詞:礦物摻合料;回彈法;測強曲線;機理

混凝土是一種重要的土木工程材料,其應(yīng)用越來越廣,應(yīng)用量越來越大,我國已成為混凝土用量最大的國家．近年來，混凝土結(jié)構(gòu)時常出現(xiàn)質(zhì)量問題,致使結(jié)構(gòu)過早失效乃至坍塌破壞,造成了嚴(yán)重的后果[1]．因此加強和完善對混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測是保障建筑物結(jié)構(gòu)安全的重要手段．回彈法通過檢測混凝土表層硬度進而反推抗壓強度,因其具有儀器構(gòu)造簡單、攜帶方便、檢測效率高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場工程質(zhì)量檢查和評定．這一技術(shù)已被國際學(xué)術(shù)和工程界公認(rèn)為是混凝土質(zhì)量無損檢測的基本方法之一[2-6]．我國經(jīng)過多年研究和大量的實驗室與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的積累,建立了國家統(tǒng)一測強曲線,形成了《回彈法檢測混凝土抗壓強度》(JGJ/T23—2011),為實體工程的質(zhì)量檢測提供了依據(jù)．

然而,隨著混凝土技術(shù)的快速發(fā)展,以大摻量高效減水劑、大摻量礦物摻合料為特點的高性能混凝土已得到廣泛應(yīng)用[7]．C60及其以上的混凝土在橋梁、高鐵、國防工程等國家重點工程中得到大規(guī)模推廣應(yīng)用[8]．綜上不難看出,強度等級 (一般不小于C60) 的提高、摻合料的加入,使混凝土膠凝組分更加復(fù)雜,導(dǎo)致普通混凝土國家統(tǒng)一測強曲線推定出的強度與高性能混凝土實際強度偏差較大,對現(xiàn)場高性能混凝土的質(zhì)量檢測和評定帶來困難．

針對上述問題,通過系統(tǒng)研究不同強度等級(C60,C70)、摻合料種類及摻量混凝土在不同齡期下的回彈值和抗壓值,建立高性能混凝土表面硬度與強度的定量關(guān)系,提出高性能混凝土的測強方程,同時利用掃描電鏡(SEM)、綜合熱分析法(TG-DSC)、壓汞法(MIP)等探究礦物摻合料混凝土表層微觀結(jié)構(gòu),從原理方面研究摻合料對測強曲線的影響．通過上述研究,以期對準(zhǔn)確評定工程質(zhì)量、補充和完善混凝土測強的理論研究做出貢獻(xiàn)．

1試驗

1.1試驗原材料

采用江南水泥廠P·Ⅱ52.5級水泥;粗骨料為石灰?guī)r碎石,連續(xù)級配,最大粒徑為20mm;細(xì)骨料為河砂,細(xì)度模數(shù)為2.80;外加劑選用江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的PCA型聚羧酸高效減水劑,含固量為30%．粉煤灰和礦渣的主要化學(xué)成分如表1所示．

表1　粉煤灰和礦渣的化學(xué)組成　%

1.2試驗方案

根據(jù)前期大量試驗,設(shè)計并確定C60,C70兩種強度等級的混凝土配合比.為了研究粉煤灰、礦渣對高性能混凝土回彈值的影響,分別摻加10%,20%,30%粉煤灰和礦渣,詳細(xì)配合比如表2所示．因混凝土的坍落度對測試結(jié)果有一定影響,為保證比較的可靠性,實驗時通過摻加不同摻量的減水劑調(diào)整混凝土坍落度相近,約為170mm．

1.3試驗方法

1.3.1試件制備

混凝土試件按照設(shè)計配合比制作,制作尺寸為150mm×150mm×150mm．將澆筑好的混凝土24h后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7d,為了模擬工程應(yīng)用，將試塊放置到室外并擺放成品字型進行自然養(yǎng)護．

1.3.2測試指標(biāo)

回彈值的測試是按照回彈儀(ZC3-A)說明書操作,分別測量按上述配合比成型制備的混凝土在齡期14,28,60,90,120，180d的回彈值．

抗壓強度按《普通混凝土力學(xué)性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)修改》(GBT50081—2002)中的方法進行測試．

碳化深度值的測定方法是將配置好的1%酚酞酒精溶液噴灑在混凝土斷裂面,一定時間后在混凝土紅色與非紅色交界處從不同方向用碳化深度測量儀測量3次(結(jié)果精確到0.25mm),然后取其平均值作為碳化深度值(結(jié)果精確到0.5mm)．

1.3.3微觀結(jié)構(gòu)試驗方法

混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料,其表層硬度與表面微觀結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系．首先用鐵錘輕輕將試樣成型側(cè)面敲碎,避免敲碎過程中產(chǎn)生裂紋,然后取其表面作為研究對象,在取樣過程中保證每組試樣距表面深度一致．然后分別采用SEM,TG-DSC和MIP對表層混凝土中的微觀形貌、水化產(chǎn)物和孔結(jié)構(gòu)進行研究．

2試驗結(jié)果與分析

2.1水灰比影響

圖1顯示了不同水灰比對高性能混凝土回彈值和抗壓強度的影響．由圖可見,在同一齡期下,隨著水灰比的降低,高性能混凝土的回彈值和抗壓強度均明顯增加．隨著齡期增加,回彈值和抗壓強度均呈現(xiàn)增長先迅速后緩慢的變化規(guī)律．原因是,隨著水灰比的降低,水泥用量相對增加, 導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物增多, 更多的水化產(chǎn)物填充在水泥漿體的孔隙之中,增加了其密實度,因此最終導(dǎo)致高性能混凝土表層硬度和抗壓強度增加,當(dāng)混凝土達(dá)到一定齡期后,其水化基本結(jié)束,水化產(chǎn)物基本不再增加,因此混凝土的表層硬度和抗壓強度增長緩慢．

(a) 回彈值

(b) 抗壓強度

2.2粉煤灰摻量影響

圖2顯示了水膠比為0.35時不同粉煤灰摻量對混凝土回彈值及強度的影響．由圖2(a)可見,摻加10%粉煤灰混凝土的回彈值最大,不摻加粉煤灰混凝土的回彈值次之,摻加30%粉煤灰混凝土回彈值最?。畯膱D2(b)中可看出,摻加10%粉煤灰混凝土強度最高,摻加30%粉煤灰混凝土強度最低．其原因是:一方面由于粉煤灰具有微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng),使其不但可以作為微集料填充在混凝土孔隙中,而且其主要成分SiO2和Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng),生成類似于水泥水化所產(chǎn)生的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等反應(yīng)產(chǎn)物填充在孔隙中,這是粉煤灰混凝土的正效應(yīng)[9];但另一方面由于粉煤灰取代等量水泥,導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物減少,混凝土結(jié)構(gòu)疏松,孔隙率增大,強度降低,這是粉煤灰混凝土的負(fù)效應(yīng)．隨著粉煤灰摻量增大,粉煤灰在混凝土中的負(fù)效應(yīng)明顯大于正效應(yīng),抗壓強度值降低．由圖2可知,在任意齡期下混凝土抗壓強度值均大于其回彈值．

(a) 回彈值

(b) 抗壓強度

摻加30%粉煤灰混凝土的回彈值和強度值隨齡期的變化如圖3所示．由圖可看出,在任意齡期下混凝土強度均大于其回彈值,隨著齡期的增加,其強度值分別為回彈值的137%,139%,137%,136%,137%,135%．究其原因可知,由于粉煤灰密度小于水泥密度,故在高流動性下其較多地富集在混凝土的表面處,從而使高性能混凝土表面粉煤灰的量高于其內(nèi)部．在回彈測試時,彈擊錘彈擊混凝土表面的能量更多地被混凝土吸收,相應(yīng)的回傳給彈擊錘的能量就相對較少,因此導(dǎo)致其回彈值相對較低．

圖3　摻加30%粉煤灰混凝土回彈值和強度值隨齡期的變化

2.3礦渣摻量影響

圖4顯示了水膠比為0.35時礦渣摻量對混凝土回彈值及強度的影響．從圖4(a)中可看出,120d之前摻加10%礦渣混凝土回彈值最大,摻加30%礦渣混凝土回彈值最?。畯膱D4(b)中可看出,14d齡期時不摻加礦渣混凝土強度最低(為55MPa),摻加10%礦渣混凝土強度最高(為61MPa)．隨著齡期的增加,不摻加礦渣混凝土強度增長最快,已超過摻加20%礦渣和30%礦渣混凝土,但仍小于摻加10%礦渣混凝土．從圖4(b)中還可看出,14d齡期之后摻加30%礦渣混凝土強度最低．由于礦渣具有一定的活性效應(yīng),其在養(yǎng)護7d后就可與水泥中的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化,生成更多的水化產(chǎn)物填充到混凝土孔隙中,改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),減小孔隙率,使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實,增大毛細(xì)管通道阻力,從而提高混凝土表面硬度和抗壓強度;然而摻加更多的礦渣等量代替水泥會大大減少水泥石中C-S-H凝膠體等水化產(chǎn)物的總量,減小混凝土的表面硬度和強度,尤其是早期表現(xiàn)更加明顯,這些對表面硬度和強度而言是負(fù)效應(yīng)．摻加20%礦渣,正效應(yīng)占優(yōu),宏觀上表現(xiàn)為混凝土后期回彈值和強度的增加;繼續(xù)摻入30%礦渣,正負(fù)效應(yīng)不但抵消而且體現(xiàn)為負(fù)效應(yīng),宏觀上表現(xiàn)為回彈值和強度降低．

(a) 回彈值

(b) 抗壓強度

圖5顯示了水膠比為0.35時不同摻量礦物摻合料對回彈值的影響．由圖可知,同摻量礦渣混凝土回彈值大于粉煤灰混凝土．上述現(xiàn)象可以解釋為:① 礦物摻合料中CaO和SiO2的質(zhì)量比大小決定了其火山灰活性,CaO含量越大,活性越好．本次試驗使用的粉煤灰CaO的含量僅為3.785%,故其活性較低;使用礦渣的CaO含量為31.87%,故礦渣的水化活性高于粉煤灰的水化活性．② 粉煤灰的活性效應(yīng)一般在90d后才會表現(xiàn)出來,而礦渣在7d時就可參加水泥的水化,故在早期摻加礦渣混凝土相比于摻加粉煤灰混凝土孔隙率降低,結(jié)構(gòu)更加密實,表面硬度和強度會相應(yīng)略高[9-10]．

圖5　不同摻量摻合料對回彈值的影響

2.4微結(jié)構(gòu)演變

高性能混凝土的表層硬度很大程度上取決于其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)特征的變化,其中包括固相組成(氫氧化鈣、水化硅酸鈣、未水化水泥顆粒、碳酸鈣等)和孔相結(jié)構(gòu)(孔隙率、孔徑分布),同時上述微觀結(jié)構(gòu)會隨著高性能混凝土齡期發(fā)展而不斷發(fā)生變化．

2.4.1SEM試驗

圖6為不同水泥凈漿試樣表面水化產(chǎn)物的SEM圖．從圖6(a)中可看出,在90d齡期時,片狀氫氧化鈣緊湊排列起來,此時有柱狀氫氧化鈣生成,生成的柱狀氫氧化鈣填充在生成物的空隙中,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加密實．由圖6(b)可看出,水化到90d時,漿體已經(jīng)被部分碳化,表面出現(xiàn)少量碳酸鈣,粉煤灰微珠表面亦形成了致密的水化產(chǎn)物．從圖6(c)中可看出,礦渣周圍亦形成了致密的水化產(chǎn)物,周圍是密實的凝膠質(zhì)物質(zhì)．對比圖6(b)和(c)可發(fā)現(xiàn),后者空隙更少,結(jié)構(gòu)更加致密,這與上文所提到的礦渣在早期活性大于粉煤灰活性相對應(yīng)．對比圖6(a)、(b)、(c)可知,不摻加礦物摻合料的漿體最密實,摻加30%粉煤灰的漿體結(jié)構(gòu)最為疏松．故不摻加礦物摻合料漿體回彈值最大,摻加30%礦渣漿體其次,摻加30%粉煤灰漿體回彈值最小,這與上文所得結(jié)論相吻合．

(a) 不摻加礦物摻合料

(b) 摻加30%粉煤灰

(c) 摻加30%礦渣

2.4.2TG-DSC試驗

圖7為水泥凈漿試樣的TG-DSC圖.圖7(a)中的0.35水灰比漿體自然養(yǎng)護90d,圖7(b)中的0.35水膠比下?lián)郊?0%粉煤灰漿體自然養(yǎng)護90d.從圖中可看出,TG曲線可分為3個階段:① 第1階段為30～400 ℃,熱重曲線表明試樣質(zhì)量在減少,這主要是由于C-S-H凝膠脫水和AFt逐步脫去結(jié)晶水;② 第2階段為400～550 ℃,試樣質(zhì)量減少主要是由于CH分解引起;③ 第3階段為680～900 ℃,試樣質(zhì)量減少主要是由于碳酸鈣分解引起．由結(jié)構(gòu)水或二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算出氫氧化鈣或碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果如表3所示．

(a) 不摻加礦物摻合料漿體

(b) 摻加30%粉煤灰漿體

從表3可看出,摻加30%粉煤灰混凝土在自然養(yǎng)護90d后生成的氫氧化鈣含量降低,碳酸鈣含量幾乎沒變,這是因為粉煤灰等量替代水泥后導(dǎo)致水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣含量減少,抗碳化能力減弱,碳化深度增大,所以生成了一定量的碳酸鈣,但由于氫氧化鈣量減少,最終導(dǎo)致碳酸鈣含量幾乎不變．

表3　水泥凈漿固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

2.4.3MIP試驗

圖8表示0.35水膠比下不摻加礦物摻合料及粉煤灰和礦渣摻量同為30%的水泥漿體(CP0.35,CP0.35-F30%,CP0.35-S30%)自然養(yǎng)護到90d的孔徑分布．由圖可知,不摻加礦物摻合料、摻加30%粉煤灰和摻加30%礦渣漿體的最可幾孔徑分別為50.31, 95.30, 50.33nm,孔隙率為19.50%, 25.14%, 22.32%．由此可計算得到，摻加30%粉煤灰的漿體和摻加30%礦渣的漿體孔隙率相對于不摻加礦物摻合料的漿體孔隙率分別增加了28.92%和14.51%,這表明粉煤灰和礦渣摻量較大時,水泥所占膠凝材料的比例變小,致使總的反應(yīng)產(chǎn)物減少,漿體孔隙率變大．摻加30%礦渣后最可幾孔徑幾乎沒有變化,但是摻加30%粉煤灰的最可幾孔徑卻增大了89.4%,究其原因,一是粉煤灰取代部分水泥后導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物減小,二是粉煤灰反應(yīng)活性不高最終造成了其最可幾孔徑增大．從圖8中還可看出摻加30%礦渣后大量的孔被細(xì)化,產(chǎn)生了大量孔徑小于20nm的微孔．摻加30%粉煤灰漿體的孔徑范圍在10～500nm之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2組的孔徑范圍(孔徑全部小于100nm)．

(a) 微分分布曲線

(b) 累積分布曲線

總之,摻加礦渣雖然不能降低孔隙率和最可幾孔徑，但能夠細(xì)化孔徑,而粉煤灰由于活性不夠,故摻加粉煤灰增大了漿體的孔徑范圍和最可幾孔徑．此結(jié)果能較好驗證礦渣混凝土回彈值和抗壓強度值均大于相同摻量粉煤灰混凝土的結(jié)論．

2.5測強曲線的建立

(1)

(2)

式中,fcu,i為測得的第i個試件的抗壓強度值,MPa;n為試件個數(shù).

因混凝土養(yǎng)護至7 d時其水化程度較小,抗壓強度和表層硬度均較低,對曲線的擬合精度影響較大,故測量高性能混凝土在14～180 d的回彈值、強度和碳化深度．利用Linest函數(shù)建立了高性能混凝土的回彈測強方程:

(3)

對于建立的高性能混凝土回彈曲線，δ=±8.9%<±14%,σ=11.3%<17%,相關(guān)性系數(shù)r=0.93．這2個指標(biāo)明顯低于地區(qū)測強曲線的誤差要求,由此可見該曲線擬合效果較好．

2.6礦物摻合料混凝土測強曲線與國家統(tǒng)一測強曲線的比較

為了能夠非常直觀地反映出抗壓強度、回彈值和碳化深度三者之間的相互關(guān)系,利用Matlab軟件對建立的高性能混凝土回彈測強曲線和國家統(tǒng)一測強曲線進行曲面擬合,擬合曲面如圖9所示,由圖可看出2種曲面有一定差別．在早期碳化深度較小時,相同回彈值和碳化深度下高性能混凝土強度換算值比國家統(tǒng)一測強曲線強度換算值高;隨著回彈值和碳化深度值增加,兩者的強度換算值逐漸接近;當(dāng)碳化深度大于0.5 mm,國家統(tǒng)一測強曲線推算強度在高回彈值時開始大于高性能混凝土測強曲線推算強度;當(dāng)碳化深度大于3.5 mm時,國家統(tǒng)一測強曲線推算強度完全大于高性能混凝土測強曲線推算強度,且隨著碳化深度值和回彈值的增加,二者的強度換算值之差越來越大;當(dāng)碳化深度為6 mm時,二者的強度換算值之差達(dá)到最大,約為25 MPa．故國家統(tǒng)一測強曲線對高性能混凝土適用性較差．

圖9　高性能混凝土測強曲面與國家統(tǒng)一測強曲面的比較

3結(jié)論

1) 礦物摻合料對混凝土表層硬度的影響較大,當(dāng)摻量大于10%時,隨摻量的增加,混凝土回彈值減小．相同水膠比下,同一齡期相同摻量礦渣混凝土回彈值大于粉煤灰混凝土回彈值．

2) 摻合料摻量為30%的高性能混凝土表層結(jié)構(gòu)密實度降低,孔隙率增大,為工程實踐中檢測高性能混凝土抗壓強度提供了理論依據(jù)．

3) 基于高強度、大摻量摻合料高性能混凝土的回彈值、抗壓強度與碳化深度之間的相互關(guān)系，建立了高性能混凝土測強曲線,較準(zhǔn)確地反映了高性能混凝土回彈測強規(guī)律．

4) 高性能混凝土測強曲線與國家統(tǒng)一測強曲線存在一定的差異,尤其是當(dāng)碳化深度較大時,前者推定強度值比后者推定強度值約小25MPa,故國家統(tǒng)一測強曲線不適用于推斷碳化程度較大的高性能混凝土強度．

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Correlationbetweensurfacehardnessandstrengthofhighperformanceconcrete

YangYonggan1ZhangYunsheng1YangLin1MaoRuoqing2

(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (2HainanRuizeNewBuildingMaterialCo.,Ltd.,Sanya572000,China)

Abstract:The changing rule of the compressive strength and rebound value of high performance concrete with high strength(C60,C70) and large amount of mineral admixture(fly ash and slag) substitution was investigated using the rebound method. The microstructure, hydration products and pore structure of concrete surface were analyzed by the scanning electron microscope (SEM), thermogravimetry-differential scanning calorimetry (TG-DSC) and mercury intrusion porosimetry(MIP), respectively. The strength curve equation of high performance concrete was established with the rebound value, compressive strength and carbonation depth as measurement indices. The results show that when the admixture content is larger than 10%, the compressive strength and rebound value of concrete decrease with the increase of the mineral admixture content; in contrast, the rebound value and compressive strength of concrete with the slag content are higher than those of concrete with the same fly ash content; the concrete structure compactness reduces and the porosity increases by 28.92% and 14.51% when fly ash and slag content is 30%. In addition, the strength curve is established by the least square method. The average relative error is 8.9% and the relative standard deviation is 11.3%, which shows that the strength curve can satisfy the local requirements.

Key words:mineral admixture; rebound method; strength curve; mechanism

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.024

收稿日期:2015-09-21.

作者簡介:楊永敢(1989—), 男,博士生;張云升(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,zhangys279@163.com.

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2015CB655102)、國家自然科學(xué)基金重點資助項目(51378116)、海南省產(chǎn)學(xué)研一體化專項資助項目(CXY20150001).

中圖分類號:TU528.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0599-07

引用本文: 楊永敢,張云升,楊林,等.高性能混凝土表層硬度與強度的相關(guān)性[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(3):599-605.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.024.