高性能混凝土力学性能试验检测研究

高性能混凝土力学性能试验检测研究

刘晓瑞 李双玥

天津市建筑工程质量检测中心有限公司 天津 300193

摘要：高性能混凝土（HPC）凭借其在耐久性、强度、和易性及体积稳定性方面的卓越表现，已成为现代土木工程的优选材料。本研究通过系统的试验检测，深入探索了高性能混凝土的力学性能及其背后的影响因素。旨在揭示不同原材料、配合比及施工工艺对混凝土力学性能的具体作用，进而提出针对性的优化制备方案。这些方案旨在满足各类工程环境条件对高性能混凝土的特定需求，确保混凝土在实际应用中能够发挥出最佳性能。通过本研究，期望能为高性能混凝土的制备和应用提供更加科学的指导和依据，推动土木工程领域的持续发展和进步。

关键词：高性能混凝土；力学性能

1引言

高性能混凝土自20世纪80年代末90年代初提出以来，因其独特的性能优势，逐渐成为土木工程领域的重要材料。特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中，高性能混凝土的应用显著提高了工程结构的耐久性和安全性。然而，高性能混凝土的力学性能受到多种因素的影响，如何优化制备工艺，提高力学性能，是当前研究的重点。

2高性能混凝土的特点及性能要求

高性能混凝土，作为现代土木工程领域的一种新型建筑材料，以其独特的耐久性设计为核心，展现了多方面的卓越性能。其特点可概括为以下四点：首先，高强度是其显著标志。相较于普通混凝土，高性能混凝土的抗压强度普遍在C50以上，部分特殊工程应用更是达到了C80乃至更高的强度等级，满足了更高承载力的需求。其次，高和易性确保了施工的便捷性。高性能混凝土的拌合物具有高流动性，易于填充各种复杂模型，同时泵送和自密实性能优异，有效提升了施工效率和质量。再者，高耐久性是其核心价值所在。通过优化原材料和配合比，高性能混凝土能够显著提升工程结构的使用寿命，显著降低因耐久性不足导致的维修成本，为工程长期安全运行提供了有力保障。最后，高体积稳定性保障了结构的稳定性。高性能混凝土在硬化早期水化热低，减少了因温度应力引起的裂缝风险；而在硬化后期，其收缩变形小，确保了结构的尺寸稳定性和长期性能。

3高性能混凝土的制备及影响因素

高性能混凝土的制备是一个复杂而精细的过程，涉及多个关键因素，具体如下：首先，水泥作为混凝土的核心成分，其品质直接决定了混凝土的强度和耐久性。因此，选择质量上乘、性能稳定的普通硅酸盐水泥，如P·O42.5，是制备高性能混凝土的首要条件。其次，粉煤灰和矿粉的掺入对混凝土性能有着重要影响。能够优化混凝土的微观结构，显著提升耐久性。但需注意，粉煤灰活性较低，可能导致早期强度下降，因此掺量需严格控制。研究表明，硅灰、粉煤灰和矿粉以1:2:1的质量比掺入时，混凝土的抗压强度表现最佳。此外，集料的质量和级配也不容忽视。粗集料需控制最大粒径，细集料则应选用质地坚硬、洁净的河砂，以确保混凝土的力学性能。外加剂的加入同样能改善混凝土性能。例如，减水剂能有效降低用水量，提高混凝土的密实度和强度。最后，纤维材料的掺入也是提升混凝土性能的重要手段。钢纤维、聚丙烯纤维等能够显著提高混凝土的抗折强度和抗冲击韧性。

4高性能混凝土力学性能试验检测研究

4.1试验材料与方法

本次试验采用了多种优质原材料，包括P·Ⅱ52.5普通硅酸盐水泥、硅灰、Ⅱ级粉煤灰、天然砂（40～70目中砂）细石、聚羧酸高效减水剂和钢纤维等，旨在制备高性能混凝土。为了深入探究不同因素对混凝土性能的影响，试验采用了正交试验设计，以砂率、钢纤维体积率和粉煤灰取代率为变量，精心设计了9组不同的配合比。每组配合比均制备了6个抗压强度试件（尺寸为100mm×100mm×100mm）和6个四点抗弯试件（尺寸为100mm×100mm×400mm），以确保试验结果的准确性和可靠性。试件的制备工作在浙江大学紫金港校区的高性能搅拌室中完成。制备过程严格按照规范操作，包括湿润搅拌机、精确称量原材料、进行干拌和湿拌、适时加入钢纤维和聚羧酸高效减水剂、以及最终的出料等步骤。整个制备过程严谨有序，确保了试件的质量符合试验要求。

4.2试验结果与分析

针对9组高性能细石混凝土（HPC-FS）进行为期14天和28天的标准养护后，分别开展抗压强度和四点弯曲试验，以深入探究其力学性能。试验结果显示，不同因素对HPC-FS的抗压强度和抗弯强度产生了显著且差异化的影响。在抗压强度方面，钢纤维体积率、砂率和粉煤灰取代率均对HPC-FS的抗压强度产生了重要影响。其中，钢纤维体积率的影响最为显著，其次是砂率，最后是粉煤灰取代率。通过数据分析，发现当钢纤维体积率为2%、砂率适中、粉煤灰取代率较低时，HPC-FS的抗压强度达到了最优水平。这一组合不仅显著提升了混凝土的抗压性能，还确保了混凝土的整体稳定性和耐久性。而在抗弯强度方面，各因素的影响顺序与抗压强度有所不同。砂率成为了影响HPC-FS抗弯强度的首要因素，其次是粉煤灰取代率，最后是钢纤维体积率。当钢纤维体积率保持适中、砂率同样适中但略偏向于较高值、粉煤灰取代率较高时，HPC-FS的抗弯强度表现最佳。这一组合不仅提高了混凝土的抗弯承载能力，还增强了其抗裂性和韧性。

4.3微观结构分析

为了深入了解高性能细石混凝土（HPC-FS）试件的微观结构特性，采用SEM扫描电镜技术和X-CT技术进行细致的分析。SEM扫描电镜结果显示，HPC-FS中的微小孔隙分布相对均匀，但在试件的上部区域，发现了一定数量的大孔洞。这些大孔洞主要是由于振捣过程中气泡上浮并聚集在试件顶部所导致的。这一现象提示在实际施工中需要进一步优化振捣工艺，以减少气泡的产生和上浮，从而提高混凝土的整体质量和性能。同时，X-CT技术的分析结果也提供了有价值的信息。在试件中，钢纤维呈现出三维数量均匀且不规则乱向的分布状态。这一结果表明，当前的水泥基体配合比能够较好地实现钢纤维的均匀分散，并为其提供良好的和易性。这种分布状态不仅有助于提升混凝土的力学性能，还能增强其抗裂性和耐久性。

5高性能混凝土力学性能的优化措施

基于深入的试验结果与详尽的分析，提出一系列旨在提高高性能混凝土力学性能的优化措施。这些措施涵盖了原材料选择、配合比控制、施工工艺改进以及纤维材料的掺入等多个方面。首先，在原材料选择上，强调选用质量可靠、性能卓越的原材料，如P·Ⅱ52.5普通硅酸盐水泥、高品质的粉煤灰和矿粉等。这些原材料的选择将从根本上保障高性能混凝土的基础性能。其次，通过正交试验，将对配合比进行精细化调整，以确定最优的砂率、钢纤维体积率和粉煤灰取代率。这一步骤将确保混凝土中各组分之间的协同作用达到最佳状态，从而提升其整体力学性能。在施工工艺方面，将重点加强振捣和养护环节。通过优化振捣工艺，可以有效减少气泡上浮导致的孔洞问题，提高混凝土的密实度和强度。同时，加强养护措施将确保混凝土在硬化过程中得到充分的保护和发展，进一步巩固其力学性能。最后，将合理掺入钢纤维、聚丙烯纤维等纤维材料。这些纤维材料的加入将显著提升混凝土的抗折强度和抗冲击韧性，从而增强其在实际应用中的耐久性和安全性。

6结语

本文通过试验检测研究，探讨了高性能混凝土的力学性能及其影响因素。结果表明，钢纤维体积率、砂率和粉煤灰取代率对高性能混凝土的抗压强度和抗弯强度有显著影响。通过优化原材料选择、配合比设计和施工工艺，可以显著提高高性能混凝土的力学性能，满足不同工程环境条件的需求。未来，应进一步深入研究高性能混凝土的制备工艺和力学性能优化措施，为土木工程领域提供更多优质材料。

【参考文献】

[1] 柯晓军,孙海洋,陈宗平,等. 高强高性能混凝土力学性能试验研究[J]. 混凝土,2016(6):88-91.

[2] 秦涛,韩方玉,光鉴淼,等. 铁路桥梁用高性能混凝土的力学性能试验研究[J]. 混凝土,2021(3):134-136.

[3]刘沐宇,李晨威,丁庆军,张强. 轻质超高性能混凝土长柱轴心受压试验[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2020(06)：947-951.

[4]陈宁.高性能混凝土力学性能试验检测研究[J].科学技术创新,2022(11):113-116.