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摘要超高性能混凝土是混凝土技术的一次重要革命,其组成材料有着最佳的粒子填充密度,有着很好的制备过程以及粘结性良好的粘结剂和掺和物。
在过去数十年中,对这种新型混凝土的研究已经趋于完善。
搅拌机配备了真空泵之后,通过降低空气含量,能够将混合压力从1013毫巴降低到50毫巴,这是一个有趣的方式来提高混凝土性能。
然而进一步的研究是必要的,因为我们不了解减少空气含量的这项技术是如何影响混凝土的力学性能的。
关于减少空气含量对于超高性能混凝土的力学性能影响的测试,在TheMagnelLaboratoryforConcreteResearch实验室进行。
实验得出了关于抗压强度、劈裂抗弯强度、抗拉强度和弹性模量的一些结论。
通过降低超高性能混凝土的空气含量,经过28天后的固化,其所有的机械性能都有所提高。
其中抗压强度增加7%~22%,弯曲拉伸强度提高最高17%,劈裂抗拉强度性能提升3%~22%,此外,弹性模量提高了3%~8%。
因此可以得出结论,通过真空混合技术,控制空气含量可以实现混凝土的更高的性能。
同时,实验也表明,75升容量的真空混合器,相比于较小的50升的真空混合器,实验结果更加有效。
关键字真空混合,超高性能混凝土,空气含量,机械性能
1介绍
在过去的数十年中,超高性能混凝土(UHPC)的经济效益经显著增长,世界各地的研究人员在都在努力探索UHPC的最优性能,并且做出了有益的贡献,以改善该混凝土。
目前,UHPC被广泛的应用。
测试中,UHPC板被用来保护重要设施遭受飞行器的撞击,比如核工厂,高层建筑和发电厂等。
此外,这种类型的混凝土具有重要的审美优势,用于建造海上建筑物时,也更经济高效。
也因其高的质量和阻尼系数,使UHPC成为生产机床的理想材料。
这种混凝土的优点有两个方面,一方面,它常被制成自密实,即使存在致密钢筋也能完全填充模板的这一个有用的特征;
另一方面,硬化混凝土有着非常不错的性能,这被认为是改进了混凝土的力学性能,并且延长了其使用寿命,更高的耐用性使得UHPC被用于处在恶劣环境中的建筑,有关UHPC配合比设计的全面解释可以在文献中找到。
制备UHPC,必须有一个正确的混合程序,为了获取所需混凝土的特性,一些参数,比如混合时间,混合速度,温度,混合顺序和加料的方式等应当严格监控,另外,混凝土中残存空气的量对于控制混凝土搅拌的质量和水平起重要作用,在一些文献中,可以找到残存空气影响的一些例子,我们可以发现空气的含量的波动可以改变混凝土抗压强度和其的工作性能。
此外,纤维或钢筋间气泡的累积可能会对钢筋和周围混凝土之间的粘合强度会产生不利影响。
最后,水的需求测试用来确定粉末的湿堆积密度,常常忽视了残存空气的量,这导致过高估计了填充密度,并错误计算了特性,因此,减少的残存空气量,将能够准确地推测出一个更接近的粉末湿堆积密度。
为了消除对研究和产业的不利影响,就业积极研究减少气泡量的方法,一种可能的方法是
降低空气压力下混合混凝土。
从华盛顿美国国家标准局的一些早期的研究中指出,通过降低最大空隙尺寸能够增加振动砂浆的抗折强度,在研究报告中,真空室中的压力从1014毫巴降低至800毫巴。
在密西西比州维克斯堡的另一个研究小组,滚筒式混合机搭载了一台真空泵,在混合过程中的压力从1014毫巴降低至630毫巴,从他们的研究得出的结论是真空混合对振捣混凝土没有作用,最近的研究,是在慕尼黑的建材中心进行,抗压强度从175兆帕提高到250兆帕,28天为一UHPC混合周期,在这种情况下,使用了一个密集的真空混合器,在混合盘中,压力从1014毫巴降低至100毫巴,,同时空气含量从8%下降到1%。
近日,笔者用不同类型的水泥(HPC)作为一种参考,证实这种方法了能够提高机械性能,7天获得从110兆帕至125兆帕的最高涨幅,通过将混合盘压力1013降低至50毫巴,空气含量从3%降低到了0.5%。
由于混凝土强度增加与空气含量减少是相关联的,将进行一个有趣的研究,验证真空混合更换为热固化室的可行性,这一次,许多预制厂家都配有蒸汽固化室,以便更早脱模混凝土,尽管这些热固化室的温度往往局限于为50℃,但可以预期UHPC的机械性能会有显著增加。
然而不幸的是,设备和能源需求是非常昂贵的,因此,如果该设备可以用真空混合器来代替,将是非常不错的。
2研究意义
在文献资料中,提供的有关真空混合对UHPC的硬化特性的影响效果是有限的,据作者,这个数据被限制在两个方面,第一,对机械性能的影响,主要集中在抗压强度,因此,本次实验用真空技术测试五种不同的UHPC混凝土,这些混凝土是挑选自这些文献著作,并用比利时的材料重新制作,除了抗压强度,真空混合对劈裂强度、弯曲拉伸强度和杨氏模量也进行了检测。
为了对数据的最基本的见解,我们试图将抗压强度的数据,与固体浓度和拉伸强度对最大空隙尺寸上的的影响象关联。
其次,文献中大多是由5升容量的搅拌机得到的结果,较大的真空搅拌机(75升)中获得的数据表明,增加的抗压强度与一个小的真空搅拌机(5升)相比是较不显着的。
为此,同样的混凝土在5升和75升l容量混合器配制,通过检测75升容量的混合气所持续的真空时间,来获得5升混合容器减少到相同空气含量时所持续时间。
3材料
这个项目中,用到了2种高效减水剂,SF1、SF2都含减水剂醚,固体含量分别为35%和40%。
大部分的混合物含有强化硅灰(SF1),硅灰含95.6%的二氧化硅,粒度分布取决于马尔文激光粒度仪,5分钟的超声处理,以获得良好的粒度分散;
SF2泥浆固体含量为50%,石英砂中0/0.5和0/0.4含d50的量分别342.0微米和187.0微米,填充剂M400和M800含有d50的量分别为10.3微米和1.7微米,水泥的化学成分和强化硅灰在表1中给出。
表1水泥和硅灰1的化学成分(M%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
SO3
CEMI52.5NHSRLA
20.90
3.64
5.19
63.68
0.77
0.17
0.62
3.03
CEMI42.5NHSRLA
21.35
3.58
4.09
63.25
1.77
0.50
2.64
Silicafume1
94.73
0.36
0.71
0.20
0.39
0.90
0.27
用于这个项目的五个UHPC混凝土的组成以及它们的起源可以在表2中得到,Mix1-3-4活性粉末混凝土的粗材料是细石英砂,Mix2和5超高性能混凝土的粗砂作为玄武岩2/4或斑岩2/4使用,表2中列出的第六混凝土DucoritD4,其确切成分尚不清楚。
表2UHPC混合物混合比例的六种不同的用于这项工作
kg/m3
MIX1
MIX2
MIX3
MIX4
MIX5
MIX6
731
632
—
868
840
926
226
198
231
217
Silicafume2
336
Quartzsand0/0.5mm
992
434
1,018
339
Quartzsand0/0.4mm
912
Porphyry2/4mm
785
Basalt0/4mm
870
QuartzflourM400
180
158
84
QuartzflourM800
Superplasticizer1a
28
27
42
44
Superplasticizer2a
24
Waterb
157
133
174
155
70
Ducorit_D4c
930
W/B
0.185
0.180
0.150
0.170
C/A
0.73
0.49
0.91
0,95
0.75
Origin
A
D
B
C
E
4混合过程
在图1中,5升容量混合器,用于确定密集的真空搅拌对抗压强度,弯曲和拉伸强度和杨氏模量的影响,在图2中,75升容量搅拌机是用来测试减少空气含量是否会影响混合体积强化真空搅拌机的能力。
测试中,为了生产UHPC混凝土的有效性,选择了一个插销式搅拌器,,两个搅拌机使用相同的圆周速度的搅拌叶片,以消除混合应力的影响。
图15l密集搅拌器的真空搅拌机,。
A:
搅拌器;
B:
真空泵;
C:
搅拌锅和外部保护环
图275l密集搅拌器的真空搅拌机。
卸料桶;
B;
过滤压力逐步增加;
D:
连接管除尘机;
E:
真空泵连接管;
F:
自动水平衡系统
混合过程是由Mix3的75升混合器的混合能力确定的,在第一步,水泥、硅灰和沙子在移动称重,同时旋转混合,过程中产生的灰尘通过除尘机除去,干燥的粉末在15秒内混合完成,在接下来的20秒,将水以1.6米/秒的搅拌速度自动添加,同时强塑剂是手动添加到混合物中,这是紧随其后的是一个密集的混合阶段,持续时间取决于搅拌器速度保持在6米/秒不变,见图3。
图3混合过程的归一化功率曲线的搅拌器速度6米/秒
5样品制备和方法
5.1新鲜空气含量
UHPC新鲜空气含量测定,是根据EN12350-7描述的压力计方法来进行
5.2硬化空气含量
5.3硬化混凝土性能样品制备
5.4热处理
6结果与讨论
6.1真空混合对空气含量的影响
6.2真空混合及其对UHPC力学性能的影响
6.3空气含量的减少对UHPC可变形性的影响
6.4混合气体的体积对真空搅拌的有效性影响
7结论
Vacuummixingtechnologytoimprovethemechanicalpropertiesofultra-highperformanceconcrete
AbstractUltra-highperformanceconcreteisanimportantevolutioninconcretetechnology,enabledbythecombinationofagoodparticlepackingdensity,asuitablemixingprocedureandcompatiblebindersandadmixtures.Inthelastdecadesalotofresearchhasbeenperformedtoexploretheboundariesofthisnewtypeofconcrete.Mixersequippedwithavacuumpumpabletolowerthemixingpressurefrom1,013to50mbarareaninterestingwaytoimprovetheperformancebyloweringtheaircontent.Profoundresearchisnecessary,becauselittleisknownaboutthistechniqueofaircontentreduction.Theinfluenceofareducedaircontentonthemechanicalpropertiesofultra-highperformanceconcreteistestedatTheMagnelLaboratoryforConcreteResearch.Thispaperreportstheresultsofthecompressivestrength,thesplittingandbendingtensilestrengthandthemodulusofelasticity.Allthemechanicalpropertiesafter28dayscuringareimprovedbyreducingtheaircontentintheultra-highperformanceconcrete.Anincreaseincompressivestrengthbetween7and22%ismeasured.Thebendingtensilestrengthincreasesmaximumwith17%andthesplittingtensilestrengthgains3–22%inperformance.Furthermore,themodulusofelasticityimproveswith3–8%.Inconclusion,theaircontentcanbecontrolledandahigherperformancecanbeachievedbyvacuummixingtechnology.Finally,itisshownthatthevacuumtechnologyisnotaseffectiveina75lcapacityvacuummixerasitisforasmallervacuummixerwithacapacityof5l.
KeywordsVacuummixing,UHPC,Aircontent,Mechanicalproperties
1Introduction
Duringthelastdecades,theinterestinultra-highperformanceconcrete(UHPC)hasgrownsignificantly.ResearchersallovertheworldhavetriedtoexploretheboundariesofUHPCandmadeusefulcontributionstoimprovethisconcrete.Currently,UHPCisusedinawiderangeofapplications.Testsaredonetoprotectimportantfacilitiesasnuclearplants,highrisebuildingsandpowerplantsfromaircraftimpacts,bytheuseofUHPCpanels.Furthermore,thistypeofconcretehasanimportantaestheticadvantage.UHPCalsoplaysanimportantroleinmakingoffshorestructuresmorecost-efficient.ThehighmassanddampingcoefficientmakeUHPCidealfortheproductionofmachinebeds.Theadvantageofthisconcreteistwofolded,ontheonehanditisoftenmadeself-compacting,ausefulcharacteristictofillupcomplexformworkswithahighreinforcementratio.Ontheotherhandthehardenedconcretehasaverygoodperformance.Thisisseenintheimprovedmechanicalpropertiesandthelongerlifetime.ThehigherdurabilitymakesUHPCalsoidealforconstructionsinharshenvironments.AcomprehensiveexplanationonthemixdesignofUHPCcanbefoundinliterature.
InordertomakeUHPCagoodmixingprocedureshouldbeapplied.Parametersasmixingtime,mixingspeed,temperature,mixingsequenceandthewayofadditionshouldbemonitoredcarefullyinordertoobtainthedesiredpropertiesoftheconcrete.Alsotheamountofentrappedairplaysanimportantroleinthequalitycontrolofthemixanditslevelofperformance.Someexamplesontheinfluenceofentrappedaircanbefoundinliteraturee.g.Fluctuationsinaircontentcanchangethecompressivestrengthandtheworkabilityofthemixture.Furthermore,theaccumulationofairbubblesunderfibersorrebarscanhaveadetrimentaleffectonthebondstrengthbetweenthereinforcementandthesurroundingconcrete.Finally,waterdemandtestsusedtodeterminethewetpackingdensityofpowders,oftenneglecttheamountofentrappedair.Thisleadstoanoverestimationofthepackingdensityandthepropertiescalculatedfromit.Thus,reducingtheamountofentrappedair,willpresumablygiverisetoabetterestimationofthewetpackingdensityofpowders.
Duetotheseunfavorableeffectsresearchandindustryhasshowninterestinmethodstoreducethe
amountofairbubbles.Onepossibilityismixingtheconcreteunderareducedairpressure.SomeearlierworkfromtheNationalBureauofStandardsinWashingtonD.C.,reportedanincreaseoftheflexuralstrengthofvibratedmortarbydecreasingthemaximumvoidsize.Intheirinvestigationavacuumchamberreducedthepressurefrom1,014to800mbar.AnotherresearchteamatVicksburg,Mississippi,equippedadrummixerwithavacuumpump.Duringmixingthepressurewasreducedfrom1,014to630mbar.Fromtheirstudytheyconcludedthatvacuummixinghadnobeneficialeffectonvibratedconcrete.Morerecentwork,performedatthecenterofbuildingmaterialsinMunich,obtainedanincreaseincompressivestrengthfrom175to250MPaat28daysforoneUHPCmixture.Inthiscaseanintensivevacuummixerwasused.Thepressureinthemixingpanwasloweredfrom1,014to100mbar,consequentlytheaircontentdroppedfrom8to1%.RecentlytheauthorsconfirmedtheincreasedmechanicalbehaviorforonereferenceHPCwithdifferenttypesofcement.Amaximumincreasefrom110to125MPawasobtainedat7days.Adecreaseinaircontentfrom3to0.5%wasreportedbyloweringthepressurefrom1,013to50mbarinthemixingpan.
Duetothestrengthincreaseassociatedwiththeairconte
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