超高强混凝土力学性能研究

编号
坍落度 mm
扩展度 mm
56d 抗折强度(MPa)
56d 抗压强度(MPa)
HS-1
205
430
12.2
118. 6
HS-2
260
630
13.0
117. 0
HS-3
260
660
14.3
130. 1
HS-4
270
675
13.9
144. 1
HS-5
285
700
12.8
123. 8
HS-6
260
630
从目前的研究来看， 超高强混凝土的强度在 28d 后也有较大的增长。本试验研究超高强混凝土 的 28d 到 360d 不同养护龄期的强度发展规律。实验结果如表 3.3，图 3.3 所示。
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编号 HS-1 HS-2 HS-3 HS-4 HS-5 HS-6 HS-7
表 3.3 超高强混凝土工作性能及力学性能实验结果
外加剂
HS-1 0.18
650
455
130
65
0.4
740
1110
1%‐1.5%
HS-2 0.18
700
490
140
70
0.4
720
1080
HS-3 0.18
800
560
160
80
0.4
680
1020
HS-4 0.18
900
630
180
90
0.4
640
960
HS-5 0.25
650
455
130
65
1. 超高强混凝土应用概述
在高层建筑结构的技术问题中，首先要解决的是材料问题。随着减水剂技术的不断进步，特别 是聚羧酸减水剂的不断推广，超高强混凝土的流态化越来越容易实现，在 0.2~0.3 的水灰比范围内， 通过调整外加剂的掺量，均可制备出高流态超高强混凝土[1]。现在混凝土的强度等级已经达到 C100 以上。根据高层建筑不同部位的结构类型，所需要使用的混凝土强度等级也有所不同[2]，表 1.1 为一 般高层建筑结构部位使用混凝土强度等级。
/
/
（3） 骨料 粗骨料采用河北易县产玄武岩石子 G 大(15mm)，G 小(10mm)，采用级配 G 大(15mm)：G 小(10mm)=4:6 比例。 表 2.3 粗骨料的性能分析
品种
粒径
堆积密度(Kg/m3)
紧密堆积(Kg/m3)
表观密度(Kg/m3)
压碎指(%)
玄武岩
10-15mm 5-10mm
2 原材料与实验方法
2.1 实验原材料 （1） 水泥 实验所用水泥为唐山冀东 525 普通硅酸盐水泥，化学分析结果如表 2.1。 表 2.1 水泥的化学组成，wt.%
水泥化学成分
水泥强度(MPa)
CaO
SiO2
Al2O3
MgO
Fe2O3
TiO2
SO3
59.45 20.98
9.38
2.14
3.64
0.40
0.4
740
1110
HS-6 0.20
650
455
130
65
0.4
740
1110
HS-7 0.15
900
630
180
90
0.4
640
960
对以上配合比新拌混凝土工作性测试和 28d，56d 力学性能测试，分析水胶比和胶凝材料总量对
混凝土工作性和力学性能的影响规律，实验数据如下表 3.2：
表 3.2 超高强混凝土工作性能及力学性能实验结果
表 1.1 一般高层建筑结构部位使用混凝土标号
结构部位
核心筒及剪力墙 外筒钢管混凝土斜柱 外筒钢管混凝土斜柱 桩 及 基 础 底 楼板
节点
板
混凝土强度等级 C80-C100
C60-C80
C60-C90
C50
C35-C40
随着超高强混凝土的技术的发展，越来越多的高层建筑也开始使用强度超过 C100 的混凝土[3] 。 21 世纪初期，沈阳、北京等地陆续开始了超高强混凝土的试点应用。目前已经多次成功将超高强混 凝土泵送到 400m 以上的高度[4]。表 1.2 列举了超高强混凝土应用的典型工程。
编号
28d 56d
NJ-4
图 3.2 混凝土力学性能
通过表 3.2 和图 3.1，3.2 可以看出，当混凝土水灰比同为 0.18 时，随着胶凝材料总量的增大， 新拌混凝土塌落度和扩展度也随着变大，其中水胶比 0.18 和胶凝材料为 900 kg/m3 时混凝土具有比 较优异的工作性能塌落度为 270mm，扩展度达到了 675mm。在抗压强度方面水胶比 0.18 时，总胶 凝材料量 650 kg/m3 和 700kg/m3 的配合比在 28d 和 56d 的抗压强度差别不大，但当胶凝材料总量更 多时，混凝土的抗压强度随着也变大，在胶凝材料 900kg/m3 时养护 56d 达到了最大值 144.1MPa。
13.3
125. 0
HS-7
255
550
13.7
143. 7
工 作 性 能(mm)
抗压强度(MPa)
700 600 500 400 300 200 100
0
NJ-1
NJ-2
NJ-3
编号
图 3.1 混凝土工作性能
塌落度 扩展度
NJ-4
140 120 100
80 60 40 20
0 NJ-1
NJ-2
NJ-3
在 HS-1，HS-5 和 HS-6 三组配合比中，它们的总胶凝材料用量同为 650 kg/m3，但是水胶比分 别为 0.18，0.25 和 0.20，比较它们的力学性能可以发现，水胶比 0.25 时，两个养护龄期的抗压强度 在三组中最小，而水胶比 0.18 和 0.20 的混凝土的强度相差不大，56d 时水胶比为 0.20 的混凝土抗压 强度略高一点，基本符合混凝土的水胶比原则。 3.2 养护龄期对超高强混凝土力学性能影响
28d(MPa)
56d(MPa)
180d(MPa)
107. 6
118. 6
125.7
108. 9
117. 0
122.6
121. 1
130. 1
138.1
126. 7
144. 1
134.3
113. 5
123. 8
128.6
115. 1
125. 0
148.7
124. 3
143. 7
146.3
360d(MPa) 150.1 146.3 163.7 158.7 137.2 145.8 161.0
超高强混凝土力学性能研究
霍亮，蔺喜强，李国友 （中国建筑股份有限公司技术中心， 北京 100031）
摘要：研究不同水胶比、养护龄期对 C120-C150 超高强混凝土力学性能的影响。制备了水胶比为 0.15-0.25 的超高强
混凝土，28d 混凝土抗折强度大于 10MPa，28d 抗压强度达到 120MPa 左右。当混凝土水灰比为 0.18 时，随着胶凝材 料总量的增大，新拌混凝土塌落度和扩展度也随着变大，混凝土 56d 的抗压强度也随着胶凝材料用量的增多而增加， 在胶凝材料 900kg/m3 时，56d 抗压强度达到了最大值 144.1MPa。C120 的混凝土静压力弹性模量 56d 能达到 53.7GPa。 随着养护龄期的增大到 360d 时，超高强混凝土的抗压强度能够达到 160MPa。 关键词：长龄期养护，超高强混凝土，力学性能，弹性模量
原材料
化学成分%
比表面 积,cm2/g
活性指数, %
P8000 矿粉 SY90 硅灰
CaO 37.44 0.67
SiO2 32.35 91.7
Al2O3 14.06 2.51
Fe2O3 0.01 2.18
MgO loss
9.32 0.23
0.92
2.2
/
7d 28d
970
122 137
约 19500
160 140 120
HS-1 HS-2 HS-3 HS-4 HS-5 HS-6 HS-7
抗压强度/MPa
100
80
60 0
50 100 150 200 250 300 350 400 养护 龄期/d
图 3.3 养护龄期对超高强混凝土力学性能影响
从表 3.3 和图 3.3 可以看出，总体上超高强混凝土在养护龄期 28d 前的时间是抗压强度发展最快 的一个阶段，HS-1 到 HS-7 的抗压强度都超过了 100MPa。当养护龄期达到 56d 时，混凝土抗压强度 相比于 28d 时也有一个较大幅度的增长，HS-1，HS-2，HS-3，HS-5 和 HS-6 相比于 28d 强度增长了 10MPa 左右，HS-4 和 HS-7 增长了 20MPa 左右。当养护龄期继续增加到 180d 时，除 HS-4 强度相较 56d 时的有所降低外，其余 6 组的抗压强度都呈增加趋势，但是强度增幅相比前两个龄期都小。当 养护龄期达到 360d 的时候，大部分实验组的混凝土的强度也是呈增长的趋势。除水灰比较高的 HS-5 组混凝土外，其他组的混凝土抗压强度都超过了 140MPa，其中胶凝材料用量较多的 HS-3 和水灰比 最低的 HS-7 组的抗压强度超高了 160 MPa。
由以上的实验结果可以看出，在标准养护条件下，低水灰比的混凝土的抗压强度会随着养护龄 期的增加而增加，养护 56d 时的抗压强度就达到了养护 360d 的 80%左右，所以超高强混凝土的强度 等级应该以 56d 龄期或者 90d 龄期评定较为合适。另外以上长龄期养护实验数据是在标准养护条件 下进行的，恒温恒湿的环境促进了低水灰比混凝土的强度发展，所以 HS-1 到 HS-7 组混凝土的强度 后期也呈一定的增长趋势。在以后将进一步研究，环境温度、湿度对低水灰比混凝土强度的影响规 律。 3.3 超高强混凝土的其他力学性能测试
表 1.2 国内超高层建筑高强混凝土应用实例[5,6]
项目名称与地点
施工年份
应用部位
强度等级
应用效果
北京财税大楼
1996
混凝土柱
C100
R28=127MPa
沈阳富林大厦
2001
钢管混凝土柱
C100
R28=115.9MPa
北京国家大剧院
2002
钢管混凝土柱
C100
R28=120MPa
沈阳远吉大厦
2003
2.50
7d
28d
47.9
64.9
（2） 掺合料 矿物掺合料主要用了首钢生产的 S95 矿粉，Ⅰ级粉煤灰，山东鲁新建材公司生产的超细矿粉
P8000；甘肃三远硅材料有限公司生产的硅灰(活性 Si02 90%)。各掺合料的化学成分分析和活性指数 如表 2.2 所示。
表 2.2 掺合料的化学成分分析，wt.%
1610 1520
1810 1700
3050
2.4
3050
2.2
细骨料：河北石家庄河砂，细度模数 M=2.5，含泥量 1.11% （4） 高效聚羧酸减水剂
北京慕湖外加剂有限公司生产的聚羧酸减水剂，其形态为粉体，减水率 40%。 2.2 实验方法
混凝土力学性能试验按照 GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定，测 试抗压强度、劈裂强度时制作边长为 100 mm 的立方体试块，混凝土抗折强度测试制作 100*100* 400mm 尺寸试块，测试轴心抗压和静压力弹性模量制作 150*150*300mm 的试件。各试件标准养护 到规定龄期，按照标准试验方法检测混凝土的各力学性能。混凝土拌合物的工作性按照 GB/T 500802002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测定。
上海中心大厦
2014.6
试验性施工
C120
（500m）垂直泵送
具有超高强度和良好韧性的混凝土有利于减小结构构件的尺寸，减轻结构的自重，改善结构抗 震性能。目前工程中的 C100 以上的混凝土的使用一般为试验性应用，超高强高性能混凝土多集中在 钢管混凝土柱等部位[7]。因为在现有的标准范围内，没有超过 C100 的超高强混凝土的设计规范。只 有通过各个单位对超高强混凝土经过大量的基础研究，才能够为今后超高强混凝土设计规范提供参 考的数据支持，推动超高强混凝土应用技术的发展。本文主要是对 C100-C150 的超高强混凝土抗压、 抗折强度、静压力弹性模量以及在长龄期养护条件下混凝土力学性能的研究，并总结一些超高强混 凝土力学性能发展规律。
混凝土的抗拉强度对于抗开裂性有重要的意义，在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力 的重要指标，混凝土的抗拉强度采用立方体劈裂实验测定。材料的弹性模量是其刚性的度量，混凝 土弹性模量也是结构设计所必要的数据。一般的用于混凝土设计计算的弹性模量值是通过经验公式
钢管混凝土柱
C100
R28=115.6MPa
沈阳皇朝万鑫大厦
2004
钢管混凝土柱
C100
R28=118MPa
广州保利国际广场
2004-2005
钢骨混凝土柱
C100
R28=118MPa
广州西塔
2008-2009
试验性施工
C100
（411m）垂直泵送
京基100大厦
2011.4
试验性施工
C120
（417m） 垂直泵送
3 实验结果与讨论
3.1 水胶比对超高强混凝土力学性能影响 实验选取了水灰比为 0.18，不同胶凝材料用量的混凝土作为对比组，同时也对在不同水灰比条
件下混凝土的工作性和力学性能进行对比的实验。表 3.1 为混凝土实验配合比。 表 3.1 混凝土实验配合比
编号 w/b
胶材
水泥
矿粉 p8000
硅灰
河砂 石子（小） 石子（大）