高温高压养护压力、温度和时间对活性粉末混凝土力学性能的影响外文翻译资料

 2022-07-18 01:07

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高温高压养护压力、温度和时间对活性粉末混凝土力学性能的影响

Halit Yazıcı , Engin Deniz, Buuml;lent Baradan

关键词：RPC 高温高压养护 机械性能 钢纤维 硅灰 显微结构

摘要：本文研究了在高压高压养护下的活性粉末混凝土（RPC）的力学性能（抗压强度和抗折强度），并将其与标准水养护条件进行了对比。为此，我们研究了高温高压养护过程中的三个重要参数：温度、压力和时间对强度的影响。同时也研究了硅灰和钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响。实验结果表明：高温高压养护下混凝土的抗压强度相比于标准水养护条件有了显著的提升。高温高压养护的时间、温度、压力也对RPC的力学性能有相当大的影响。可以这么说，每个温度和压力状况都有着各自的关键的持续时间。在这个范围之外的养护条件会对RPC的力学性能有消极的影响。同样，我们使用了SEM和压汞法来研究高压争气养护下的RPC内部微观结构的变化。

1.简介

活性粉末混凝土（RPC）是新一代水泥基复合材料，它是通过使微观结构致密化而发展起来的。正是由于其致密的显微结构，RPC的抗压强度达200 MPa以上，并且耐久性能显著提高。出现这样的结构是由于RPC水泥含量高，水灰比低，掺入了高活性的硅灰，采用了适当级配的骨料，由于添加了SiO2导致CaO/SiO2低，并且加入了钢纤维[1-4]。由于RPC有着低渗致密结构和优越的力学性能（非常高的抗压强度，抗折强度，断裂能和韧性），将认定为超高性能混凝土[5]。目前，RPC似乎可以用于特殊的预制混凝土产品的生产也可用于工业和核废料的储存设备的建设[1-5]。

养护温度对RPC的力学性能有着十分重要的影响。主要影响其致密的显微结构的形成，随着硅酸钙水合物（C - S - H）相的生成，发展了RPC更高的力学性能。和传统热养护类似，高温高压的RPC的显微结构有着更加明显的变化。高温高压养护导致莫来石在低于200℃下形成，在没有压力纯温度的养护下，硬硅钙石的形成温度大约在250℃[6]。正是由于有着高含量水泥和较低的水灰比，28天后RPC的大多数水泥颗粒仍然未水化。因为水含量低使得硅灰溶解的少使得火山灰反应（氢氧化钙和硅灰反应）没有完全进行[7]。在热处理下逐渐溶解的硅灰与氢氧化钙反应形成新的水合物，这也叫做C-S -H[8,9]。将有着近一微米长的紧密的网状晶体光纤加入到水泥浆中，制成15条RPC试样在200℃下养护[4]。此外，报道说高温高压下在石英颗粒周围的溶解过程使得结晶型水泥浆和填料结合得更好[4]。另外，发现高温高压养护下只使用1型水泥试样的试样的抗压强度非常低。为了提高抗压强度，含硅化合物在高温高压下可以改变水化反应[10-12]。YazıCı[13-16]等人表明波特兰水泥与硅灰可以用不同比例的炉渣和/或粉煤灰代替，作为潜在硅源。

在此次研究中进行了压力、温度和养护时间对对蒸压RPC的力学性能的影响。将实验结果与标准养护下的试样对比。同样也研究了硅灰和含黄铜的钢纤维对RPC的影响。在RPC的显微结构的研究中有了更多的发现。

2.试验

按以下准备RPC的原材料:普通42.5R水泥，石英粉（0 - 0.075和0 - 0.4毫米），石英砂（0.6 - 1.2和1 -3毫米，比重为2.65）.硅灰和高效减水剂符合F型 ASTM C 494-81 规范。含黄铜的钢纤维体积分数为2%，为6mm长，直径为0.16mm，泊松比，比重和抗拉强度分别为37.5、7.17和2250 Mpa。XRF分析知石英砂的二氧化硅含量为99.65%（按重量计）。表1列出了水泥和硅灰的物理、化学和力学性能。RPC的组分含量见表2。在表2中，根据水泥、硅灰和纤维掺量确定混合物的缩写。配合料（水泥、石英粉、石英砂）先以140rpm的转速干混5分钟，然后以285rpm的高速混合均匀。加入一半所需的水，先低速搅拌3分钟，再高速搅拌均匀。接着加入剩下的水和高效减水剂以285rpm的高速搅拌约5分钟。最后，加入纤维和添加剂混合约3分钟。混凝土试块放在普通模具中，在约20℃的室温下和极其潮湿的环境中放置16小时。在这之后，将试块移入钢制模具中。一组试块放在2℃的水中养护，其他组放在高温高压环境中（1 MPa–180 ℃, 2 MPa–210 ℃, 3 MPa–235 ℃，共三组）养护。高温高压养护的升温速率为1.1℃/min，养护时间为4h,6h,10h ,12h ,24。试样在实验室条件下进行热处理，以便在测试前冷却。

表1 水泥和硅灰的物理、化学和力学性能

水泥 硅灰(SF)

化学成分

SiO2 20.10 92.26

Al2O3 5.62 0.89

Fe2O3 2.17 1.97

CaO 62.92 0.49

MgO 1.14 0.96

Na2O 0.30 0.42

K2O 0.85 1.31

SO3 2.92 0.33

Cl- 0.001 0.09

烧失量 3.84

不溶物 0.63

游离CaO（%） 0.52

水泥的物理性质

比重 3.13

初凝时间（分） 130

终凝时间（分） 210

体积膨胀（mm） 1.00

比表面积（m2/kg）

水泥（勃氏法） 380

水泥的抗压强度（MPa）

2d 29.9

7d 43.2

28d 51.2

表2 RPC材料组成

材料（kg/m3） C C-f SF SF-f

水泥 772 772 772 772

硅灰 0 0 179 179

1-3mm 石英 736 709 622 596

0.6-1.2mm 石英 294 284 249 238

0-0.4mm 石英 294 298 249 238

0-0.075mm 石英 147 142 124 119

水 138 138 138 138

高校减水剂 29 29 35 35

钢纤维 0 143.5 0 143.5

水泥水灰比 0.18 0.18 0.18 0.18

水泥水灰比a 0.20 0.20 0.20 0.20

总水灰比（含水泥、硅灰等）水灰比 0.18 0.18 0.18 0.18

总水灰比a 0.20 0.20 0.20 0.20

a 表示用总的水计算（加入的水 来自减水剂的水）

用棱柱试块（40*40*160mm）测定其弯曲应力。试件从中跨加载，简支间距为130 mm。然后进行抗压强度试验。将断裂得到的2块试块进行抗压强度试验。加载面为40*40mm，试块的高度也为40mm。图表中记录的数据为3次试验的平均值。

3 结果和讨论

3.1 RPC的抗折强度分析

标准养护的试块的弯曲应力值见图1。可以看出养护时间、纤维增强和含硅灰对弯曲表现有较为重要的影响。所有试块1d的弯曲应力强度在10Mpa以上。特别是在1天后，硅灰（SF）更提高RPC混合物的抗弯强度。从图1可以可以看出，在SF和C的图上的平行段增量为8-15%。于此类似的是，在SF-f和C-f上增量有11-15%。钢纤维（体积分数为2%）也极大增强了C和SF的弯曲表现。对于C增加了25%-49%，对于SF增加了29-48%。而且，标准养护下，试样的1天的弯曲应力值与28天的弯曲应力的比值在47%-61%。

各高温高压下养护的试块的抗折强度值见图2 a-d。1天时的强度值同样也为没有进行高温高压养护时的值。从养护时间可以看出，压力和温度影响着抗弯强度。硅灰和纤维含量同样也是影响极大。钢纤维增强C的抗弯强度41-59%，SF的抗弯强度36-63%。换句话说，纤维的加入极大增强了抗弯表现。而且，在RPC中加入了硅灰使得抗弯强度增强19%。在所有试验压力下，随着时间的增长，抗弯强度也随之增加得较为明显。C、C-f、SF、SF-f的1d抗弯强度值分别增加了49-82%、51-80%、57-118%、72-102%。高温高压养护的RPC中加入纤维，其抗弯强度增加得更为强烈。同样的28d的抗弯强度也有类似的规律。只不过对于C和SF 在高温高压养护下，强度有所下降，具体可以见图3.。在图3中给出各养护时间下强度与28d的强度的比值。根据时间和压力，观察到强度下降，C是18%，SF是23%。然而，随着压力的增加和热压时间的延长，标准养护和蒸压RPC强度差异减小。出现这种消极的后果是没有有效使用钢纤维。在这种情况下，高温高压养护下的试块强度值低于标准养护下的试块强度。从养护时间来看，在适合的压力下，试块强度发展到最大在10-12h。

对于C组试块，压力为1 MPa、2 MPa、3 Mpa，抗弯强度达到最大的时间为12h、12h、10h。在10h，C-f试块抗弯强度达到最大，这对于所有压力的养护都是一样的。另外2个配比的试样也可以得到类似的规律。另外，在养护时间一定时，增加压力从1Mpa到2MPa，强度较大增加。再稍微增加压力，强度有些许下降。压力对于抗弯强度的发展作用不是很明显。值得注意的是，在较高压力下，强度可以在较短时间内发展到一定水平，对于不同配比的试块，有点区别。例如，在养护时间为4h，养护压力为1、2、3Mpa时，SF-f试块的抗弯强度分别为25.1，26.1，25.3Mpa。养护压力1Mpa时，在养护6h后，抗弯强度发展到26.5Mpa。

然而增加压力超过2MP时，强度有所下降。高温高压养护下，为了达到相近的抗弯强度，1MPa（180℃）和2MPa（210℃）养护下，需要的时间都差不多（2h）。换句话说，养护2h，即能使抗弯强度发展到一定程度。不过这个发现对于养护压力为3MPa并不适用。这个结论可以用水化反应和高温高压养护对RPC微观结构的影响来解释。这些将在随后化学反应阶段给出。

3.2 RPC的抗压强度分析

图4为标准养护下试块的抗压强度值。试验结果表明硅灰、纤维组分和养护时间为主要的影响因素。SF在RPC混合物中的使用提高了抗压强度，强度值比对照组增加43%。钢纤维是力学性能的其它重要影响参数，它也为C-f增加了抗压强度30%。对于SF-f来说，这个比值逐渐和养护时间线性相关直到57%。所有试样的1d抗压强度都大于60MP，在加入钢纤维的情况下逐渐发展到90MPa。而且，在硅灰和钢纤维的结合作用下，试样的28d抗压强度发展到176MPa。然而最大的抗压强度低于RPC的下限200MPa，看来高温高压养护是必要的。

高温高压养护前后，试样的抗压强度值见图5a-d。总的来说，养护时间、压力和温度对RPC的

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