水泥轻舟用薄板结构混凝土材料组成优化设计.pdf

2 0 1 0 年 第 3 期 (总 第 2 4 5 期 ) N u mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o ml No ．2 4 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M_ATERI AL AND ADM 玎 卜 『 I CLE d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 6 水泥轻舟用薄板结构混凝土材料组成优化设计 张涛，沈卫国。李明忠。李旭巍 ( 武汉理工大学 材料学院 武汉理工水泥轻舟队，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 对水泥轻舟用薄板结构混凝土的集料级配进行和优化设计， 并对纤维、 乳液的优选及最佳掺量的确定进行了研究。研究结果表 明： 混凝土集料取碎石A ： 碎石 B ： 河砂 = 2 ：3 ：5 时， 配制的集料级配曲线最接近 F u l l e r 曲线； U F 5 0 0 纤维素纤维和 S t y r o f a n D 6 2 3 丁苯乳液配 制的水泥混凝土具有更高的强度， 优选出的混凝土抗折强度达 1 4 P a ， 适宜于水泥轻舟用薄板结构使用。 关键词： 水泥轻舟； 薄板结构；集料复配；纤维；乳液 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 6 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 — 0 0 8 6 — 0 3 Compos it e op t i mi z at i on de si gn o f l a mel l a s t r u c t ur e c onc r e t e ma t e r i al s u si ng f or c onc r e t e c an oe G Ta o ． S HEN W e i - gu o． LI M i n g- z h o n g。 L IXu - we i ( S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 哪C o n c r e t e C ano e T e a m， Wu h an 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Abstr ac t ：T h e a g g r e g a t e s o p t i mu m gra d a t i o n o f t h e l a mi n a s t r u c t u r e c o n c r e t e f o r u s ing c o n c r e t e c an o e i s d e s i g n e d， t h e p r o po r t io n a n d s o r t o f fi be r ， l a t e x f o r t h i s k i n d o fc o n c r e t e i s a l s o s t u d i e d ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t ： t h e p r o p o r t i o n o fc ras h e d s t o n e A： c ms h e d s t o ne Band r i v e r s and o f 2 ： 3：5 mo s tly ma t c h e d t h e F u l l e r c u r v e ； UF5 0 0 c e l l u l os e fi be r s and S t y r o f a n D6 23 s t y r e n e - b u t a d i e n e l a t e x c a l l i mp r o v e t h e fi e x u r a l s t r e n g t h o ft h i s k i n d o fc o n c r e t e ， th e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o f t h i s c o n c r e t e、 v i t h o p ti mu m m i x i n g p r o p o r t i o ~ c a n r e a c h 1 4／ V I P a， i t i S s u i t a b l e for u s i n g a s c o n c r e ~ c an o e b u i l ding ma t e r i a 1 ． Ke y wor ds ： c o n c r e t e c an o e； l a mi n a s t r u c t u r e ； a g g r e g a t e s mi x t u r e； fib e r ； l a t e x 0 引言 水泥轻舟赛( c o n c r e t e c a n o e r a c e ) 是在高校学生团体之间 进行的水泥轻舟设计、 制作和竞速的综合赛事。 1 8 4 8年法国南 部 Mi r a v a l 的一个名叫J o s p h L o u i s L a m b o t 工匠制作的第一条 水泥轻舟， 1 9 6 9年美国伊利诺斯州大学 C l y d e Ke s l e r 教授在他 《 混凝土的性能与行为》的课堂上建议学生制作水泥轻舟来增 强他们对水泥混凝土的感性认识【1 】 ， 后来水泥轻舟赛在美国得 到了迅速的发展， 成为了一道靓丽的大学校园文化的风景线。 2 0 0 8年 5月， 中国第一支水泥轻舟队在武汉理工大学成立， 并 与 2 0 0 9年端午节在武汉东湖进行了中国第一只水泥轻舟试水 表演活动， 引起社会各界的广泛关注。随后， 在中国已有近十所 高校陆续加入到中国水泥轻舟的队伍里，相信在不久的将来 ， 水泥轻舟赛在中国也会迅速发展起来。 设计出适合水泥轻舟用 的薄板结构混凝土朔 是水泥轻舟制作的关键 ， 也是水泥轻舟赛 和比赛选手的安全问题。 研究了水泥轻舟用薄板结构混凝土的 材料组成优化设计， 以期为有兴趣参加中国水泥轻舟赛的同学 交流之用， 同时这种薄壳混凝土材料也有可能在土木工程中得 到应用。 1 试验原料与试验 方法 1 ． 1 试验原材料 水泥： 水泥用黄石华新水泥厂生产的P 0 4 2 ． 5 级水泥， 其主 要物理性质如表 1 所示。 。 集料： 碎石 A 4 ． 7 5 ～ 9 ．5 ／ n m， 碎石 B 2 ．3 6 - -4 ． 7 5 ／ ／ 1 1／ 1 ， 中砂0 ．0 7 5 — 2 ． 3 6i nto。 聚合物孕 L 液： 上海 B A s F 分散 有限公司生产的S t y r o f an D6 2 3 丁苯乳液以及 Ma p e i 丙烯酸脂乳液。 纤维： 采用上海罗洋新材料科技有限公司生产的U F 5 0 0纤 维素纤维和美国希尔兄弟化工公司生产的聚丙烯杜拉纤维， 其 事制作部分的一个重要环节， 直接关系到比赛中轻舟的稳定性 相关性能如表 2 所示。 表 1 水泥的物理 性质 收稿 日期 ：2 0 0 9 — 1 l _ 2 6 8 6 减水剂： 上海 B AS F分散体有限公司生产的聚羧酸减水剂 ( 非缓凝) ， 固含量 3 0 ％， 减水率 2 5 ％。 1 ． 2试验 方 法 1 ． 2 ． 1 集料的复配 通常认为F u l e r 曲线是一种最大理论密度线， 颗粒满足该曲 线的集料具有最大的堆积密度。根据碎石 A、 碎石 B以及河砂 的级配( 其筛分数据如表 3 所示 ) 复配出一条接近 F u l l e r 曲线[3 ] 的级配曲线， 从而使混凝土集料处于最佳堆积密度状态。其 中 F u l l e r 曲线公式： l 0 0 8 0 盖 o 毳 4 0 2 O 0 2 4 6 8 1 0 集料粒径／ ram 图 1 集料 复配 曲线 P =- ( d ／ D ) " x l O 0 ％ ( 1 ) 2 ． 2 纤维的优选及掺量的确定 式中： P ——集料在筛孔尺寸 d的通过量 ； d ——某筛孔尺寸 mm； D——集料的最大公称粒径， mm； n ——系数， 为使混凝土更适合轻舟成型， 取 n = O ． 4 5 。 现拟定两个复配合比案： 方案一， 碎石A： 碎石 B ： 河砂 = 2 ： 3 ： 5 ； 方案二， 碎石 A ： 碎石 B：河砂 = 1 ： 4 ： 5 。通过这两个方案来探索最 接近 F u l l e r 曲线的复配合比案。 表 3 集料的筛分试验结果( 累计筛余／ ％) 集料 1 3 ．2 9 ． 5 4 ． 7 5 2 ． 3 6 1 ． 1 8 0 ． 6 0 ． 3 O ． 1 5 筛底 碎石 A 一 7 ． 3 4 8 4 ．O 6 9 9 ． 4 9 一 一 一 一 一 碎石 B 一 一 6 ． 8 6 9 3 ． 6 9 9 8 ．3 7 一 一 一 一 巴河黄砂 一 一 3 ． 3 0 1 2 ． 6 O 2 7 ．0 0 3 7 ． 7 8 2 ． 8 9 8 ． 6 — 1 ． 2 ． 2 纤维的优选及掺量的确定 采用纤维素纤维与杜拉聚丙烯纤维按外掺体积掺量 0 、 0 ． 0 4 ％、 0 ． 0 8 ％、 0 ． 1 2 ％、 0 ． 1 6 ％、 0 ． 2 0 ％及表 4配合比成型 4 0 m mx 4 0 mmx 1 6 0 mm试块， 依照 J T E 3 0 - - 2 0 0 5 (( 公路工程水泥混凝土 试验规程》 ， 用 T Y E ． 3 0 0 试验机， 对比两种纤维对混凝土强度的 影响， 优选出更适合轻舟用混凝土的纤维及纤维的最佳掺量。 1 ． 2 ． 3 乳液的优选及掺量的确定 采用巴斯夫丁苯乳液与 Ma p e i 丙烯酸脂乳液按胶凝材料 的 O 、 4 ％、 8 ％、 1 2 ％、 1 6 ％、 2 0 ％掺量及表 5配合 比成型 4 0 m m~ 4 0 m mx l 6 0 mn l 试块， 依照 J T E 3 0 - -- 2 0 0 5 (( 公路工程水泥混凝 土试验规程》 ， 用 ． 3 0 0试验机， 对比两种乳液对混凝土强度 的影响， 优选出更适合轻舟用混凝土的乳液及乳液的最佳掺量。 ● 表4 纤维优选混凝土配合比 水泥 碎石A碎石 B 河砂 水 减水剂纤维掺量 ／ ( k g ／ m )／ ( k g ／ m’ )／ ( k g ／ m )／ ( k g ／ m )／ ( k g ／ m )／ ( k g ／ m3 )／ ％ 2 试验结果及 讨论 2 ． 1 集料的复配 图 1 是根据复配合比案一 、 二所得出的复配曲线。从图中 可以看出， 与方案二相比， 通过方案一所得的复配曲线与 F u l l e r 曲线更加接近， 通过方案一所得的复配集料的堆积密度更佳， 所 以集料级配取碎石 A ： 碎石 B： 河砂 ． 2 ： 3 ： 5 。 尽管最大堆积密度的 级配曲线可能和F u l e r 曲线有所出入， 但 已经比 较接近， 本研究 没有进一步探讨和优化。 图 2 - - 4分别是两种纤维随体积掺量变化混凝土的抗折强 度变化图， 以及两种纤维最佳体积掺量时混凝土抗折强度对比 图。 从图2可以看出， 随着 U F 5 0 0纤维素纤维掺量的增加 ， 混凝 土的 3 、 7 、 2 8 d抗折强度变化曲线都有一个明显的峰值， 说明纤 维素纤维 U F 5 0 0 的最佳体积掺量是 0 ．0 8 ％。 从图3 可以看出， 随 着杜拉纤维掺量的增加， 混凝土的3 、 7 、 2 8 d抗折强度变化曲线 的峰值出现在 0 ． 1 2 ~／ d t l 2 ， 说明杜拉纤维的最佳体积掺量是 0 ． 1 2 ％。 图4则显示了两种纤维分别在各 自的最佳掺量时混凝土抗折 强度的对比， 从图中可以看出， 跟杜拉纤维相比， UF 5 0 0 纤维素 纤维在最佳体积掺量时混凝土抗折强度具有明显优势。所以， 水泥轻舟用薄板结构混凝土采用 UF 5 0 0 纤维素纤维， 最佳体积 掺量取 0 ． 0 8 ％。 UF 5 0 0 纤维索纤维掺量 ， ％ 图 2 UF 5 0 0纤维素纤维掺量与抗折强度的关 系 杜拉纤维素掺量， ％ 龄期 ， d 图4 两种纤维最佳掺量与抗折强度的关系 8 7 、 骥辖辖 2 ． 3 乳液 的优选及 掺 量的确 定 聚合物乳液的掺入能有效的改善水泥混凝土的韧性f 4 1 。 图 5 、 6分别显示了两种乳液随掺量变化混凝土的抗折强度变 化。 从图 5 可以看出， 随着 S t y r o f a n D 6 2 3丁苯乳液掺量的增加 ， 混凝土的抗折强度呈逐渐增加的趋势， 说明S t y r o f a n D6 2 3 丁苯 乳液的掺入， 提高了混凝土抗折强度， 改善了混凝土的韧性， 达 到了为轻舟用薄板结构混凝土增韧的效果。但是， 考虑到乳液 的成本比较高及混凝土的经济性问题 ， 混凝土的乳液掺量最高 限制在 2 0 ％。而从图6可以看出， 随着 Ma p e i 丙烯酸脂乳液掺 量的增加， 混凝土的抗折强度下降显著， 说明Ma p e i 丙烯酸脂 乳液是一种柔性乳液， 它的掺人对混凝土韧性虽然有改善效果 ， 但对混凝土的整体的强度发展是不利的。所以， 水泥轻舟用薄 板结构混凝土选用 S t y r o f a n D6 2 3 丁苯乳液， 最佳掺量取胶凝材 料 的 2 0 ％。 乳液掺量 ， ％ 图 5 S t y r o f a n D 6 2 3丁苯乳液掺量与抗折强度 3结论 ( 1 ) 碎石 A： 碎石 B ： 河砂 _ 2 ： 3 ： 5 形成的级配曲线和最大理 上接第 8 5页 仅仅 3 6 ％， 其吸水速率始终是三者中最大的。2 5 mm的轻骨料 的孑 L 隙面积百分比是三者中最大的， 为 6 1 ％， 其吸水速率始终 是三者中最小的。因此 ， 轻骨料的孔隙面积百分比决定其吸水 速率。孔隙面积百分比越小， 骨料吸水速率越大； 孔隙面积百分 比越大， 骨料的吸水速率越小。 芝 0 ： 2 0 ％ 6 ％ 1 ％ 0 5 0 1 O 0 1 5 0 时间 ／ mi n 图 2 孔隙面积百分比对轻骨料 吸水率的影响 3结论 通过上述试验数据和结果分析， 可以得到以下结论： ( 1 ) 轻骨料的外壳厚度并不是控制吸水率的唯一因素， 骨 料外壳厚度和其他因素共同控制骨料的吸水率。轻骨料 5 m i n 吸水量基本上都达到其各 自2 4 h吸水量的 5 0 ％。 2 h的吸水量 可 以达到 2 4h吸水量的约 6 0 ~ ／ ~8 5 ％。 ( 2 ) 轻骨料的吸水率主要被骨料外壳厚度和骨料内部孑 L 隙 数量控制。骨料外壳越厚， 吸水率越低 ； 骨料内部孔隙数量越 多， 吸水率越大。 ( 3 ) 轻骨料的吸水速率与骨料孔隙面积百分比有关。孔隙 面积百分比越小， 骨料吸水速率越大 ； 孔隙面积百分比越大， 骨 88 乳 液掺量 ， ％ 图 6 Ma p e i 丙烯酸脂乳液掺量与抗折强度 论密度线 F u l e r 曲线拟合较好。 ( 2 ) 水泥轻舟用薄板结构混凝土选用 U F 5 0 0纤维素纤维， 最佳体积掺量取 0 ． 0 8 ％； ( 3 ) 水泥轻舟用薄板结构混凝土选用 S t y r o f a n D 6 2 3丁苯乳 液， 最佳掺量取胶凝材料的 2 0 ％。 参考文献 ： 【 1 ]P i e r r e — C l a u d e A M ~ t c i n ． C e me n t o f y e s t e r d a y a n d t o d a y ： c o n c r e t e of t o — mo r r o w [ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0， 3 0 ( 5 ) ： 1 3 4 9 — 1 3 5 9 ． [ 2 ]彭卫兵 ， 何真， 梁文泉， 等．粉煤灰薄板结构混凝土收缩开裂试验研 究 ． 混凝土， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 3 5 — 3 8 ． [ 3 ] 乔龄山． 水泥的最佳颗粒分布及其评价方法【 J 】 _水泥， 2 0 0 1 ( 8 ) ： 1 - 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c r e t e s [ J ] ．C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 5 ) ： 1 0 6 3 — 1 0 7 4 ． [ 7 】P E R S S O N A L ．I m a g e a n a l y s i s of s h a p e a n d s i z e of fi n e a g gre g a t e s [ J ] ． E n ~n e e ri n g G e o l o g y ， 1 9 9 8 ， 5 o ( 1 ) ： 1 7 7 - 1 8 6 ． 【 8 ]C H A N DR A S ， B E R N T S S O N LL i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e ： s c i e n c e ， t e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o n s [ M ] ． u s A： wi l l i a r I l A n d rew P u b l i s h i n g ， 2 0 0 2 ： 2l 一6 1 ． 【 9 ]C OL L I N S F ， S A N J AY A N J G ． E f f e c t o f p o r e s i z e d i s t ri b u t i o n o n d r y i n g s h rin k i n g of alk ali — a c t i v a t e d s l a g c o n c r e t e ． C e me n t a n d C o n c r e t e Re — s e arc h ， 2 O o 0 ， 3 0 ( 9 ) ： 1 4 0 l 一 1 4 0 6 ． 作者简介： 崔宏志( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 讲师， 从事轻骨料混凝土耐久性和力 学性能研究。 单位地址： 深f J l I市南山区南海大道 3 6 8 8 号 深圳 l 大学土木工程耐久 性重点实验室( 5 1 8 0 6 0 ) 联系电话 ： 0 7 5 5 — 2 6 5 3 5 1 2 3 3 2 O 9 7 6 4 ＼ 越酿 蟮