硅粉HBSPC性能研究

郑卫华

（河北省交通运输厅公路管理局，河北 石家庄050032）

0 引言

随着我国国民经济和现代交通运输的发展,公路运输重型货车数量急剧上升，导致公路路面极易受到损坏，高性能混凝土路面因此而受到重视和应用。其中硅粉HBSPC 对提高混凝土路面强度和耐久性具有显著的效果。为了比较不同硅粉对HBSPC 性能的影响，本研究选取了两种硅粉并就其HBSPC 几项主要性能作了对比研究。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：采用秦岭42.5R 普通硅酸盐水泥（见表1）。

表1 秦岭42.5R水泥力学性能

（2）集料：砂的细度模数为2.8，表观密度为2.556g/cm3，砂含泥量为0.8%；碎石采用石灰岩，粒径均匀，Dmax＝20mm。

（3）减水剂：采用MNC—HHJ 缓凝高效减水剂，最佳掺量为0.9%，实测减水率为20%。

（4）硅粉Ⅰ：采用陕西金英超细材料有限公司生产的PGH—400微硅粉。

（5）硅粉Ⅱ：采用甘肃兰州西北钢铁有限公司生产的SiO2—2硅微粉，详细指标见表2。

表2 硅粉Ⅰ和硅粉Ⅱ性能指标

1.2 试验方法

试验依据《公路工程水泥混凝土试验规程》（JTJ 053—1994）执行，设计抗折强度为6.0MPa，硅粉取代率为10%，按照表3 的配合比成型试件，坍落度在20mm±5mm范围内，标养。

表3 试验用混凝土配合比

2 试验结果及相关研究

2.1 力学性能

强度试验主要研究高效减水剂和硅粉对高性能混凝土强度的影响以及龄期与强度之间的关系，结果如表4所示。

表4 强度试验结果

由表4知，基准HBSPC 28d抗折强度和抗压强度分别可以达到6.37MPa和51.60MPa，可见选用该配合比可以配制出抗折强度大于6.0MPa的HBSPC。

硅粉ⅠHBSPC 的7d、28d、90d 抗折强度均超过基准HBSPC 10%、5%、1%；7～90d 抗压强度超过基准HBSPC 2%～7%。可见，掺用硅粉可以提高混凝土的早期强度。

硅粉ⅡHBSPC 的7d、28d、90d 抗折强度分别超过基准HBSPC 13%、50%、36%。抗压强度分别超过基准HBSPC 11%、32%、57%。硅粉Ⅱ改善HBSPC 力学性能的效果很好。在相同养生条件下，硅粉ⅡHBSPC 无论是抗折强度还是抗压强度都高于硅粉ⅠHBSPC，而且强度增长速度也大于硅粉ⅠHBSPC。这有利于提前开放交通，有很好的社会效益和经济效益[1]。

2.2 脆性研究

2.2.1 脆性评价指标

水泥混凝土刚度的评价指标有弹性模量、压折比、破裂能等，本文采用抗折弹性模量和压折比这两个指标。

2.2.2 结果分析

测试混凝土抗折弹性模量试验依据《公路工程水泥混凝土试验规程》（JTJ 053—1994），采用150mm×150mm×550mm 的直角小梁试件，进行三分点加荷的方式，测定3kN～P0.5的弦线模量，试验结果见表5。

表5 HBSPC脆性指标计算结果

从表5 看，HBSPC 的抗折弹性模量平均为3.35×104MPa，比普通水泥混凝土的略高，基准HBSPC 的抗折弹模最大，硅粉ⅡHBSPC 的最小。硅粉HBSPC 压折比低于基准HBSPC，说明掺加硅粉降低了HBSPC 的脆性，硅粉ⅠHBSPC 压折比随龄期降低的趋势不明显；硅粉ⅡHBSPC 压折比随龄期降低的趋势较为显著。HBSPC 在获得高抗折强度的同时，脆性并没有大幅度增大。

HBSPC 的断裂特征与普通混凝土有所不同，从断裂面的形态看，普通混凝土断裂时，其集料一般不断裂，断裂面是绕开集料沿界面区断开。而HBSPC 则不然，其断裂面上切断了相当部分的集料，其断裂面的曲折度减小，真实断裂面积变小，断裂速度加快。

改善HBSPC 的脆性应从提高材料的断裂表面能入手，改善孔结构，降低孔隙率，改善水泥石与骨料过渡层的界面结构和性能，减少内部微裂缝，控制破坏时微裂缝的开裂和扩展等。从宏观上讲，混凝土的脆性可以从原材料、配合比以及材料复合等途径改善[4]。

2.3 收缩研究

HBSPC不同龄期收缩率如表6所示。由该表可以看出，HBSPC的收缩稳定期为90d，150d的收缩增量几乎为零，而普通混凝土的收缩稳定期一般为180d，可见HBSPC的收缩稳定期较普通混凝土短。测试的普通路面混凝土90d 收缩率为454×10-6，而HBSPC 90d的平均收缩率为345×10-6，比普通混凝土降低了约24%。这主要是由于HBSPC 水泥石孔结构得到改善，更加密实，界面过渡区得到加强，所以HBSPC的收缩应变较普通混凝土小。

表6 HBSPC不同龄期的收缩率

硅粉HBSPC 早期收缩增大，但总收缩并没有增大，与单掺的HBSPC 基本一致。为减小HBSPC的早期收缩，防止路面开裂，必须加强并延长HB⁃SPC的早期保湿养护。

2.4 耐久性能研究

2.4.1 耐磨性能

硅粉提高了HBSPC的耐磨性，研究表明混凝土的耐磨性能与强度基本成正比关系，强度越高，耐磨性能越好。混凝土的硬度可以用抗压强度表示，硅粉ⅡHBSPC的抗压强度高，磨损率最低。

2.4.2 抗冻性能

本文通过室内试验，采用快冻法评价HBSPC在水和负温共同反复作用下抵抗破坏的能力。

HBSPC的抗冻试验结果结果见表7。

表7 HBSPC的抗冻试验结果

由上可知，经过55 次冻融循环，HBSPC 质量损失很小，相对抗折强度损失也很小，这是普通路面混凝土所不及的。硅粉HBSPC 水胶比小，加上硅粉火山灰效应、微集料效应等多重功效的发挥，可以细化混凝土孔隙，强化界面，提高混凝土的密实度和强度，阻止了外部水分的渗入，使混凝土内部可发生相变的水分减少，负温体积膨胀相应减小，从而大大提高了HBSPC的抗冻性能。

试验前后，硅粉HBSPC 的质量损失率和相对抗折强度损失均小于基准HBSPC；从试件的外观看，硅粉HBSPC 的平均掉皮面积都小于基准HB⁃SPC 的掉皮面积，说明加入硅粉提高了HBSPC 的抗冻性能，尤其硅粉Ⅱ的效果最明显。

2.4.3 疲劳特性

疲劳试验的应力水平选取了较大且试验数据相对稳定的0.75，低高应力比R＝0.08，加载频率f=10Hz，此速度与重载车的行驶速度接近。HBSPC疲劳试验结果为：方案Jz的平均寿命32 868；方案Gf1的平均寿命53 780；方案Gf2的平均寿命75471。

从上看出，硅粉HBSPC 的疲劳寿命高于基准HBSPC，说明加入硅粉可以改善HBSPC 的疲劳性能，其中硅粉ⅡHBSPC 的疲劳寿命最高。因此，当硅粉HBSPC 用于重载交通路面时，可以延长路面的使用寿命。

硅粉HBSPC 的孔结构得到改善，匀质性好，密实度和强度大大提高，界面区结构密实，水泥石与集料之间的黏结性得到加强。因此，HBSPC有较好的匀质性，比普通混凝土更接近均质材料，具有更少的缺陷，引发疲劳破坏的疲劳源也就越少，疲劳寿命就更长。

3 结论

（1）硅粉应用于HBSPC 之中，能够提高混凝土的强度，尤其抗折强度更为突出。

（2）硅粉HBSPC 抗脆断性能较普通混凝土及基准HBSPC优良，适用于重载交通道路路面。

（3）硅粉ⅡHBSPC 具有良好的耐久性，其耐磨性，抗冻性及疲劳特性都优于硅粉ⅠHBSPC，可知硅粉Ⅱ在改善混凝土耐久性方面优于硅粉Ⅰ。

（4） 硅粉优化了HBSPC 孔结构，改善了混凝土的匀质性，界面区结构密实，使水泥石与集料之间的黏结性得到加强，硅粉HBSPC 疲劳寿命是基准混凝土的2倍多，适用于重载交通路面。

[1] 顾培英，陈迅捷，葛洪. 高性能混凝土本构关系研究[J].水利水运科学研，1999（3）：241-247.

[2] 徐江萍，金雷，陈国甫.贫混凝土基层材料干燥收缩特性[J].长安大学学报，2003，23（2）：25-27.