石粉含量與鋼纖維長度對機(jī)制砂超高性能混凝土性能的影響

王 劍，李北星，楊建波

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.湖北長江路橋股份有限公司，武漢 430077)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一種性能優(yōu)良的水泥基復(fù)合材料，主要由水泥等膠凝基質(zhì)、微細(xì)石英砂、纖維材料和高效減水劑等組成，具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性三大特點[1]。常規(guī)UHPC中的集料一般僅采用粒徑小于1.18 mm的級配石英砂，但這也帶來了很多負(fù)面影響，如材料成本高，拌合工藝復(fù)雜且粘度大泵送難等[2]。因此，采用機(jī)制砂替代石英砂是一項值得研究的課題。

目前文獻(xiàn)中關(guān)于采用機(jī)制砂制備UHPC的研究較少：Kay等[3]采用粒徑小于1.2 mm的花崗巖、石灰?guī)r、火山巖機(jī)制砂制備出了經(jīng)濟(jì)性UHPC；丁慶軍等[4]對比研究了石英砂、河砂和機(jī)制砂配制的UHPC工作性能和力學(xué)性能，得出石英砂UHPC綜合性能最優(yōu)，機(jī)制砂UHPC最差；江曉君等[5]研究了機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)與分布模數(shù)對RPC抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)度模數(shù)3.0且顆粒級配分布模數(shù)n值為0.37時的強(qiáng)度最高；Yang等[6]研究了機(jī)制砂替代河砂10%～50%配制的UHPC性能，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂的加入降低了流動性，提高了抗壓強(qiáng)度和自收縮，尤其是機(jī)制砂中粒徑小于125 μm的粉體含量的不利影響應(yīng)該引起足夠重視。

在研究不同鋼纖維對UHPC性能影響方面，Wu等[7]進(jìn)行了短、長鋼纖維(6 mm、13 mm)混雜對UHPC抗壓強(qiáng)度影響的試驗，結(jié)果表明當(dāng)鋼纖維總體積摻量保持2%不變時，隨著短纖維體積摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)1.5%的長纖維與0.5%的短纖維混雜時，UHPC的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最大。謝林兵[8]選用直鋼纖維和端鉤形鋼纖維，配制了總體積摻量為2%的混雜纖維UHPC，結(jié)果表明當(dāng)1%的直纖維和1%的端鉤纖維混雜時，UHPC的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大。李傳習(xí)等[9]的研究表明，隨著鋼纖維長徑比的增大(體積摻量保持2.5%不變)，UHPC擴(kuò)展度呈下降趨勢，抗壓、抗折強(qiáng)度隨長徑比增大皆逐漸增大。

本文針對機(jī)制砂富含石粉和顆粒表面粗糙的特性，研究了石粉含量對機(jī)制砂UHPC的工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量的影響，并與河砂UHPC進(jìn)行了對比；在此基礎(chǔ)上，研究了3種不同長度的鋼纖維及其2種不同尺度纖維的組合對機(jī)制砂UHPC工作性能與力學(xué)性能的影響，以期獲得利用機(jī)制砂制備UHPC的關(guān)鍵配合比參數(shù)和基本性能特點。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積371 m2/kg，表觀密度3.14 g/cm3；超細(xì)礦渣粉：比表面積708 m2/kg，表觀密度2.96 g/cm3；硅灰：比表面積為22.4 m2/g，平均粒徑0.2 μm，表觀密度2.15 g/cm3。原材料化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of the raw materials /%

河砂：2區(qū)中砂，粒徑<4.75 mm，細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量0.9%，泥塊含量0.5%，表觀密度2.63 g/cm3；機(jī)制砂：花崗巖機(jī)制砂，2區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.86，壓碎指標(biāo)19%，石粉含量4%，MB值0.5，表觀密度2.72 g/cm3，兩種砂的級配曲線見圖1、圖2；石粉：花崗巖石粉，粒徑小于75 μm，用5～10 mm花崗巖機(jī)制砂在球磨機(jī)中粉磨30 min制得，比表面積326.4 m2/kg。

圖1 河砂級配曲線Fig.1 River sand gradation curves

圖2 機(jī)制砂級配曲線Fig.2 Manufactured sand gradation curves

鍍銅鋼纖維：有三種尺度，抗拉強(qiáng)度均為2 850 MPa。其一為長度8 mm、直徑0.25 mm的平直形短鋼纖維，長徑比32；其二為長度13 mm、直徑0.20 mm的平直型中長鋼纖維，長徑比65；其三為長度20 mm、直徑0.30 mm的端鉤形長鋼纖維，長徑比67。

外加劑：聚羧酸高性能減水劑母液，固含量40%，減水率大于35%。

1.2 配合比

表2是河砂(RS)與不同石粉含量的花崗巖機(jī)制砂(MS)作為細(xì)集料配制的超高性能混凝土的配合比，選用13 mm鋼纖維，體積摻量為2%，水膠比均固定為0.19。MS后綴數(shù)字代表石粉含量。

表2 機(jī)制砂UHPC配合比Table 2 Mixing ratio of manufactured sand UHPC /(kg/m3)

表3是5組摻不同尺度鋼纖維的機(jī)制砂UHPC配合比，機(jī)制砂石粉含量10%，鋼纖維總體積摻量固定2%，水膠比固定0.19。鋼纖維長度及長短組合分別為：8 mm短鋼纖維(S2)、13 mm中長鋼纖維(M2)、20 mm長鋼纖維(L2)、8 mm和13 mm鋼纖維各摻1%(S1M1)、13 mm和20 mm鋼纖維各摻1%(M1L1)。

表3 摻不同尺度鋼纖維機(jī)制砂UHPC配合比Table 3 Mixing ratio of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber /(kg/m3)

1.3 試驗方法

混凝土拌和：將各種原材料、減水劑、水按照所需質(zhì)量稱好，然后將膠凝材料與骨料倒入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)干拌1 min，待干拌結(jié)束后，再將減水劑與水一同加入攪拌機(jī)中繼續(xù)拌和5 min至流態(tài)，最后在攪拌狀態(tài)下將鋼纖維均勻地撒入攪拌機(jī)內(nèi)，繼續(xù)攪拌2 min，使鋼纖維充分分散均勻。

混凝土力學(xué)性能試驗：抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm、100 mm×100 mm×300 mm，混凝土試件成型后在其表面覆蓋薄膜，置于(20±2) ℃條件下靜置24 h拆模，拆模后將試件放入(20±2) ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行力學(xué)性能測試。UHPC強(qiáng)度與彈性模量測試方法參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，抗壓強(qiáng)度試驗加載速率0.8～1.0 MPa/s，抗彎拉強(qiáng)度加載速率0.08～0.1 MPa/s，彈性模量加載速率0.8～1.0 MPa/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉含量對機(jī)制砂UHPC工作性能與力學(xué)性能的影響

2.1.1 工作性能

圖3為河砂UHPC和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC的拌合物坍落擴(kuò)展度試驗結(jié)果?？梢钥闯?，相同減水劑摻量下，MS-5機(jī)制砂UHPC的擴(kuò)展度較河砂UHPC降低15.5%。這主要歸結(jié)于機(jī)制砂的顆粒表面特性和機(jī)制砂粒度分布[10]。首先，機(jī)制砂顆粒表面粗糙且棱角性強(qiáng)，漿體與機(jī)制砂之間內(nèi)摩擦力的增大導(dǎo)致UHPC拌合物坍落流動時需要克服更大的摩阻力；其次，機(jī)制砂中包含更多的細(xì)粉狀顆粒，能吸附更多的自由水而降低流動性。對比5組不同石粉含量機(jī)制砂UHPC的擴(kuò)展度可以發(fā)現(xiàn)，隨著石粉含量增大，UHPC達(dá)到一定流動度所需的減水劑摻量隨之增加。當(dāng)機(jī)制砂石粉含量由5%增至10%時，減水劑摻量由2.2%增加至2.4%，UHPC擴(kuò)展度由600 mm增至650 mm，維持較好流動性所增加的減水劑摻量不大。而當(dāng)石粉含量增至超過10%后，即使減水劑摻量繼續(xù)增加，UHPC擴(kuò)展度也難以提升，15%石粉含量時相較于10%時的擴(kuò)展度降低23%。機(jī)制砂石粉含量越高，包裹砂石粉的用水量愈多[11]，從而需要額外加入更多的水或減水劑來達(dá)到相同的流動性。

圖3 河砂和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC的擴(kuò)展度 及減水劑摻量Fig.3 Slump flow and amount of water reducing agent of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone powder content

2.1.2 抗壓強(qiáng)度

圖4為河砂UHPC和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果。從圖4可以看出，隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂UHPC的7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，石粉含量12%時抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，28 d抗壓強(qiáng)度為154 MPa。這是由于石粉依靠其粒度較小的優(yōu)勢填充于UHPC中不規(guī)則機(jī)制砂顆粒間的空隙，起微集料填充作用，但當(dāng)石粉含量增加到一個極限值時，石粉含量的繼續(xù)增大會破壞UHPC的最緊密堆積結(jié)構(gòu)，使混凝土強(qiáng)度降低[6,11]。與河砂UHPC相比，石粉含量5%和7%的機(jī)制砂UHPC的抗壓強(qiáng)度有所降低，28 d抗壓強(qiáng)度降低幅度分別為11.7%、5.5%，而石粉含量10%、12%和15%的機(jī)制砂UHPC的抗壓強(qiáng)度有所增加，28 d抗壓強(qiáng)度增加幅度分別為14.8%、20.3%和7.8%。機(jī)制砂對UHPC的強(qiáng)度的影響可以從以下幾方面進(jìn)行分析：(1)機(jī)制砂的不規(guī)則粒形和不良級配不利于UHPC的顆粒堆積，當(dāng)機(jī)制砂石粉含量較低時不足以通過其填充作用使UHPC達(dá)到最緊密堆積，因此低石粉含量的機(jī)制砂UHPC抗壓強(qiáng)度較河砂UHPC降低；(2)與河砂相比，機(jī)制砂顆粒的粗糙表面和多棱角特性，有助于增加漿體-骨料之間的黏結(jié)力及機(jī)制砂顆粒之間的咬合力，從而提高UHPC抗外力能力；(3)機(jī)制砂中存在的石粉能吸收部分自由水而降低UHPC膠凝材料系統(tǒng)的水膠比，進(jìn)一步增加UHPC的抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)石粉含量過高時，UHPC拌合物因流動性變差、粘滯性過高而導(dǎo)致成型不密實，對強(qiáng)度會產(chǎn)生不利影響。

圖4 河砂和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone power content

2.1.3 抗彎拉強(qiáng)度

圖5為河砂UHPC和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC的7 d和28 d抗彎拉強(qiáng)度結(jié)果?？梢钥闯觯S著石粉含量的增加，機(jī)制砂UHPC的7 d抗彎拉強(qiáng)度和28 d抗彎拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在含量為10%時抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大，28 d齡期為25.4 MPa。與抗壓強(qiáng)度規(guī)律相似，石粉含量5%和7%的機(jī)制砂UHPC的抗彎拉強(qiáng)度略低于河砂UHPC，石粉含量10%、12%和15%的機(jī)制砂UHPC的抗彎拉強(qiáng)度高于河砂UHPC，其中石粉含量10%的機(jī)制砂28 d抗彎拉強(qiáng)度相比河砂UHPC增加了22.1%。

圖5 河砂和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC抗彎拉強(qiáng)度Fig.5 Flexural tensile strength of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone powder content

2.1.4 靜力受壓彈性模量

圖6為河砂UHPC和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC的28 d靜力受壓彈性模量結(jié)果。彈性模量與集料的強(qiáng)度、粒徑與含量均有一定關(guān)系。從圖中可以看到，隨石粉含量的增加，彈性模量呈先增加后減少的趨勢，與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢相同。石粉含量5%、7%的機(jī)制砂UHPC彈性模量均小于河砂UHPC彈性模量，這是由于石粉含量不足導(dǎo)致UHPC強(qiáng)度偏低，對彈性模量產(chǎn)生了不良影響。石粉含量在12%時的彈性模量最大，其值為45.3 GPa，相比河砂UHPC提高了7.1%。石粉含量繼續(xù)增大后，彈性模量開始減小，15%摻量時僅為42.8 GPa，相比12%摻量時下降了5.5%，相比河砂UHPC僅提高了1.2%，這是由于石粉含量過大時，在混凝土中起到了一種惰性填料的作用[12]，過于豐富了混凝土的漿體含量，降低了混凝土的骨漿比，從而降低了混凝土的彈性模量。

圖6 河砂和不同石粉含量機(jī)制砂UHPC彈性模量Fig.6 Elastic modulus of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone powder content

2.2 纖維混雜對機(jī)制砂UHPC工作性能與力學(xué)性能的影響

2.2.1 工作性能

圖7顯示了3種不同長度鋼纖維和2種不同尺度纖維組合制備的機(jī)制砂UHPC拌合物的坍落擴(kuò)展度試驗結(jié)果。對比S2、M2和L2 不同長度鋼纖維UHPC的擴(kuò)展度可以看出，隨鋼纖維長度的增加，減水劑摻量即使增大，混凝土的擴(kuò)展度依然在下降。這是由于加入UHPC基體中的鋼纖維長度越長，鋼纖維越易纏繞結(jié)團(tuán)，鋼纖維的“骨架”作用越明顯，這種“骨架”作用對纖維在基體中的分散有不利作用，阻礙了混凝土的流動。另外，雖然M2與L2鋼纖維長徑比差別不大，二者摻量相同時M2纖維數(shù)量多，但L2長纖維端部的端鉤增強(qiáng)了纖維間的機(jī)械咬合力，增大了纖維之間的摩擦力，從而使UHPC流動性下降。與M2、L2單摻纖維UHPC相比，S1M1、M1L1兩種纖維組合UHPC的減水劑摻量有所降低且擴(kuò)展度均有增加，這是由于S1M1、M1L1相較于M2、L2分別減少了一半數(shù)量的較長鋼纖維，從而在一定程度上改善了混凝土的拌合物狀態(tài)和均勻性。

圖7 摻不同尺度鋼纖維機(jī)制砂UHPC擴(kuò)展度及減水劑摻量Fig.7 Slump flow and amount of water reducing agent of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

圖8是3種不同長度鋼纖維和2種不同尺寸纖維組合制備的機(jī)制砂UHPC的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果。纖維長度分別為20 mm和13 mm的L2、M2混凝土抗壓強(qiáng)度差別不大，而纖維長度為8 mm的S2混凝土抗壓強(qiáng)度比L2和M2混凝土要低得多，這可能是因為S2的鋼纖維長徑比偏小，對基體起到的增強(qiáng)作用小，受外力荷載時抑制裂縫擴(kuò)展的能力有限[13]。另外，與L2和M2混凝土相比，1%的中長鋼纖維和1%的長鋼纖維混雜的M1L1混凝土28 d抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了158 MPa，表明兩種鋼纖維的復(fù)摻比單摻效果更好。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為M1L1混凝土中較長的13 mm平直鋼纖維與更長的20 mm端勾鋼纖維組合后隨機(jī)分散到混凝土內(nèi)部，當(dāng)混凝土受壓產(chǎn)生膨脹變形時會受到兩種不同形狀、不同長短的鋼纖維的拉結(jié)約束，間接起到了提高抗壓強(qiáng)度的效果。

圖8 摻不同尺度鋼纖維機(jī)制砂UHPC抗壓強(qiáng)度Fig.8 Compressive strength of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

2.2.3 抗彎拉強(qiáng)度

圖9顯示了3種不同長度鋼纖維和2種不同尺寸纖維組合制備的機(jī)制砂UHPC的7 d和28 d抗彎拉強(qiáng)度結(jié)果。從圖9可以看到抗彎拉強(qiáng)度最高一組是M1L1，其中28 d抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到28.1 MPa，相較于M2提高了10.6%，相較于L2提高了5.2%，這是因為當(dāng)兩種纖維混摻時能充分發(fā)揮兩種纖維各自的性能，在外加荷載作用下，微小裂縫逐漸變?yōu)楹暧^裂縫，長度13 mm的細(xì)直纖維對UHPC基體的微小裂縫有很強(qiáng)的抑制作用，而在裂縫寬度逐漸擴(kuò)大后，細(xì)直纖維逐漸被拔出而失去效果，此時長度20 mm長粗端鉤纖維因為其較長較粗，且兩端有錨固效果，其橋接作用越來越強(qiáng)，能有效地抑制宏觀裂縫的發(fā)展。同時，20 mm端鉤纖維可以視為13 mm直纖維的虛邊界，可相對抵抗直纖維的旋轉(zhuǎn)，13 mm直纖維也可以反過來制約20 mm長端鉤纖維的旋轉(zhuǎn)并進(jìn)一步提高長端鉤纖維的邊壁效應(yīng)，從而使更多的鋼纖維分布在平行于彎曲試驗中力的方向，所以兩種鋼纖維在彎曲全過程都發(fā)揮作用[8]。單一纖維因為其在彎曲過程中某一階段所能發(fā)揮的作用有限，所以增強(qiáng)效果會比混摻時差。對比S2、S1M1、M2三組混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，M2表現(xiàn)最佳，其次是S1M1，最差是S2，且S1M1沒有顯示出二種不同尺度纖維的混雜效應(yīng)。這主要是因為相同鋼纖維摻量下，8 mm的短鋼纖維的長徑比為32，長徑比過小使得纖維的利用率低，在外加荷載作用下隨著荷載不斷加大，短鋼纖維被拔出而逐漸失效，增強(qiáng)作用有限。而13 mm鋼纖維長徑比恰當(dāng)，橋接作用最為明顯，能夠最有效地抑制宏觀裂縫的發(fā)展，從而顯著提高UHPC的抗彎拉強(qiáng)度。

圖9 摻不同尺度鋼纖維機(jī)制砂UHPC抗彎拉強(qiáng)度Fig.9 Flexural tensile strength of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

2.2.4 靜力受壓彈性模量

圖10顯示了3種不同長度鋼纖維和2種不同尺寸纖維組合制備的機(jī)制砂UHPC 28 d靜力受壓彈性模量結(jié)果。彈性模量從大到小依次是M1L1、L2、M2、S1M1、S2。這與上述抗壓強(qiáng)度趨勢基本一致。這是因為在纖維混凝土中，彈性模量與鋼纖維的強(qiáng)度、長徑比有很大關(guān)系。三種不同長度的鋼纖維抗拉強(qiáng)度一致，但長徑比不同，8 mm平直型鋼纖維長徑比為32，13 mm平直型鋼纖維長徑比為65，20 mm端鉤形鋼纖維長徑比為67。長徑比大的13 mm、20 mm鋼纖維在混凝土的受力破壞過程中能吸收大量能量，相比8 mm鋼纖維起到了更好的加筋補(bǔ)強(qiáng)作用，間接地提高了混凝土抗壓強(qiáng)度，使混凝土開裂前后的形態(tài)發(fā)生根本性變化，從而改善了混凝土的變形性能[14]。

圖10 摻不同尺度鋼纖維機(jī)制砂UHPC彈性模量Fig.10 Elastic modulus of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

3 結(jié) 論

(1)機(jī)制砂由于顆粒表面粗糙、多棱角及含有石粉微細(xì)顆粒的特性，致使機(jī)制砂UHPC的流動性低于河砂UHPC，并隨石粉含量的增加而降低，尤其是當(dāng)石粉含量超過10%后，機(jī)制砂UHPC流動性降低顯著。

(2)機(jī)制砂石粉含量對UHPC力學(xué)性能有顯著影響。機(jī)制砂UHPC的力學(xué)性能隨石粉含量增加呈先增后降趨勢，其中石粉含量12%的機(jī)制砂UHPC抗壓強(qiáng)度、彈性模量最高，石粉含量10%的機(jī)制砂UHPC抗彎拉強(qiáng)度最高。在相同水膠比下，機(jī)制砂石粉含量<10%時，機(jī)制砂UHPC力學(xué)性能較河砂UHPC略低；石粉含量≥10%時，機(jī)制砂UHPC力學(xué)性能優(yōu)于河砂UHPC，但當(dāng)石粉含量高達(dá)15%時，機(jī)制砂UHPC的力學(xué)性能與河砂UHPC差別不大。綜合機(jī)制砂石粉含量對UHPC工作性能與力學(xué)性能的影響結(jié)果，本研究的機(jī)制砂UHPC最佳石粉含量為10%。

(3)鋼纖維長度及其不同長度鋼纖維組合對機(jī)制砂UHPC工作性能和力學(xué)性能有較大影響。在鋼纖維總體積摻量2%不變情況下，隨著纖維長度的增加，機(jī)制砂UHPC的流動性下降，抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量均呈增大趨勢；1%的長度13 mm平直鋼纖維和1%的長度20 mm端勾鋼纖維混雜時，機(jī)制砂UHPC的各項力學(xué)性能最佳。