機(jī)制砂超高性能混凝土力學(xué)性能研究

何 霞 郭江川

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

超高性能混凝土(UHPC)是一種新型的超高強(qiáng)混凝土，具有超高強(qiáng)、低脆性、優(yōu)異的耐久性的特點(diǎn)；是近30年工程材料的一重大跨越，賦予了水泥基材料新的使命，具有低碳環(huán)保，性能優(yōu)異等特點(diǎn)[1-4]。它是由水泥、粉煤灰、礦渣粉、細(xì)集料、硅粉、礦渣粉、高性能減水劑等材料組成，為了改善UHPC的韌性加入鋼纖維。以往的UHPC制作采用的是石英砂和天然河砂，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，天然河砂的大量開采及其應(yīng)用導(dǎo)致了資源匱乏等一系列問題，石英砂的生成工藝較為復(fù)雜且成本較高，機(jī)制砂是石料通過制砂設(shè)備加工而成，石料品種較為豐富，且工藝簡(jiǎn)單，成本較低，因此，采用機(jī)制砂代替石英砂和天然河砂成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[5-7]。

馮滔滔[8]等人采用了機(jī)制砂取代河砂制作超高性能混凝土研究了其沖擊壓縮力學(xué)性能，結(jié)果表明機(jī)制砂代替河砂后，UHPC的抗壓強(qiáng)度與僅用河砂配制的UHPC相近，且機(jī)制砂UHPC具有優(yōu)異的抗沖擊性能，可以承受多次沖擊行為。范金朋[9]等人通過不同種類機(jī)制砂代替河砂制得UHPC，優(yōu)質(zhì)的機(jī)制砂種類有利于改善混凝土性能。李振懷[10]等人采用石灰石和卵石兩種石料制得機(jī)制砂，研制了高強(qiáng)混凝土，研究了機(jī)制砂的石粉含量對(duì)混凝土的性能影響。

本文中筆者采用機(jī)制砂制得UHPC，鋼纖維體積摻量為2%，通過不同的水膠比和砂膠比[11]探究機(jī)制砂超高性能混凝土的力學(xué)性能。

一、實(shí)驗(yàn)

(一)原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積375m2/kg，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范對(duì)水泥進(jìn)行物理性能的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表1.1。硅灰比表面積為2.52×104m2/kg,；礦渣粉表觀密度為2.89g/cm3；粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，表觀密度為2.6g/cm3；機(jī)制砂采用輝綠巖機(jī)制砂(0-1.18)，表觀相對(duì)密度2.923，含水率0.2%，石粉含量3.8%；減水劑為聚羧酸系高性能粉體減水劑；鋼纖維直徑為0.2mm，長(zhǎng)度為13mm。

表1.1 普通硅酸鹽水泥物理性能檢測(cè)

通過大量配合比試驗(yàn)，選取不同砂膠比和水膠比來探討機(jī)制砂超高性能混凝土的工作性和力學(xué)性能，如表1.2。

表1.2 機(jī)制砂UHPC配合比

(二)制備

采用振動(dòng)攪拌機(jī)，首先將制備超高性能混凝土的原材料：水泥、機(jī)制砂、硅灰、粉煤灰、礦渣粉及粉狀減水劑投入振動(dòng)攪拌機(jī)攪拌中干拌120s，將鋼纖維通過篩網(wǎng)均勻篩下，以保證鋼纖維在拌和機(jī)中均勻分散，再次啟動(dòng)振動(dòng)攪拌機(jī)攪拌30s，最后加入將配合比中定量的水并攪拌90s。攪拌結(jié)束后，將超高性能混凝土漿體攪入涂有脫模劑的模具中。將試件蓋上保濕膜放入室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)2d，然后脫模。

(三)養(yǎng)護(hù)

總體來看，民國(guó)時(shí)期公共體育場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)的相關(guān)規(guī)定既有單行法規(guī)也有綜合性法規(guī)，相關(guān)條文對(duì)公共體育場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)的任職條件、薪金待遇、主要的工作職責(zé)等作出了規(guī)定。這些法規(guī)為公共體育場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)的身份提供了法制方面的保障，同時(shí)也是我們認(rèn)識(shí)民國(guó)時(shí)期公共體育場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)這一群體的基礎(chǔ)。

脫模后的試件，分別進(jìn)行三種養(yǎng)護(hù)方式處理(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、85℃恒溫水養(yǎng)、高溫蒸壓養(yǎng)護(hù))，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度為20±2℃，相對(duì)濕度大于95%；恒溫水養(yǎng)為90℃恒溫水浴養(yǎng)護(hù)48h，然后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期；高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)將試件放入高溫蒸養(yǎng)箱然后以不超過15℃/h的速率升溫至90℃，恒溫48h，然后以不大于15℃/h的速率降至室溫,轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

(四)實(shí)驗(yàn)

機(jī)制砂超高性能混凝土的工作性采用坍落擴(kuò)展度來表征，參照《普通混凝土拌合物性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2016)，由于UHPC水膠比較小，在攪拌和實(shí)驗(yàn)過程中盡量減少水分的揮發(fā)，故改為分兩次裝平坍落度桶。

試件養(yǎng)護(hù)至7d、28d進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，機(jī)制砂超高性能混凝土力學(xué)試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

二、結(jié)果與討論

(一)工作性

機(jī)制砂UHPC未摻鋼纖維的坍落擴(kuò)展度為650mm，鋼纖維的加入降低了UHPC的流動(dòng)性。砂膠比為0.95、1.05、1.15的機(jī)制砂UHPC的坍落擴(kuò)展度分別為600mm、580mm、550mm，隨著砂膠比的增加，機(jī)制砂UHPC的流動(dòng)性降低。這主要是因?yàn)殡S著機(jī)制砂用量的增加，比表面積增大，需要更多的膠凝材料和水來裹覆，導(dǎo)致流動(dòng)性下降；機(jī)制砂制備工藝中，機(jī)制砂包含的石粉含量較多，導(dǎo)致漿體粘度較大需水量較大不利于工作性，再加上機(jī)制砂顆粒形貌特性，表面粗糙，不規(guī)則、棱角分明，導(dǎo)致顆粒之間摩擦力較大，也會(huì)導(dǎo)致UHPC的流動(dòng)性下降。在砂膠比1.05的基礎(chǔ)上調(diào)整水膠比分別為0.16、0.18、0.20，可觀察到UHPC的流動(dòng)性隨著水膠比的增大而增加，坍落擴(kuò)展度由540mm增加到610mm，流動(dòng)性得到很大改善。當(dāng)水膠比為0.16成型試件時(shí)漿體流出十分緩慢，需要插搗才能密實(shí)，此配合比可用于預(yù)制件的制備，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工；水膠比增加到0.18時(shí)，UHPC流動(dòng)性有明顯的改善，澆筑試件只需輕微振搗；水膠比0.20時(shí)，漿體順暢流出，成型試件無需人工抹平。

表2.2 恒溫水浴養(yǎng)護(hù)下各組UHPC的力學(xué)性能

(二)抗壓強(qiáng)度

如表2.1、2.2、2.3可知，鋼纖維的摻入大幅度的提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度，主要是鋼纖維在混凝土中起橋接作用，形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抑制裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，消耗更多斷裂能，進(jìn)而提高抗壓強(qiáng)度。機(jī)制砂UHPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下7d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到120MPa左右，而高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)和恒溫水浴養(yǎng)護(hù)的7d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到145MPa左右，提高了20.8%。兩種熱養(yǎng)護(hù)相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，均可以提高機(jī)制砂UHPC的抗壓強(qiáng)度，其效果相當(dāng)，主要是因?yàn)楦邷卣魤吼B(yǎng)護(hù)與恒溫水浴養(yǎng)護(hù)作用原理相似，兩種熱養(yǎng)護(hù)都能促進(jìn)早期水化過程的進(jìn)行，且抑制混凝土內(nèi)部水分的逸出，建立高溫、高濕的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，水化反應(yīng)越劇烈，水化進(jìn)程也加快，且溫度越高水泥及摻合料的活性越大，會(huì)加速礦物摻合料與水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)，使UHPC內(nèi)部形成較為致密的C-S-H框架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)摻合料的火山灰效應(yīng)，使混凝土基體更加致密，進(jìn)而顯著提高抗壓強(qiáng)度。在抗壓試驗(yàn)過程中，不同養(yǎng)護(hù)制度的UHPC試件在破壞時(shí)的聲音也不同，兩種熱養(yǎng)護(hù)的UHPC試件在破壞時(shí)伴隨著明顯“嘣”的炸裂聲，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的UHPC試件在受壓破壞時(shí)，只有輕微的鋼纖維在內(nèi)部受力的拉扯開裂聲。這也變相的反映了熱養(yǎng)護(hù)使機(jī)制砂UHPC基體內(nèi)部更為致密，水化產(chǎn)物之間粘結(jié)力更強(qiáng)。

表2.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下各組UHPC的力學(xué)性能

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的抗壓強(qiáng)度比7d齡期的提升20.1%，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d水化反應(yīng)不完全，28d齡期中持續(xù)水化反應(yīng)，使UHPC試件更致密。高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)和恒溫水浴養(yǎng)護(hù)的28d抗壓強(qiáng)度比7d的抗壓強(qiáng)度增加較少，是因?yàn)閮煞N熱養(yǎng)護(hù)對(duì)機(jī)制砂UHPC的提供了高溫、高濕、高壓的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，促使UHPC水化反應(yīng)迅速，使早期水化進(jìn)程較為完全，水化反應(yīng)消耗大量的水，所剩游離自由水較少，且生成的水化產(chǎn)物阻礙了自由水的運(yùn)動(dòng)，所以UHPC得后期抗壓強(qiáng)度增加的較緩。

由圖2.1為機(jī)制砂UHPC不同砂膠比的抗壓強(qiáng)度，在三種養(yǎng)護(hù)制度下，抗壓強(qiáng)度隨著砂膠比的增大先增加后減少。砂膠比1.05在高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)7d抗壓強(qiáng)度為142.4MPa，砂膠比1.15的7d抗壓強(qiáng)度為156.4MPa，砂膠比0.95抗壓強(qiáng)度小，膠凝材料裹覆機(jī)制砂有富余，收縮較大，收縮引起缺陷導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度不高，而砂膠比1.05的UHPC抗壓強(qiáng)度增大是因?yàn)闄C(jī)制砂顆粒粗糙、棱角分明，具有較高的機(jī)械咬合力，顆粒之間有較大摩擦力，膠凝材料與機(jī)制砂的裹覆附著力更強(qiáng)，砂膠比增大為1.15時(shí)抗壓強(qiáng)度減小，膠凝材料不能完全裹覆骨料，機(jī)制砂之間的空隙無法得到填充，導(dǎo)致膠凝材料與骨料的界面變?nèi)?，且砂膠比增大，需水量也增加，導(dǎo)致流動(dòng)性差，試件成型過程中產(chǎn)生缺陷較多。

圖2.1 不停砂膠比機(jī)制砂UHPC抗壓強(qiáng)度

圖2.2為機(jī)制砂UHPC不同水膠比的抗壓強(qiáng)度，在三種養(yǎng)護(hù)制度下，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的先增大后減小。水膠比較小時(shí)，UHPC的流動(dòng)性較小，再加上機(jī)制砂顆粒粗糙特性，沒有石英砂的，混凝土在成型過程中，密實(shí)不完全，出現(xiàn)空洞缺陷導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，當(dāng)水膠比過大時(shí)，會(huì)影響C-S-H凝膠的強(qiáng)度，進(jìn)而影響UHPC的強(qiáng)度，所以當(dāng)水膠比為0.16和0.18時(shí)，機(jī)制砂UHPC的抗壓強(qiáng)度差別不大。

圖2.2 不同水膠比機(jī)制砂UHPC抗壓強(qiáng)度

(三)抗折強(qiáng)度

由表2.3，分析可得，加入2%體積摻量的鋼纖維使機(jī)制砂UHPC在高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)下抗折強(qiáng)度比未摻鋼纖維提高了123.2%，達(dá)到了26.13MPa。試件在受到荷載的作用，開始發(fā)生緩慢變形，隨著荷載的增加，抗折試件在跨中區(qū)域開始出現(xiàn)裂縫。隨著實(shí)驗(yàn)過程的繼續(xù)，試件的裂紋寬度變大，并不斷的伴隨著纖維拔出的聲音。鋼纖維在UHPC中形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過界面效應(yīng)吸收更多斷裂能來增強(qiáng)增韌UHPC。從抗折實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的機(jī)制砂UHPC比兩種熱養(yǎng)護(hù)的7d抗折強(qiáng)度要低，只有21MPa左右，而其他兩種熱養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度高達(dá)26MPa。原因是養(yǎng)護(hù)制度不同，UHPC水化程度不同，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的水化反應(yīng)較緩慢，水化生成C-S-H凝膠較少，導(dǎo)致纖維與基體界面粘結(jié)力較低，纖維發(fā)揮增韌作用較小，而兩種熱養(yǎng)護(hù)促進(jìn)了水化進(jìn)程，UHPC基體內(nèi)部更為致密，生成的C-S-H凝膠更更多、為致密，缺陷較少，纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度高，纖維脫粘、纖維橋接、纖維拔出、纖維斷裂等過程吸收更多能量達(dá)到增韌的目的。

表2.3 高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)下各組UHPC的力學(xué)性能

圖2.3是不同砂膠比，機(jī)制砂UHPC抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)，從三種不同養(yǎng)護(hù)制度的抗折強(qiáng)度可知，隨著砂膠比增加機(jī)制砂UHPC抗折強(qiáng)度先增大后減小。砂膠比0.95在高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)下7d抗折強(qiáng)度25.85MPa，而砂膠比1.05機(jī)制砂UHPC7d抗折強(qiáng)度26.92MPa，由于砂膠比為0.95時(shí)膠凝材料裹覆集料有富余，導(dǎo)致水化過程中收縮較大，引起機(jī)制砂UHPC基體內(nèi)部缺陷，形成微裂紋，所以比砂膠比1.05的抗折強(qiáng)度低。當(dāng)砂膠比增加到1.15時(shí)，抗折強(qiáng)度下降到25.15MPa，由于砂膠比的增大，機(jī)制砂摻量增多，集料之間的空隙增加，機(jī)制砂的比表面積增大，需要更多的膠凝材料來填充空隙和裹覆。當(dāng)膠凝材料無法填充空隙和裹覆集料時(shí)，會(huì)影響UHPC的工作性，導(dǎo)致其流動(dòng)性下降，UHPC成型過程中無法自動(dòng)密實(shí)。當(dāng)砂膠比高，膠凝材料無法完全裹覆集料，使C-S-H凝膠與骨料界面區(qū)和C-S-H與鋼纖維界面區(qū)薄弱，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

圖2.3 不同砂膠比機(jī)制砂UHPC抗折強(qiáng)度

水膠比對(duì)機(jī)制砂UHPC抗折強(qiáng)度的影響，在三種養(yǎng)護(hù)制度下，機(jī)制砂UHPC的抗折強(qiáng)度隨著水膠比增大先增大后減小。當(dāng)水膠比為0.16時(shí)，UHPC的流動(dòng)性不足，成型過程中基體內(nèi)部無法密實(shí)，內(nèi)部氣泡無法排除，容易出現(xiàn)孔洞形成缺陷，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低；當(dāng)水膠比0.18時(shí)，機(jī)制砂UHPC的抗折強(qiáng)度達(dá)到了最高，高溫水浴養(yǎng)護(hù)抗折強(qiáng)度達(dá)到了29.23MPa，且工作性也較好；當(dāng)水膠比增加到0.20時(shí)，流動(dòng)性得到了很大的改善，但是用水量增加，會(huì)降低水化硅酸鈣的強(qiáng)度，且在水化過程水被消耗留下孔洞，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低。

(四)劈裂抗拉

從機(jī)制砂UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果分析，可得出劈裂抗拉強(qiáng)度的規(guī)律基本與抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度相似，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)和高溫水浴養(yǎng)護(hù)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的劈裂抗拉強(qiáng)度提升的更多，主要是兩種熱養(yǎng)護(hù)方式能促進(jìn)其水化反應(yīng)，能促進(jìn)硅灰等摻合料的火山灰效應(yīng)，強(qiáng)度提升快；其中砂膠比為1.05和水膠比為0.18時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，在高溫水養(yǎng)制度下7d、28d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為15.64MPa、15.81MPa，比未摻鋼纖維7d、28d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了109.7%、106.7%，過高過低的砂膠比和水膠比都會(huì)對(duì)機(jī)制砂UHPC強(qiáng)度造成不良的影響，所以選擇合適的砂膠比和水膠比能使機(jī)制砂UHPC的工作性和力學(xué)性能達(dá)到最佳。

三、結(jié)論

(1)機(jī)制砂UHPC在三種不同的養(yǎng)護(hù)制度下，水化進(jìn)程各有不同，兩種高溫養(yǎng)護(hù)方式能提供高溫高濕高壓的環(huán)境，能促進(jìn)硅灰、粉煤灰等摻合料的火山灰效應(yīng)，形成二次水化，使UHPC強(qiáng)度提升較快。

(2)機(jī)制砂UHPC在鋼纖維的加入，大幅度的提升了其力學(xué)性能，尤其是抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度，鋼纖維在UHPC基體內(nèi)形成纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，消耗更多能量起到增強(qiáng)增韌的作用。

(3)增大機(jī)制砂UHPC的水膠比時(shí)，會(huì)導(dǎo)致UHPC的流動(dòng)性呈線性增加，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著水膠比的增大，先增加而減小，主要因?yàn)檫^低水膠比會(huì)導(dǎo)致UHPC流動(dòng)性較差，無法填充密實(shí)，微結(jié)構(gòu)中留有大量氣孔等缺陷；過高的水膠比會(huì)導(dǎo)致C-S-H凝膠強(qiáng)度降低，所以本文試驗(yàn)研究得出水膠比為0.18時(shí)，有較好的工作性和力學(xué)性能。

(4)機(jī)制砂UHPC的砂膠比對(duì)其工作性和力學(xué)性能都有較大的影響，當(dāng)砂膠比較小時(shí)，水泥膠漿裹覆砂料后富余過多會(huì)導(dǎo)致UHPC收縮，過高的砂膠比水泥膠漿裹覆不足導(dǎo)致C-S-H凝膠與細(xì)骨料界面薄弱，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。所以本文試驗(yàn)研究得出砂膠比為1.05時(shí)，有較好的工作性和力學(xué)性能。