利用模擬海砂制備超高性能混凝土的性能研究

孫 堅(jiān)，苗 壯，呂亞軍，席壯民，廖 黨，楊龍賓

(1. 中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通佛山工程有限公司廣州分公司，廣州 510000；2. 河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001；3. 華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大，建筑用砂短缺的矛盾日益突出。河砂作為建筑用砂的主要來源，正面臨著嚴(yán)重過度開采問題。日趨枯竭的河砂資源，不僅造成河道變更、水土流失等惡劣的環(huán)境問題，并導(dǎo)致河砂市場價(jià)格節(jié)節(jié)攀升，建筑成本顯著增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾激化?？焖賹ふ液由百Y源的替代品，緩解建筑市場供需矛盾是目前亟須解決的重要課題。

我國有著長達(dá)18 000 km的海岸線，擁有豐富的海島資源，海砂儲量為1.6萬億t[1-2]。相比于河砂，海砂儲量豐富、取材便捷，可有效解決河砂開采難度高、環(huán)境污染等問題。但海砂中氯鹽成分會腐蝕混凝土中的鋼筋，同時(shí)也存在淡化成本高的問題，這些都限制了海砂在建筑工程中的應(yīng)用。安全經(jīng)濟(jì)地利用資源豐富的未淡化海砂制備混凝土，滿足我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求，是建筑領(lǐng)域迫切解決的問題。

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)具有優(yōu)異的力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度>120 MPa)、致密的孔隙結(jié)構(gòu)和極低的離子滲透性，可以有效隔絕外部空氣、水分、有害離子的入侵，從而為內(nèi)部鋼筋提供很好的保護(hù)，有望廣泛應(yīng)用于海洋、寒冷區(qū)域等惡劣環(huán)境中[3]。本研究探求利用未淡化的海砂和模擬海砂制備UHPC的可行性，采用3.5%的NaCl溶液浸泡河砂得到模擬海砂，將模擬海砂和真實(shí)海砂替代河砂制備出超高性能混凝土(UHPC)，對不同UHPC的流動度、抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測試。旨在尋找河砂的最優(yōu)替代品，緩解目前河砂資源日趨短缺，生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。

1 材料與方法

1.1 原材料

本研究選用P·Ⅱ52.5水泥(河南永安水泥有限責(zé)任公司)、一級粉煤灰(榮昌盛環(huán)保材料廠)、硅灰(洛陽裕民微硅粉有限公司)作為膠凝材料，化學(xué)成分見表1。選用洗凈的粒徑范圍分別為0～0.6 mm、0.6～1.18 mm的天然河砂，青島膠州市附近海域未經(jīng)淡化的天然海砂作為細(xì)骨料，基本性能指標(biāo)見表2。選用江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑作為添加劑，減水率為30%，固含量為30%，同時(shí)加入史尉克公司生產(chǎn)的長度為13 mm、直徑為0.22 mm的鍍銅微鋼纖維，混合水為鄭州市自來水廠供應(yīng)的自來水。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分

表2 河砂與海砂的基本性能

本研究中的模擬海砂是通過將河砂浸泡在模擬海水中制成，模擬海水采用濃度為3.5%的NaCl溶液，各細(xì)骨料的氯離子含量依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3所示。

表3 氯離子含量測試結(jié)果

2 配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

2.1 配合比設(shè)計(jì)

為使超高性能混凝土發(fā)揮最優(yōu)性能，達(dá)到顆粒的緊密堆積是關(guān)鍵所在[4]。根據(jù)修正后的A&A模型對配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。首先，根據(jù)修正的A&A模型確定目標(biāo)曲線(公式(1))，然后通過調(diào)整混凝土中混合物的比例使其組成的粒徑分布曲線接近目標(biāo)曲線，獲得最優(yōu)配合比。各混合物的粒徑分布、目標(biāo)曲線以及擬合曲線如圖1所示。

圖1 混合物的粒徑分布、目標(biāo)曲線以及擬合曲線示意

(1)

式中:

D——顆粒粒徑，μm；

P(D)——粒徑小于D的顆粒百分含量；

Dmax——最大粒徑，μm；

Dmin——最小粒徑，μm；

q——分布模量，取值為0.23。

采用0～0.6 mm以及0.6～1.18 mm兩種粒徑的真實(shí)海砂和模擬海砂替換河砂，替換比例為50%和100%，所得配合比見表4。

表4 UHPC配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2.2 試件制備與養(yǎng)護(hù)

UHPC試件成型：稱取相應(yīng)質(zhì)量的原材料，按照骨料、膠凝材料、鋼纖維的先后順序進(jìn)行加料，加料完成后先干拌3 min，加入水和添加劑后繼續(xù)攪拌6～10 min至拌合物呈現(xiàn)較好的流態(tài)性能。試驗(yàn)研究采用水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌完成后成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件。

養(yǎng)護(hù)制度：所有UHPC試件都先經(jīng)過24 h固化后拆模，放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行7 d和28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

2.3 流動度測試

根據(jù)EN1015-3(無任何震動)進(jìn)行流動度測試，評價(jià)UHPC的工作性能。在試驗(yàn)過程中，將錐體垂直向上提升，允許混合物自由流動。記錄兩個(gè)相互垂直的直徑，計(jì)算兩者平均值作為相對流動度。

2.4 力學(xué)性能

試樣的抗壓強(qiáng)度測定按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行，將混凝土拌合物澆筑在 40 mm×40 mm×160 mm的模具中，固化24 h后進(jìn)行脫模養(yǎng)護(hù)，試塊在溫度20±1 ℃、濕度95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，進(jìn)行測試，每批測試3個(gè)樣品求平均值。

2.5 非穩(wěn)態(tài)氯離子電遷移試驗(yàn)

為了評價(jià)不同UHPC試樣的抗氯離子侵蝕性能，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)》，采用非穩(wěn)態(tài)氯離子快速電遷移試驗(yàn)(Rapid Chloride Migration Method of Concrete，簡稱 RCM)實(shí)現(xiàn)氯離子的快速擴(kuò)散，其原理是利用外加電場的作用力使試件外部的氯離子向試件內(nèi)部遷移。使用氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀(NTB-DAL)進(jìn)行RCM測定，試件為圓柱體，直徑為100 mm，高度為50 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 流動度

模擬海砂和真實(shí)海砂替代河砂所制備的UHPC流動度如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著真實(shí)海砂摻量增加，UHPC拌合物的流動度略微降低，摻入50%和100%的真實(shí)海砂后，流動度相較于基準(zhǔn)組(RS)降低了4.21%和9.47%。模擬海砂替代河砂后，流動度沒有發(fā)生太大的變化，和基準(zhǔn)組幾乎持平。

圖2 UHPC流動度示意

河砂在河水的長期沖刷下，棱角被磨平，顆粒形狀飽滿、圓潤，顆粒間的摩擦阻力較?。缓Ｉ邦w粒棱角性大，會增加水泥漿體與海砂之間的摩擦力，導(dǎo)致漿體流動需要克服較大的阻力[6]，這可能是造成海砂UHPC流動度下降的原因。此外，有文獻(xiàn)指出海砂中的貝殼含量也會造成流動度的降低[7]，因此基準(zhǔn)組具有最好的流動度。模擬海砂與河砂的形態(tài)一致，模擬海砂UHPC的流動度和基準(zhǔn)組幾乎持平。

3.2 抗壓強(qiáng)度

模擬海砂和真實(shí)海砂UHPC 7 d、28 d抗壓強(qiáng)度如圖3所示。模擬海砂UHPC的7 d抗壓強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組略有提升，當(dāng)替換率為50%和100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組高出8.86%和11.31%。模擬海砂UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)組，替換率為50%和100%的模擬海砂28 d抗壓強(qiáng)度降低幅度分別為5.03%和6.85%。

圖3 UHPC 7 d、28 d抗壓強(qiáng)度示意

模擬海砂UHPC早期強(qiáng)度的提高主要是由于氯離子加速水泥水化，在水化初期，摻入適量的氯離子可以起到類似于含氯無機(jī)鹽類早強(qiáng)劑的作用[8]，在已有文獻(xiàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[9]。28 d時(shí)氯離子對強(qiáng)度的促進(jìn)作用不是特別明顯，有學(xué)者指出氯離子的引入會影響水泥水化過程的化學(xué)親和力，從而對水泥的水化產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致UHPC的后期強(qiáng)度有所降低[10]。

真實(shí)海砂UHPC的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均比基準(zhǔn)組高，這可能是由于海砂具有更優(yōu)異的粒徑分布，細(xì)骨料理化性質(zhì)穩(wěn)定，在UHPC中主要起填充作用，合理的粒徑分布有利于UHPC孔隙結(jié)構(gòu)更為致密，提高UHPC的抗壓強(qiáng)度[11]。另一方面，海砂中的氯離子會降低混凝土的后期強(qiáng)度，真實(shí)海砂UHPC的抗壓強(qiáng)度取決于兩者的協(xié)同作用。

3.3 氯離子擴(kuò)散性

28 d UHPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)如圖4所示。在模擬海砂試驗(yàn)中，當(dāng)模擬海砂替換率為50%和100%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為78×10-14m2/s和71×10-14m2/s，相較于基準(zhǔn)組降低了20.4%和27.5%。隨著UHPC中氯離子含量的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)有減小的趨勢，即抗?jié)B性能提高。這與氯離子在UHPC中的存在形式有關(guān)，UHPC可以固化大部分的氯離子[12]，形成沒有危害的氯鹽，這些氯鹽在混凝土的孔隙中結(jié)晶，使UHPC孔徑變小，孔隙率降低，孔隙連通性下降，因此離子的傳輸受阻，氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低。

圖4 UHPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)示意

在真實(shí)海砂試驗(yàn)中，當(dāng)真實(shí)海砂替換率為50%和100%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為70×10-14m2/s和66×10-14m2/s，相較于基準(zhǔn)組降低了28.5%和32.6%。氯離子擴(kuò)散系數(shù)與UHPC孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著真實(shí)海砂的摻入，優(yōu)化了UHPC的孔徑分布，導(dǎo)致更致密的孔隙結(jié)構(gòu)和更高的抗壓強(qiáng)度，因此，相較于基準(zhǔn)組，H50和H100的氯離子擴(kuò)散系數(shù)大幅下降，具有更好的抗氯離子滲透性能。總得來看，無論摻量如何，UHPC均表現(xiàn)出了超強(qiáng)的抗氯離子滲透性，大約是普通混凝土抗氯離子滲透能力的100倍以上，這主要?dú)w功于UHPC致密的微觀結(jié)構(gòu)及基體內(nèi)顯著缺乏自由水[13]。

4 結(jié)語

1) 海砂較大的棱角性和貝殼的存在不利于流動度的發(fā)展，海砂UHPC流動度略低于基準(zhǔn)組，模擬海砂UHPC和基準(zhǔn)組的流動度幾乎持平。

2) 由于氯離子能促進(jìn)水泥早期水化反應(yīng)，起到類似于早強(qiáng)劑的作用，模擬海砂UHPC組的7 d抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)組。但28 d時(shí)，氯離子的促進(jìn)作用不明顯， 模擬海砂UHPC的后期強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組有所降低。

3) 真實(shí)海砂UHPC 7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，合理的粒徑分布促使UHPC孔隙結(jié)構(gòu)更為致密，從而提高UHPC的抗壓強(qiáng)度。

4) UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均保持在一個(gè)非常小的范圍，這主要是歸功于UHPC致密的孔隙結(jié)構(gòu)以及基體內(nèi)缺乏自由水。模擬海砂UHPC和真實(shí)海砂UHPC比基準(zhǔn)組有更低的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，說明合理的粒徑分布和適量氯鹽的存在有利于形成致密的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高UHPC的耐久性。