超高性能海水海砂混凝土性能的影響因素試驗研究

朱德舉，李龍飛，郭帥成

（1.湖南大學(xué) 綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南長沙，410082；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙，410082）

我國建筑用砂主要來源于河砂，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，建筑用砂的需求量也將持續(xù)增加.目前，中國砂石產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的35%，預(yù)計2030 年可達(dá)2.5×1010t［1］.我國將面臨河砂枯竭的困境，因此迫切需要找到河砂的替代品.據(jù)不完全統(tǒng)計，中國海砂資源約2×109t，開采條件良好［2］.另外，沿海地區(qū)具有豐富的海水資源，如果能利用海水和海砂替代淡水和河砂制備混凝土，這將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益.近年來已有利用海砂替代河砂制備混凝土方面的研究，發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土中鋼筋會加速銹蝕［3］，而且其氯離子結(jié)合能力、抗氯離子擴(kuò)散能力、干燥收縮等會顯著影響工程結(jié)構(gòu)的耐久性.眾所周知，超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）具有超高強度、優(yōu)良韌性［4］的同時，還具有均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的抗?jié)B性能，這有助于抵抗海水的腐蝕和制約鋼筋的銹蝕等.采用海水海砂代替淡水石英砂制備UHPC，將有效避免淡水資源的消耗以及河砂資源開采造成的河床環(huán)境破壞，產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益，將促進(jìn)UHPC在沿海地區(qū)的推廣使用.

倪博文等［5］研究了纖維對海砂超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼纖維體積摻量為1.5%時，其具備較高的抗壓和抗折強度.王越洋等［6］提出了不同海砂顆粒級配對UHPC 性能影響不一的觀點，結(jié)果表明：0.00～0.15 mm 粒徑段海砂加劇流動度損失；0.15～0.30 mm 粒徑段海砂有利于提高抗壓強度；0.60～1.18 mm 粒徑段海砂對抗壓強度和抗折強度均不利.Li 等［7］發(fā)現(xiàn)海水增強了水泥和礦渣的早期強度發(fā)展以及礦渣的水化過程.Teng 等［8］已制備出了強度達(dá)180 MPa 的UHPSSC，并得出了海水和海砂的使用會小幅降低UHPSSC 的和易性、密度和彈性模量，對早期強度有一定的提高，但7 d 及以上齡期的強度會略有下降的結(jié)論.此外，已有學(xué)者使用河砂［9］、回收的碎玻璃［10］、鐵尾礦［11］、重金石［12］、花崗巖［13］和銅渣［14］等制備UHPC.大量研究結(jié)果表明在UHPC 中摻入纖維，可顯著提高混凝土的韌性和延性［15］，其性能與纖維摻量、彈性模量、斷裂強度等力學(xué)性能及纖維表面特性有直接關(guān)系［16-17］.本研究使用原狀海砂和人工海水制備UHPSSC，采用正交設(shè)計，系統(tǒng)分析了水膠比、砂膠率、硅灰摻量和粉煤灰摻量對UHPSSC 流動度、抗折強度和抗壓強度的影響，并研究了短切聚丙烯纖維（Polypropylene Fiber，PPF）、聚乙烯醇纖維（Polyvinyl Alcohol Fiber，PVAF）、玄武巖纖維（Basalt Fiber，BF）、耐堿玻璃纖維（Alkali Resistant Glass Fiber，ARGF）、超高分子量聚乙烯纖維（Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber，UHMWPEF）及鋼纖維（Steel Fiber，SF）對UHPSSC 在80 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h 后抗折強度和抗壓強度的影響.

1 試驗測試

1.1 試件制備

采用“南方牌”P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥；硅灰SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97% 以上，比表面積大于18 000 m2∕kg；粉煤灰為普通Ⅱ級粉煤灰；膠凝材料的主要化學(xué)成分如表1 所示；海砂取自山東青島，堆積密度為1 460 kg∕m3，表觀密度2 610 kg∕m3，壓碎值3.1%，含泥量1.6%，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%，硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%，貝殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.85%，篩出粒徑1.18 mm 以下的顆粒，級配如表2 所示；人工海水根據(jù)美國ASTM D-14 標(biāo)準(zhǔn)配制，成分如表3 所示；減水劑為西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑，性能指標(biāo)如表4所示；短切纖維性能如表5所示.

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical composition of cementitious materials %

表2 青島海砂顆粒級配Tab.2 Grain size distribution of Qingdao sea sand

表3 人工海水化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of artificial seawater（g·L-1）

表4 減水劑性能指標(biāo)Tab.4 Performance index of water reducer

表5 纖維性能指標(biāo)Tab.5 Fiber performance index

本試驗配合比設(shè)計采用正交設(shè)計，如表6 所示，以水膠比、砂膠率、硅灰摻量和粉煤灰摻量為研究變量，變量取值范圍參考文獻(xiàn)［18］，固定減水劑摻量為2%，消泡劑摻量0.8%，其中水膠比、減水劑摻量和消泡劑摻量為其與膠凝材料的質(zhì)量之比.先將膠凝材料和海砂干料倒入砂漿攪拌機(jī)低速干拌3 min，隨后進(jìn)行翻倒攪拌，緩慢加入水和減水劑低速攪拌3 min，然后進(jìn)行二次翻攪，高速攪拌2 min至拌合物均勻.測完流動性后進(jìn)行澆模，試模尺寸為40 mm × 40 mm ×160 mm，并在振動臺振動1 min，隨后養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，進(jìn)行標(biāo)養(yǎng).對于摻加纖維的試件，利用正交試驗篩出的最優(yōu)配比，即每立方來混凝土水泥用量為491 kg、硅灰用量140 kg、粉煤灰用量70 kg、用水量112 kg、海砂用量631 kg.纖維體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%，纖維種類為PPF、PVAF、BF、ARGF、UHMWPEF、SF.形成漿體以后，邊攪拌邊撒入纖維，攪拌8～10 min 至拌合物均勻，拆模后在80 ℃下蒸養(yǎng)48 h，隨后冷卻至室溫進(jìn)行性能測試.

表6 正交試驗配合比設(shè)計Tab.6 Mix proportion design of orthogonal test

1.2 測試方法

新拌UHPSSC 的流動性測試參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB∕T 2419—2005），強度試驗參考《水泥膠砂強度檢測方法》（GB∕T 17671—1999），文中的強度結(jié)果為測試的平均值.本試驗中試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，而《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50081—2019）中抗壓強度試件尺寸為150 mm × 150 mm × 150 mm，抗折強度試件尺寸為150 mm × 150 mm × 550 mm，由于尺寸效應(yīng)，采用水泥膠砂的強度試驗方法較混凝土力學(xué)性能試驗方法所測得的抗折強度和抗壓強度偏高.

對于正交試驗，設(shè)計了4 因素4 水平的方案，分別探究了水膠比、砂膠率、硅灰摻量和粉煤灰摻量對UHPSSC流動度及抗折強度和抗壓強度的影響，在試驗中，每組試驗均在同一條件下進(jìn)行，不考慮各因素之間交互作用.為保證試驗結(jié)果的可靠性，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3 次.利用因素指標(biāo)法，采用公式（1）根據(jù)對應(yīng)指標(biāo)平均值確定各因素各水平取值.參照文獻(xiàn)［19］中的極差分析法，采用公式（2）分別求出各因素平均值極差，根據(jù)極差大小，判斷各因素的影響程度，判斷原則為：極差越大，所對應(yīng)因素越重要；極差越小，所對應(yīng)因素對試驗影響越不顯著.

式中：xi為各因素在各水平下測試值；x為各因素在該水平下試驗結(jié)果的平均值；Ri為各因素在該水平下試驗結(jié)果極差；為各因素在該水平下試驗結(jié)果.

2 結(jié)果與討論

2.1 正交設(shè)計試驗對UHPSSC性能的影響

2.1.1 對流動度的影響

圖1 給出了不同水膠比、砂膠率、硅灰摻量及粉煤灰摻量對UHPSSC 流動性的影響.隨著水膠比的增大，UHPSSC 流動度持續(xù)增大，在0.18 到0.20 階段增幅較大，極差R1為96.7 mm，這與水膠比對普通UHPC 流動度影響效果較為一致［20］，但UHPSSC 流動度降幅更大.而隨著砂膠率從0.8 增長到1.1，UHPSSC 流動度越來越小，降幅在1.0 到1.1 階段較小，極差R2為20.3 mm.隨著硅灰摻量從10%增大到25%，UHPSSC流動度先增加，隨后迅速降低，這是因為硅灰摻量較低時，不能充分填充到水泥細(xì)小顆粒之間，因而能保持較高的流動度，而隨著摻量的增加，填充到水泥顆粒之間的硅灰越來越多，使得流動度下降明顯，在硅灰摻量為15%時，流動度達(dá)到最高，極差R3為39.3 mm.隨著粉煤灰摻量從10%增大到25%，UHPSSC 流動度差別不大，在粉煤灰摻量為20%時，流動度達(dá)到最高，極差R4為4.0 mm.這是因為粉煤灰為表面光滑的球狀顆粒，雖然其滾珠效應(yīng)能改善混凝土的流動性，但在較低摻量下對流動度影響并不明顯，而普通UHPC 的流動度則隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低［18］.由于R1＞R3＞R2＞R4，故而對UHPSSC 流動度影響的顯著性依次為：水膠比＞硅灰摻量＞砂膠率＞粉煤灰摻量.而對普通UHPC 流動度的影響也具有相似的規(guī)律，在一定范圍內(nèi)，隨著水膠比降低，流動性也逐漸減小，而且主要影響因素也是水膠比［21］.最優(yōu)配比方案為：每立方米混凝土水泥用量499 kg，硅灰用量115 kg，粉煤灰用量153 kg，用水量169 kg，海砂用量614 kg.

圖1 水膠比、砂膠率、硅灰摻量、粉煤灰摻量對UHPSSC流動度的影響Fig.1 Effects of water binder ratio，sand binder ratio，silica fume content and fly ash content on fluidity of UHPSSC

2.1.2 對抗壓強度的影響

圖2 顯示了不同水膠比、砂膠率、硅灰摻量及粉煤灰摻量對UHPSSC 的7 d 及28 d 抗壓強度的影響.結(jié)果表明，UHPSSC的抗壓強度隨著齡期的增長有較大幅度提升，當(dāng)齡期一定時，隨著水膠比的增大，7 d及28 d 的抗壓強度均越來越小，降幅分別為19.9%和14.0%；隨著砂膠率的增大，7 d的抗壓強度變化不明顯，均在77 MPa左右波動，28 d的抗壓強度逐漸增大，增幅達(dá)14.2%；隨著硅灰摻量的增大，7 d 及28 d的抗壓強度均表現(xiàn)出先小幅提升，而后又小幅下降的趨勢，兩者均在摻量為20%時達(dá)到最大，此時抗壓強度分別為82.1 MPa 和115.1 MPa，而普通UHPC 的強度隨硅灰摻量的增加而逐漸提升，但其硅灰摻量超過25%時對UHPC 提升效果則不再明顯［18］；隨著粉煤灰摻量的增大，7 d 及28 d 的抗壓強度均越來越小，降幅分別達(dá)到21.4%和15.2%.各因素極差分析及最優(yōu)取值如表7 所示，根據(jù)各因素極差大小，可以明顯看出對UHPSSC 的7 d 及28 d 抗壓強度影響的顯著性依次為：粉煤灰摻量＞水膠比＞硅灰摻量＞砂膠率；綜合考慮各因素對UHPSSC 的7 d 及28 d 抗壓強度的影響，可確定其最優(yōu)配比方案為：每立方米混凝土的水泥用量478 kg，硅灰用量137 kg，粉煤灰用量68 kg，用水量109 kg，海砂用量683 kg.其中硅灰和粉煤灰均可以與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H 凝膠，促進(jìn)混凝土二次水化.此外，硅灰顆粒遠(yuǎn)小于水泥顆粒，可以通過填充作用進(jìn)一步提升水化產(chǎn)物的密實度.因為火山灰反應(yīng)較慢，粉煤灰將降低早期時混凝土的水化程度.因此，隨著硅灰和粉煤灰的摻量變化，UHPSSC 的7 d 和28 d 抗壓強度有不同的變化規(guī)律.

圖2 水膠比、砂膠率、硅灰摻量、粉煤灰摻量對UHPSSC抗壓強度的影響Fig.2 Effects of water binder ratio，sand binder ratio，silica fume content and fly ash content on compressive strength of UHPSSC

表7 UHPSSC抗壓強度的極差分析及最優(yōu)取值結(jié)果Tab.7 Range analysis and optimal value of compressive strength of UHPSSC

2.1.3 對抗折強度的影響

圖3 顯示了不同水膠比、砂膠率、硅灰摻量及粉煤灰摻量對UHPSSC 的7 d 及28 d 抗折強度的影響.結(jié)果表明，UHPSSC的抗折強度隨著齡期的增長有小幅度的提升，當(dāng)齡期一定時，隨著水膠比的增大，7 d及28 d的抗折強度均越來越小，降幅分別高達(dá)21.3%和23.3%；隨著砂膠率的增大，7 d的抗折強度先小幅提升后又小幅降低，在砂膠率為1.0 時達(dá)到最大，此時抗折強度為14.1 MPa，28 d 的抗折強度則越來越大，增幅為6.6%；隨著硅灰摻量的增大，7 d及28 d的抗折強度均表現(xiàn)出小幅下降的趨勢，降幅均在5%左右；隨著粉煤灰摻量的增大，7 d 及28 d 的抗折強度均越來越小，降幅分別為14.6%和9.0%.各因素的極差分析及最優(yōu)取值如表8 所示，根據(jù)各因素極差的大小，可以明顯看出對UHPSSC 的7 d 及28 d 抗折強度影響的顯著性依次為：水膠比＞粉煤灰摻量＞砂膠率＞硅灰摻量；綜合考慮各因素對UHPSSC 的7 d及28 d抗折強度的影響，可確定其最優(yōu)配比方案為：每立方米混凝土的水泥用量688 kg，硅灰用量86 kg，粉煤灰用量86 kg，用水量138 kg，海砂用量860 kg，水膠比0.16，砂膠率1.0，硅灰摻量10%，粉煤灰摻量10%.

圖3 水膠比、砂膠率、硅灰摻量、粉煤灰摻量對UHPSSC抗折強度的影響Fig.3 Effects of water binder ratio，sand binder ratio，silica fume content and fly ash content on flexural strength of UHPSSC

表8 UHPSSC抗折強度的極差分析及最優(yōu)取值結(jié)果Tab.8 Range analysis and optimal value of flexural strength of UHPSSC

2.1.4 配合比的優(yōu)化與驗證

根據(jù)以上試驗結(jié)果，可以得出UHPSSC 流動度達(dá)到最優(yōu)的配比方案為：水膠比0.22，砂膠率0.8，硅灰摻量15%，粉煤灰摻量20%.抗壓強度的最優(yōu)配比方案為：水膠比0.16，砂膠率1.0，硅灰摻量20%，粉煤灰摻量10%.抗折強度的最優(yōu)配比方案為：水膠比0.16，砂膠率1.0，硅灰摻量10%，粉煤灰摻量10%.采用綜合平衡法，對各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較和分析.對于砂膠率，由于砂膠率在0.8～1.0 階段，流動度損失十分顯著，而對7 d的抗折強度和抗壓強度幾乎沒有影響，對于28 d抗折強度和抗壓強度，砂膠率在0.9～1.1 階段增幅不是十分明顯，綜合考慮流動度和抗折強度和抗壓強度影響，可將最優(yōu)砂膠率定為0.9，既保證了應(yīng)有的流動度和成型條件，又兼顧了UHPSSC 的抗折強度和抗壓強度.對于硅灰摻量，抗壓強度受其波動影響較大，抗折強度幾乎不受影響，故可將最優(yōu)硅灰摻量定為20%，此時流動度也表現(xiàn)良好.而UHPSSC 的抗折強度和抗壓強度的最優(yōu)水膠比、粉煤灰摻量則保持一致，分別為0.16、10%，流動度的最優(yōu)方案與此有一定的偏差，而本試驗以抗折強度和抗壓強度為優(yōu)化目標(biāo)，在流動度能夠保證其成型良好的條件下，可將其最優(yōu)配比確定為：每立方米混凝土的水泥用量為491 kg，硅灰用量140 kg，粉煤灰用量為70 kg，用水量112 kg，海砂用量631 kg.按照該配比進(jìn)行制備的UHPSSC，流動度為185 mm，抗折強度可達(dá)16.5 MPa，抗壓強度高達(dá)135.2 MPa，論證了該配比的最優(yōu)性.

2.2 短切纖維對UHPSSC強度的影響

2.2.1 對抗壓強度的影響

表9 給出了不同纖維種類和體積摻量對UHPSSC 抗壓強度的影響，結(jié)果表明，UHPSSC 的抗壓強度隨著BF、ARGF 摻量的增加而逐漸降低，降幅分別達(dá)14.3%和9.5%；UHPSS（抗壓強度）在PPF 摻量為0.1%時達(dá)到峰值，為138.8 MPa，隨后小幅降低；而UHPSSC 的抗壓強度隨著PVAF、UHMWPEF、SF 摻量的增加逐漸提升，增幅分別為2.0%、5.1%和15.2%，提升效果依次為SF＞UHMWPEF＞PVAF.這是由于外摻纖維的加入在一定程度上約束了UHPSSC 的橫向變形，進(jìn)而延緩了其破壞進(jìn)程，從而對改善抗壓性能有積極作用.但纖維的摻入使基體內(nèi)出現(xiàn)了脆弱的交界面，且摻量越大，產(chǎn)生的脆弱界面越多，尤其是對于親水性強的纖維.當(dāng)纖維在基體中的積極作用大于其脆弱界面的削弱影響時，抗壓強度會隨纖維摻量的增加而提升，例如本次試驗中的SF、UHMWPEF、PVAF，當(dāng)纖維在基體中的積極作用小于其脆弱界面的削弱影響時，抗壓強度會因為纖維摻量的增加而降低，例如本次試驗中的PPF、BF、ARGF.此外，鋼纖維具有較高的模量和抗拉強度，且分散性優(yōu)于其他高分子纖維，因而對力學(xué)性能的提升效果更為顯著.

表9 不同纖維體積摻量下UHPSSC的抗折強度和抗壓強度Tab.9 Flexural and compressive strength of UHPSSC with different fiber volume fraction MPa

2.2.2 對抗折強度的影響

表9 結(jié)果表明，加入PPF，會小幅降低UHPSSC抗折強度；隨著PVAF 摻量的增加，在摻量為0.1%時，其抗折強度達(dá)到峰值，此時為17.3 MPa，隨后小幅降低；而UHPSSC 抗折強度隨著BF、ARGF、UHMWPEF 及SF 摻量的增加而小幅增大，增幅依次為11.5%、17.0%、9.7% 和9.7%.這 是因為PPF 和PVAF 的抗拉強度較其他纖維相對偏低，而UHPSSC強度較高，只有當(dāng)纖維達(dá)到一定強度時才會對其有提升作用.而摻入強度較高的纖維，會對基體中的裂縫起到“橋聯(lián)作用”，在彎曲荷載作用下，纖維能對UHPSSC基體提供足夠的橋聯(lián)應(yīng)力，開裂后能顯著抑制裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，承擔(dān)基體因開裂釋放的部分應(yīng)力，依靠基體與纖維的黏結(jié)將力傳遞給兩側(cè)未開裂的基體，最終因纖維拔出或拔斷而破壞.開裂前纖維對其影響較小，開裂后破壞形式同未摻纖維的UHPSSC存在較大差異，改變了其開裂即斷的脆性破壞，同時未摻纖維的UHPSSC 斷面較為平整，加入纖維后破壞斷面較為粗糙，且隨著纖維摻量的增加，斷面粗糙度顯著增加.

3 結(jié)論

通過本文的試驗研究可以得到以下結(jié)論：

1）基于正交試驗，對UHPSSC 流動度影響最顯著性的因素是水膠比，流動度隨著水膠比增加而顯著減小，同時流動度隨硅灰摻量的增加先提升后降低.

2）基于正交試驗結(jié)果，對UHPSSC 抗折強度和抗壓強度影響最顯著的因素分別為水膠比和粉煤灰摻量，綜合考慮流動度及抗折強度和抗壓強度，UHPSSC的配合比推薦為：每立方米混凝土的水泥用量為491 kg，硅灰用量140 kg，粉煤灰用量為70 kg，用水量112 kg，海砂用量631 kg.

3）UHPSSC 的抗壓強度隨著PPF、BF、ARGF 摻量的增加而降低，隨著PVAF、UHMWPEF、SF 摻量的增加而提升，提升效果最顯著的為SF；UHPSSC 的抗折強度隨著BF、ARGF、UHMWPEF 及SF 摻量的增加出現(xiàn)小幅提升.