再生細(xì)骨料和超細(xì)粉煤灰增強(qiáng)UHPC的力學(xué)性能研究*

吳晨潔，王德志,2,3,4，馬志鵬

(1. 寧夏大學(xué) 土木和水利工程學(xué)院， 銀川 750021；2. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心， 銀川 750021；3.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心， 銀川 750021；4. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控功工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

1989年美國(guó)聯(lián)邦公路局以活性粉末混凝土為基準(zhǔn)，系統(tǒng)地開展了超高性能混凝土(UHPC)的研究。超高性能混凝土一般指強(qiáng)度≤100 MPa的混凝土，具有較高的力學(xué)性能及超強(qiáng)的耐久性能[1-3]，近年來多用于工程承重結(jié)構(gòu)以減少結(jié)構(gòu)的肥梁胖柱等工程問題，超高性能混凝土已成為當(dāng)下最具有創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一[4-5]。

再生細(xì)骨料是建筑廢棄垃圾經(jīng)破碎篩分得到粒徑<5 mm的顆粒材料[6]，超細(xì)粉煤灰是燃料燃燒產(chǎn)生的細(xì)微固體顆粒物經(jīng)過研磨得到的比表面積>600m2/kg的細(xì)集料[7]。再生細(xì)骨料取代天然砂后促進(jìn)了建筑垃圾資源化利用、保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。陳志武[8]、Zhang[9]設(shè)計(jì)了不同含量飽和面干再生細(xì)骨料替代河砂，發(fā)現(xiàn)隨著再生細(xì)骨料摻量的增加，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。褚洪巖[10]發(fā)現(xiàn)再生砂、機(jī)制砂和風(fēng)積沙制備的綠色超高性能混凝土與普通河砂UHPC的力學(xué)性能基本相當(dāng)甚至在某些方面更加優(yōu)良。葛曉麗[11]用廢棄混凝土破碎后的再生砂制備超高性能混凝土，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)選擇區(qū)間為40%～60%。

孫瑤[12]認(rèn)為摻入10%超細(xì)粉煤灰后混凝土任何齡期的強(qiáng)度都高于其他摻量的。王瑞[13]研究了超細(xì)粉煤灰對(duì)60、90 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，認(rèn)為加入30%超細(xì)粉煤灰后強(qiáng)度增長(zhǎng)最大，而姚韋靖[14]發(fā)現(xiàn)超細(xì)粉煤灰在高強(qiáng)混凝土中的最優(yōu)摻量為20%，其力學(xué)性能增加最明顯。曹潤(rùn)倬[15]通過超細(xì)粉煤灰取代定量普通粉煤灰，比較了超高性能混凝土的流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度，認(rèn)為隨著超細(xì)粉煤灰摻量增大，流動(dòng)性能隨之增大。Gao[16]認(rèn)為超細(xì)粉煤灰可以改善水泥的水化熱反應(yīng)，減少混凝土的開裂。

本文探究了不同摻量的超細(xì)粉煤灰和再生細(xì)骨料復(fù)摻對(duì)超高性能混凝土工作性能、軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，利用SEM掃描電鏡對(duì)超高性能混凝土試件進(jìn)行了微觀形貌檢測(cè)，從微觀角度探究了超細(xì)粉煤灰及再生細(xì)骨料對(duì)超高性能混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，建立了摻超細(xì)粉煤灰和再生細(xì)骨料的超高性能混凝土軸心抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：選取寧夏賽馬水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5，水泥各項(xiàng)性能見表1。硅灰：寧夏三遠(yuǎn)微硅粉公司生產(chǎn)的920硅粉。粉煤灰：寧夏錦鑫環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，超細(xì)粉煤灰由YXQM-20L行星球磨機(jī)干磨4 h得到，比表面積900 m2/kg，粉煤灰粒徑分布如圖1所示。減水劑：選用減水率高于25%的山西格瑞特公司聚羧酸類高性能減水劑。天然細(xì)骨料：選取表觀密度與堆積密度分別為2 551、1 506 kg/m3的寧夏本地水洗砂。再生細(xì)骨料：采用C40強(qiáng)度等級(jí)的建筑樓板破碎篩分，得到表觀密度2 433 kg/m3，堆積密度1 338 kg/m3。鋼纖維：選取致泰鋼纖維生產(chǎn)的平直鋼纖維，長(zhǎng)度13 mm，直徑0.18～0.23 mm，抗拉強(qiáng)度>2 860 MPa。水：采用自來水。

表1 水泥的各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 The indicators of cement

圖1 粉煤灰粒徑分布圖Fig 1 Fly ash particle size distribution map

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)所用水膠比為0.2，鋼纖維摻量均為2.0%(體積分?jǐn)?shù))，試驗(yàn)配合比見下表2所示，其中編號(hào)R0、R25、R50和R75分別表示再生細(xì)骨料取代0、25%、50%和75%的天然河砂；SF0、SF10、SF20和SF30分別表示超細(xì)粉煤灰取代0、10%、20%和30%的水泥。

表2 試驗(yàn)配合比(kg/m3)Table 2 Test the mix (kg/m3)

超細(xì)粉煤灰再生細(xì)骨料UHPC的攪拌過程：(1)水泥、硅灰、超細(xì)粉煤灰、細(xì)集料(天然細(xì)骨料和再生細(xì)骨料)及鋼纖維一起干攪2 min；(2)減水劑加入水中攪拌至均勻，倒3/4混合液加入干拌混合材料攪拌1 min；(3)剩余的混合液一次性加入混合料中攪拌9 min。(4)制備100 mm×100 mm×100 mm立方體和320 mm×60 mm×13 mm啞鈴型UHPC試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d測(cè)定抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《活性粉末混凝土(GB/T31387—2015)》推薦的應(yīng)力加載方式測(cè)定超高性能混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50081—2019)》推薦的位移加載方式測(cè)定超高性能混凝土啞鈴型試件的28 d抗拉強(qiáng)度。

采用等效系數(shù)K值[17]表示超細(xì)粉煤灰替代水泥的效率，當(dāng)超細(xì)粉煤灰的K值越趨近于1，則說明超細(xì)粉煤灰越等同水泥的效果。

(1)

其中:fMA為摻超細(xì)粉煤灰UHPC的抗壓強(qiáng)度；fc為未摻超細(xì)粉煤灰UHPC的抗壓強(qiáng)度；P為超細(xì)粉煤灰代替水泥的百分比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性能

圖2為相同超細(xì)粉煤灰摻量，不同再生細(xì)骨料取代率對(duì)UHPC坍落度及擴(kuò)展度的影響。隨著再生細(xì)骨料的增加，UHPC坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為20%，再生細(xì)骨料摻入75%時(shí)UHPC的坍落度較未摻的降低13.46%，當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為10%，再生細(xì)骨料摻量75%UHPC的坍落度較未摻再生細(xì)骨料降低27.59%。再生細(xì)骨料增加超高性能混凝土擴(kuò)展度降低，與坍落度的變化趨勢(shì)一致。再生細(xì)骨料摻量<50%時(shí)，20%超細(xì)粉煤灰摻量的UHPC擴(kuò)展度最大；當(dāng)再生細(xì)骨料摻量≥50%，10%超細(xì)粉煤灰摻量的UHPC擴(kuò)展度最大?？梢姄饺朐偕?xì)骨料后UHPC的坍落度和擴(kuò)展度均降低，工作性變差；加入超細(xì)粉煤灰后可以適當(dāng)改善其流動(dòng)性。這是由于再生細(xì)骨料表面黏附砂漿含量較多且孔隙率較大，導(dǎo)致再生細(xì)骨料摻量為75%的UHPC坍落度降低。

圖2 再生細(xì)骨料對(duì)UHPC坍落度及擴(kuò)展度的影響Fig 2 Effects of recycled fine aggregate on slump and extension of UHPC

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖3為不同超細(xì)粉煤灰摻量、不同再生細(xì)骨料取代率對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響。隨著再生細(xì)骨料的增加，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，再生細(xì)骨料摻量為50%的抗壓強(qiáng)度最大，比未摻再生細(xì)骨料的SF0R0、SF10R0、SF20R0組分別提高14%、3%、17%。超細(xì)粉煤灰摻量為10%時(shí)UHPC的強(qiáng)度均高于未摻和摻20%超細(xì)粉煤灰組的強(qiáng)度；再生細(xì)骨料摻入50%，超細(xì)粉煤灰摻量為10%時(shí)UHPC強(qiáng)度達(dá)到115.36 MPa，強(qiáng)度提高3.15%；超細(xì)粉煤灰摻量繼續(xù)增加抗壓強(qiáng)度持續(xù)降低，20%摻量時(shí)降低8.91%，30%摻量時(shí)降低18.59%。對(duì)于強(qiáng)度而言，可以看出超細(xì)粉煤灰摻入10%，再生細(xì)骨料UHPC最優(yōu)替代率為50%。由于再生細(xì)骨料經(jīng)過破碎篩分，骨料表面出現(xiàn)棱角從而增大粗糙程度，將其攪拌至混凝土中后能與UHPC內(nèi)部水泥凈漿更好地黏結(jié)；再生細(xì)骨料吸水率大，養(yǎng)護(hù)過程中內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水分通過毛細(xì)孔向水泥砂漿中傳輸，水分的補(bǔ)充維持了漿體內(nèi)部濕度的平衡，硬化水泥漿體的毛細(xì)管張力得到有效減小，骨料間更加密集促使UHPC抗壓強(qiáng)度提高[18-19]。

圖3 不同摻量再生細(xì)骨料抗壓強(qiáng)度Fig 3 Compressive strength of recycled fine aggregate with different dosage

根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，再生細(xì)骨料替代率為50%不同超細(xì)粉煤灰對(duì)UHPC 28 d等效系數(shù)k值如圖4所示。超細(xì)粉煤灰摻量為10%時(shí)等效系數(shù)k略大于1，超細(xì)粉煤灰摻量增加等效系數(shù)降低的變化規(guī)律與試驗(yàn)值一致。

圖4 粉煤灰等效系數(shù) Fig 4 Fly ash equivalent coefficient

2.3 抗拉強(qiáng)度

圖5為再生細(xì)骨料取代率對(duì)UHPC抗拉強(qiáng)度的影響。未摻超細(xì)粉煤灰時(shí)，隨著再生細(xì)骨料的增加，超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度提高，75%摻量時(shí)提高15.49%。當(dāng)UHPC含有10%和20%超細(xì)粉煤灰時(shí)，隨著再生細(xì)骨料的增加，超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。75%摻量的再生細(xì)骨料、摻入20%超細(xì)粉煤灰摻量為的UHPC抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到13.06 MPa；75%再生細(xì)骨料替代率的UHPC抗拉強(qiáng)度高于25%取代率的，超細(xì)粉煤灰摻量為0%、10%、20%組的抗拉強(qiáng)度分別提高11.26%、5.24%、13.07%。就再生細(xì)骨料超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度來說，再生細(xì)骨料的最優(yōu)替代率為75%。

圖5 不同摻量再生細(xì)骨料抗拉強(qiáng)度Fig 5 Tensile strength of recycled fine aggregate with different dosage

2.4 微觀分析

2.4.1 SEM電鏡掃描微觀圖像

圖6為超高性能混凝土微觀形貌圖像?？梢钥吹剑?xì)粉煤灰已經(jīng)進(jìn)行了水化反應(yīng)，使得C-S-H與AFt在界面區(qū)均勻分布，結(jié)構(gòu)總體較為密實(shí)，超細(xì)粉煤灰起到了火山灰與填充效應(yīng)；在骨料與界面過渡區(qū)未看到明顯的裂縫界面粘結(jié)效果較好，從而促進(jìn)了UHPC的強(qiáng)度。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，超細(xì)粉煤灰UHPC在水化反應(yīng)過程消耗更多的Ca(OH)2，生成較多的C-S-H凝膠和鈣礬石，填充了骨料在UHPC內(nèi)部孔隙，增大了水泥硬化漿體的密實(shí)度。從而大大增強(qiáng)了水泥基體的性能。

圖6 超高性能混凝土微觀形貌圖Fig 6 Micro topography of ultra high performance concrete

2.4.2 機(jī)理分析

水泥水化反應(yīng)會(huì)生成大量的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物，C3S加快了水泥水化速率，提早形成硬化水泥基材料，保證制品具有較高的強(qiáng)度。在UHPC中加入具有協(xié)同作用的超細(xì)粉煤灰與硅灰，兩者都存在火山灰與填充效應(yīng)，硅灰通過吸收水分形成富硅的凝膠聚集包裹未水化的水泥顆粒先與硬化后水泥基材料的Ca(OH)2進(jìn)行二次水化生成C-S-H凝膠。超細(xì)粉煤灰對(duì)殘余的Ca(OH)2繼續(xù)消耗轉(zhuǎn)換成C-S-H凝膠體，經(jīng)過多次水化反應(yīng)生成大量C-S-H凝膠進(jìn)一步增加了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,提高其力學(xué)性能及耐久性能。再生細(xì)骨料具有吸釋水性質(zhì)，降低了界面區(qū)水膠比，消除了水膜和分層現(xiàn)象，有效減輕界面區(qū)的“邊壁效應(yīng)”，使得骨料界面過渡區(qū)得到增強(qiáng)。

2.5 預(yù)測(cè)模型

超高性能混凝土作為新型混凝土材料，集料與骨料間的填充粘結(jié)能力對(duì)其性能有著重要的影響。劉明輝[20]考慮水泥漿作為填充料，存在于兩個(gè)緊密骨料間的水泥漿受到較大應(yīng)力，在相同骨料的體積份數(shù)下，大粒徑骨料間的漿體厚度隨之也更大，這些聚集體之間的距離稱為最大漿體厚度(maximum paste thickness, MPT)，因此考慮到水泥-骨料相互作用關(guān)系的混凝土強(qiáng)度模型為：

(2)

表達(dá)式中：fcm為混凝土基相強(qiáng)度；Rc28為水泥28 d的ISO強(qiáng)度， MPa；Vc為單位立方米混凝土中的水泥體積；Vw為單位立方米混凝土中水的體積；Va為單位立方米混凝土中的空氣體積；MPT為最大漿體厚度，mm，即:

(3)

表達(dá)式中:D為骨料最大尺寸，mm；g*等于骨料的堆積密度；g為單位體積混凝土中骨料的體積。

超高性能混凝土采用最緊密堆積設(shè)計(jì)原理，本實(shí)驗(yàn)利用超細(xì)粉煤灰填塞結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙。因此考慮摻入超細(xì)粉煤灰會(huì)引起骨料的堆積變化，從而影響漿體的厚度，將超細(xì)粉煤灰UHPC強(qiáng)度漿體模型在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，定義超細(xì)粉煤灰對(duì)MPT及骨料結(jié)構(gòu)影響函數(shù)Z，則考慮超細(xì)粉煤灰摻量的影響的MPT為

(4)

當(dāng)未摻超細(xì)粉煤灰時(shí)，Z取值為1，定義Z的函數(shù)形式：

Z=1+f(x)

(5)

式中：x為超細(xì)粉煤灰含量；f(x)為不同超細(xì)粉煤灰含量對(duì)UHPC空間結(jié)構(gòu)調(diào)整函數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以運(yùn)用函數(shù)較好擬合f(x)在不同超細(xì)粉煤灰摻量的關(guān)系，如下圖7。

圖7 f(x)函數(shù)擬合Fig 7 f(x) function fitting

擬合結(jié)果

f(x)=108.7x-13.6233

(6)

整理最大漿體厚度及強(qiáng)度模型：

(7)

(8)

圖8為再生細(xì)骨料替代率為50%時(shí)，摻入10%到30%超細(xì)粉煤灰的強(qiáng)度預(yù)測(cè)值。隨著超細(xì)粉煤灰取代率的增加，超高性能混凝土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律一致；摻量為10%時(shí)預(yù)測(cè)模型出現(xiàn)最大峰值，達(dá)到116.28 MPa；超高性能混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為0.79%、4.62%、7.40%。

圖8 超細(xì)粉煤灰強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig 8 Strength prediction of ultrafine fly ash

3 結(jié) 論

采用超細(xì)粉煤灰代替水泥，再生細(xì)骨料代替砂子制備了UHPC，并對(duì)其工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)再生細(xì)骨料取代率越大，摻超細(xì)粉煤灰的UHPC坍落度與擴(kuò)展度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，50%摻量強(qiáng)度達(dá)到最大，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，最優(yōu)摻量為75%。

(2)超細(xì)粉煤灰摻量增大，超高性能混凝土的坍落度逐漸下降，擴(kuò)展度逐漸增加,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，摻量為10%的抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到115.36 MPa，摻加20%的超細(xì)粉煤灰抗拉強(qiáng)度最大，抗拉最大值為13.06 MPa。

(3)利用等效系數(shù)得出超細(xì)粉煤灰摻量10%的情況下，接近純水泥效果。通過考慮了超細(xì)粉煤灰作用對(duì)UHPC的影響，建立了超細(xì)粉煤灰強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，對(duì)UHPC強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。