粉煤灰在超高性能混凝土中的應(yīng)用技術(shù)研究

楊騰宇，舒本安，任彥飛，鄭禮尚，丁慶軍，解鵬洋

（1.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528315；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；3.中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展。超高層建筑與大跨度橋梁等對(duì)工程材料的力學(xué)性能和耐久性提出了更高的要求。由于超高性能混凝土（UHPC）的力學(xué)性能和耐久性明顯優(yōu)于普通混凝土和高性能混凝土，因而在世界范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。傳統(tǒng)UHPC用水量極低（水灰比一般為0.14～0.22），主要由水泥、石英砂、硅灰、石英粉等超細(xì)粉體組成。通過(guò)優(yōu)化上述粉末的顆粒填料效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)高致密結(jié)構(gòu)[4]。與普通混凝土不同的是，UHPC中的粗骨料由極細(xì)石英砂代替，水泥用量通常在800～1000 kg/m3[5-6]。然而，超高水泥用量增加了UHPC的生產(chǎn)成本，制約了UHPC的發(fā)展。

采用礦物摻合料替代水泥是解決上述問(wèn)題的可行途徑。Chong等[7]的研究表明，采用水膠比分別為0.14、0.16、0.18的三元膠凝材料（水泥70%、硅灰10%、礦粉20%）制備的超高性能混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到150、140、120 MPa。Shi等[8]的研究表明，當(dāng)?shù)V粉替代25%水泥時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度在3 d時(shí)有所降低，56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到113.7 MPa。Yalnkaya和Opurolu[9]的研究表明，當(dāng)水膠比為0.20時(shí)，隨著礦渣摻量由0增加至25%，超高性能混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度從90 MPa提高到100 MPa。超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土，但存在收縮大的問(wèn)題。劉建忠等[10]、葉光和Nguyen[11]的研究表明，當(dāng)摻入一定量粉煤灰和稻殼灰時(shí)，超高性能混凝土的收縮可以得到有效改善。

本文以Ⅰ級(jí)粉煤灰和粉煤灰微珠為主要摻合料，研究其對(duì)UHPC工作性能及力學(xué)性能的影響，同時(shí)探明其對(duì)自收縮的協(xié)同作用效果，并分析了硬化漿體孔結(jié)構(gòu)的變化，試驗(yàn)結(jié)果將為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：廣東清新海螺水泥有限公司P·Ⅱ52.5R水泥，比表面積437 m2/kg，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；硅灰：SiO2含量96.34%，比表面積19 500 m2/kg，甘肅裕洋新材料有限公司，符合GB/T 27690—2011《砂漿混凝土用硅灰》的要求；粉煤灰微珠：SiO2含量56.5%，比表面積2431 m2/kg，天津筑成粉煤灰微珠有限公司；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，需水量比92%，比表面積645 m2/kg，燒失量4%，28 d活性指數(shù)72%，山東順科建材科技有限公司；礦粉：S95級(jí)，比表面積448 m2/kg，堿度為0.91，山東昌盛源礦渣微粉有限公司。膠凝材料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

石英砂：中粒徑砂，東川佗城隆源石英砂廠(chǎng)，m（16～20目）∶m（26～40目）∶m（80～120目）=1∶1∶1，符合GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》的要求。

鋼纖維：上海真強(qiáng)纖維有限公司產(chǎn)，直徑0.2 mm，長(zhǎng)度13 mm，抗拉強(qiáng)度為2600 MPa。

外加劑：上海三瑞高分子材料股份有限公司產(chǎn)高性能聚羧酸高效減水劑，固含量40%，減水率27%，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求。

拌合用水：自來(lái)水。

1.2 配合比及制備方法

為探明粉煤灰微珠與Ⅰ級(jí)粉煤灰在UHPC中的協(xié)同作用效果，設(shè)計(jì)了如表2所示UHPC土配合比。將膠凝材料和細(xì)骨料按照設(shè)計(jì)配合比稱(chēng)量后在臥式攪拌機(jī)中攪拌混合30 s；將稱(chēng)好的外加劑和水共同加入攪拌機(jī)后攪拌3 min；最后將鋼纖維加入上述拌合物中攪拌1 min?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度及自收縮試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

表2 UHPC的配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的擴(kuò)展度方法評(píng)價(jià)拌合物的工作性能；將成型后的混凝土試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下[溫度（20±1）℃，相對(duì)濕度＞95%]養(yǎng)護(hù)至28 d，按照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進(jìn)行抗壓及抗折強(qiáng)度測(cè)試，加載速率分別為1.4、0.1 MPa/s；參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀（LP-SSF）對(duì)混凝土不同水化階段的自收縮特性進(jìn)行評(píng)價(jià)；采用壓汞法（MIP）分析硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)特征，接觸角估計(jì)為140°，測(cè)試壓力0～350 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對(duì)UHPC工作性能的影響（見(jiàn)表3）

表3 粉煤灰對(duì)UHPC擴(kuò)展度的影響

由表3可見(jiàn)，以水泥-硅灰-礦粉三元膠凝材料體系（礦粉體系）為對(duì)比樣，與此相比，由于滾珠效應(yīng)（顆粒形態(tài)效應(yīng)），Ⅰ級(jí)粉煤灰與粉煤灰微珠體系樣品具有更優(yōu)異的工作性。同時(shí)，粉煤灰微珠體系的工作性能優(yōu)于Ⅰ級(jí)粉煤灰體系。這可能是由于水泥在水化初期極易產(chǎn)生凝聚或者絮凝作用，粉煤灰微珠借助其顆粒細(xì)小的形態(tài)特點(diǎn)能夠物理分散水泥絮凝體，使較多的絮凝吸附水游離出來(lái)，降低漿體的需水量，有效提高了混凝土的工作性能。對(duì)于粉煤灰微珠體系，硅灰用量由20%降至18%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度由520 mm增大至560 mm，表明適當(dāng)降低硅灰的用量可在一定程度上提高工作性。這主要是由于硅灰高比表面積引起的自由水吸附增多所致。當(dāng)微珠的用量由200 kg/m3降至150 kg/m3時(shí)，混凝土的工作性提升不顯著，說(shuō)明在該用量范圍內(nèi)，微珠的滾珠作用與表面吸水作用基本處于平衡狀態(tài)。對(duì)于Ⅰ級(jí)粉煤灰和微珠復(fù)合體系，隨微珠與Ⅰ級(jí)粉煤灰比例的增大，混凝土擴(kuò)展度呈顯著增大的趨勢(shì)，且均優(yōu)于單獨(dú)使用Ⅰ級(jí)粉煤灰或微珠體系的工作性。顯然，兩者復(fù)合在級(jí)配上更加合理，能夠在亞微米與微米層次上降低顆粒間摩擦力。

2.2 粉煤灰對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表4）

表4 粉煤灰對(duì)UHPC抗折與抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可見(jiàn)：粉煤灰微珠體系的強(qiáng)度均高于礦粉體系。這主要有2個(gè)方面原因：一方面，粉煤灰微珠粒徑較小，在水泥水化過(guò)程中對(duì)水化產(chǎn)物具有誘導(dǎo)成核的作用，促進(jìn)了水泥的水化；另一方面，微珠具有良好的滾珠效應(yīng)與孔隙填充效果，有效提高了硬化漿體的密實(shí)度。雖然Ⅰ級(jí)粉煤灰同樣能夠提升混凝土的工作性，降低硬化漿體的孔隙率，但由于其活性較低，會(huì)顯著降低混凝土的力學(xué)性能。當(dāng)采用Ⅰ級(jí)粉煤灰和粉煤灰微珠按1∶1質(zhì)量比復(fù)摻時(shí)，UHPC不僅具有良好的工作性能，其力學(xué)性能可超過(guò)礦粉體系。

2.3 粉煤灰對(duì)UHPC收縮性能的影響

在封閉等溫條件下，隨著水化過(guò)程的不斷推進(jìn)，水化產(chǎn)物的形成不斷消耗水分，使得膠凝材料體系宏觀(guān)尺寸逐漸減小，即發(fā)生自收縮。一般而言，毛細(xì)孔中含有少量的游離水和空氣?？紫吨械乃?空氣彎月面產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致顯著的體積收縮。UHPC自收縮測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，對(duì)比樣礦粉體系的自收縮最顯著，Ⅰ級(jí)粉煤灰和粉煤灰微珠的摻入均可有效降低UHPC的自收縮，并且隨粉煤灰微珠摻量的增加，自收縮呈增大的趨勢(shì)。無(wú)論是Ⅰ級(jí)粉煤灰還是粉煤灰微珠，其火山灰活性均低于礦粉，導(dǎo)致混凝土早期水化反應(yīng)慢，UHPC的自收縮應(yīng)力降低，因而粉煤灰體系的自收縮值較小。此外，Ⅰ級(jí)粉煤灰和粉煤灰微珠的微集料效應(yīng)可有效改善硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)，降低混凝土的孔隙率，減小混凝土內(nèi)部應(yīng)力，從而抑制自收縮。粉煤灰微珠對(duì)水泥具有良好的水化誘導(dǎo)效應(yīng)，會(huì)促進(jìn)水泥生成更多水化產(chǎn)物，從而導(dǎo)致自收縮增大，并且用量越高，水化促進(jìn)作用越明顯，自收縮增大越顯著。自收縮測(cè)試結(jié)果與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果吻合。

2.4 孔結(jié)構(gòu)分析

UHPC養(yǎng)護(hù)28 d的孔徑分布如圖2所示，孔體積分布如表5所示。

表5 UHPC的28 d孔體積分布測(cè)試結(jié)果 %

由圖2可見(jiàn)，孔徑分布微分曲線(xiàn)的第一峰（即臨界孔徑）均小于0.1 μm。與礦粉相比，粉煤灰微珠具有更強(qiáng)的優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)的能力。在Ⅰ級(jí)粉煤灰-粉煤灰微珠復(fù)合體系中，隨粉煤灰微珠摻量的增加，孔徑分布曲線(xiàn)顯著向左移動(dòng)。這是由于少量微珠的引入不僅起到良好孔隙填充效果，同時(shí)還表現(xiàn)出較好的水化誘導(dǎo)效應(yīng)。然而，當(dāng)微珠摻量較多時(shí)（即2#～4#試樣），隨其摻量的增加，孔徑分布曲線(xiàn)反而向右偏移。這可能時(shí)由于高摻量微珠引起需水量增大，影響了UHPC的密實(shí)程度，從而不利于強(qiáng)度的發(fā)展。

由表5可見(jiàn)，所有樣品的孔徑分為4個(gè)部分：＞100 nm的大孔、50～100 nm的中孔、10～50 nm的細(xì)孔和＜10 nm的凝膠孔。其中4#樣品的凝膠孔含量最高，表明該樣品中的凝膠類(lèi)水化產(chǎn)物含量最高，這也與力學(xué)性能和自收縮測(cè)試結(jié)果相吻合。由于Ⅰ級(jí)粉煤灰的活性較低，因此含有Ⅰ級(jí)粉煤灰樣品的凝膠孔含量低于對(duì)應(yīng)的粉煤灰微珠體系。此外，Ⅰ級(jí)粉煤灰-粉煤灰微珠復(fù)合體系中，增加微珠含量顯著提高了凝膠孔含量，降低了毛細(xì)孔含量。據(jù)最緊密堆積理論，不同粒徑的顆粒堆積在一起形成致密的結(jié)構(gòu)。由于粉煤灰微珠的粒徑介于Ⅰ級(jí)粉煤灰和硅灰之間，其摻入提高了微觀(guān)結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，導(dǎo)致細(xì)孔的增多和大孔的減少。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）Ⅰ級(jí)粉煤灰和粉煤灰微珠的摻入均能夠改善UHPC的工作性能。低摻量條件下，UHPC的工作性能隨粉煤灰微珠摻量增大而降低。

（2）Ⅰ級(jí)粉煤灰的摻入不利于UHPC的力學(xué)性能，但復(fù)合粉煤灰微珠可提高UHPC的力學(xué)性能，當(dāng)采用Ⅰ級(jí)粉煤灰和粉煤灰微珠按1∶1質(zhì)量比復(fù)摻時(shí)，UHPC不僅具有良好的工作性能，其力學(xué)性能可超過(guò)礦粉體系。

（3）無(wú)論是Ⅰ級(jí)粉煤灰還是粉煤灰微珠，均能夠顯著降低UHPC的自收縮，二者復(fù)合使用不僅使UHPC具有良好的工作性能和力學(xué)性能，同時(shí)可優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，降低UHPC的自收縮。