礦物摻合料對(duì)UHPC性能的影響

趙雅明，張 振，王 畔，張明飛

(1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院土木建筑學(xué)院，鄭州 450046)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一種具有超高力學(xué)性能和耐久性能的新型水泥基材料，其應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，不僅可以用于制作一些大型工程構(gòu)件[1-3]，還可以作為一種修復(fù)材料，對(duì)各種工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和加固[4]。由于UHPC需要具有極其致密的結(jié)構(gòu)以減少結(jié)構(gòu)的孔隙率，在配制UHPC時(shí)要盡可能減小骨料的尺寸，同時(shí)增加膠砂比，以改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性，提高顆粒材料的堆積密度[5]。

目前許多研究已將多種粉末材料用作UHPC的微填料，以滿足UHPC高致密性的需求[6-7]。其中，硅灰被認(rèn)為是UHPC中一種主要的活性填料，對(duì)UHPC力學(xué)性能和耐久性能的改善效果十分明顯，在UHPC中主要發(fā)揮三個(gè)方面的作用：(1)填充作用，可以大幅提高顆粒的堆積密度；(2)潤(rùn)滑作用，顆粒極細(xì)，且主要呈球形，可以改善漿體的流動(dòng)性；(3)火山灰作用，可以和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化，產(chǎn)生額外的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠。研究[8-9]表明，UHPC中硅灰的摻量甚至達(dá)到了水泥質(zhì)量的30%，然而推薦用量一般為25%。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，硅灰還存在著一些缺點(diǎn)，例如：硅灰的價(jià)格較貴，這在一定程度上導(dǎo)致了UHPC的制作成本較高；硅灰雖然能夠改善拌合物的流動(dòng)性，但其本身顆粒極細(xì)，具有非常大的比表面積，從而導(dǎo)致拌合物的需水量增加，在UHPC中，較高摻量的硅灰導(dǎo)致必須使用更高劑量的減水劑，因此硅灰會(huì)使拌合物比較黏稠；此外，對(duì)于低水膠比的混凝土，尤其是UHPC，硅灰對(duì)其體積穩(wěn)定性產(chǎn)生非常不利的影響。在UHPC中，收縮開(kāi)裂主要是由于基體早期自干燥引起自收縮，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大，從而引起微裂紋[10]。研究[11]表明，混凝土的自收縮主要與其內(nèi)部的微細(xì)孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，UHPC的硅灰摻量較高，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了很多的微細(xì)孔，從而導(dǎo)致UHPC的自收縮較高。

許多學(xué)者[12-14]認(rèn)為，粉煤灰和礦粉等礦物摻合料可以有效降低混凝土的水化熱，改善體積穩(wěn)定性，并且可以提高工作性能和耐久性能。因此，本文主要采用粉煤灰和礦粉代替部分或全部硅灰，研究其對(duì)UHPC性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為海螺P·O 42.5水泥，比表面積為376 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度為50.7 MPa，初凝時(shí)間為180 min，終凝時(shí)間為252 min，體積安定性檢測(cè)合格；粉煤灰為山東某電廠一級(jí)粉煤灰，密度為2.4 g/cm3，比表面積為392 m2/kg；硅灰取自河南某礦產(chǎn)品加工廠，比表面積為21 500 m2/kg；礦粉為S105級(jí)礦粉，比表面積為541 m2/kg；石英砂粒徑范圍為0.3～1.2 mm；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為30%；水為自來(lái)水。原材料的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 原材料的主要化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)配比

用粉煤灰和礦粉來(lái)替代硅灰，水泥和總膠凝材料用量保持不變，水膠比為0.18(質(zhì)量比)，砂膠比為1(質(zhì)量比)，聚羧酸高效減水劑摻量為2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，具體配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)配比

1.3 試件制備

將石英砂、水泥、粉煤灰、硅灰、礦粉等粉料倒入攪拌鍋中，干拌1～2 min，然后將水和減水劑緩慢倒入攪拌鍋中，再攪拌5～6 min。攪拌完成后，將拌合物分兩層澆筑到試模中，在第一層澆筑完成后，在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)60 次，然后澆筑第二層，澆筑完成后，再振60次，振搗后，刮平試件表面。漿體澆筑完成后覆蓋塑料薄膜，放置24 h后拆模，一部分試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，另一部分試件采用高溫蒸養(yǎng)，溫度為90 ℃，相對(duì)濕度95%以上，養(yǎng)護(hù)48 h以后采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，直到規(guī)定齡期。

1.4 測(cè)試方法

新拌UHPC漿體流動(dòng)度的測(cè)試方法參考《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)。

UHPC抗壓強(qiáng)度測(cè)試參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

UHPC自收縮測(cè)試參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的接觸法，自收縮試件成型后置于溫度為(20±2)℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，20 h后拆模，然后用塑料薄膜作密封處理。所有試件密封完成后置于溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±2)%的環(huán)境中約4 h，之后測(cè)試初長(zhǎng)，初長(zhǎng)測(cè)試完成后一直放置于溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±2)%的環(huán)境中，每隔一定時(shí)間再進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)試。

采用全自動(dòng)壓汞儀(型號(hào)為MicroActive AutoPore V 9600)對(duì)28 d齡期的UHPC孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

不同配比UHPC拌合物流動(dòng)度的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，單獨(dú)摻有粉煤灰的A1組拌合物的流動(dòng)度最大，這是因?yàn)榉勖夯翌w粒中70%以上都是由顆粒圓滑、細(xì)小、致密的玻璃微珠組成，在摻入拌合物中后，能減小顆粒摩擦阻力，起到一定的潤(rùn)滑作用，提高拌合物的流動(dòng)性和均勻性，起到減水作用。雖然硅灰的顆粒形狀也接近于球形，但其顆粒極細(xì)，且遠(yuǎn)小于粉煤灰和礦粉，比表面積非常大，從而導(dǎo)致需水量非常高，因此A0組的流動(dòng)度最差。礦粉的顆粒形狀相較于粉煤灰和硅灰，表面棱角更加突出，但其顆粒直徑遠(yuǎn)高于硅灰，因此A2組的流動(dòng)度介于A0組和A1組之間。從測(cè)試結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，用粉煤灰或礦粉替代一部分硅灰時(shí)，摻有粉煤灰的拌合物的流動(dòng)度會(huì)高于摻有礦粉的拌合物，即A3組拌合物的流動(dòng)度高于A4組，而同時(shí)用粉煤灰和礦粉替代一部分硅灰時(shí)，則拌合物的流動(dòng)度介于A3組和A4組之間。

圖1 不同配比UHPC拌合物的流動(dòng)度

2.2 力學(xué)性能

不同養(yǎng)護(hù)方式下各組配比UHPC試件28 d齡期的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從A0、A1和A2試件的28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果中可以看出，無(wú)論是采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是高溫蒸養(yǎng)，28 d抗壓強(qiáng)度的大小順序均為A0>A2>A1，這說(shuō)明三種礦物摻合料中，硅灰的火山灰活性最大，礦粉次之，而粉煤灰最低。對(duì)比各組配比UHPC試件在高溫蒸養(yǎng)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的抗壓強(qiáng)度，不難發(fā)現(xiàn)，在高溫蒸養(yǎng)下各組配比UHPC抗壓強(qiáng)度均有所增加，其中A0試件抗壓強(qiáng)度增幅最大，達(dá)到了14.8%。這說(shuō)明高溫蒸養(yǎng)可以促進(jìn)水泥水化以及礦物摻合料的火山灰反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多的Ca(OH)2和C-S-H凝膠。而且在三種礦物摻合料中，高溫蒸養(yǎng)對(duì)硅灰的效果最好，這可能與硅灰極高的比表面積和反應(yīng)活性有關(guān)。

圖2 不同配比UHPC的抗壓強(qiáng)度

此外還可以發(fā)現(xiàn):在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，A0、A3和A4試件28 d抗壓強(qiáng)度比較接近，這說(shuō)明對(duì)于UHPC，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下用粉煤灰或礦粉分別替代50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的硅灰不會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生較大的負(fù)面影響；而在高溫蒸養(yǎng)下，A3和A4試件28 d抗壓強(qiáng)度相較于A0試件分別下降了7.6%和6.2%。這主要是因?yàn)椋杌抑谢钚許iO2含量極高，且比表面積非常大，其火山灰活性顯著高于粉煤灰和礦粉，火山灰反應(yīng)會(huì)消耗大量的Ca(OH)2。對(duì)于A0試件(硅灰、水泥的質(zhì)量比為1∶4)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，水泥正常水化生成的Ca(OH)2可能無(wú)法完全滿足硅灰火山灰反應(yīng)的需求，從而導(dǎo)致一部分硅灰無(wú)法參與水化反應(yīng)，只能發(fā)揮填充作用，而用粉煤灰或礦粉來(lái)替代一部分硅灰(即A3和A4試件)，并不會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響；而高溫蒸養(yǎng)可以促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，在28 d時(shí)生成更多的Ca(OH)2，會(huì)有更多的硅灰參與二次水化，用粉煤灰或礦粉來(lái)替代一部分硅灰就可能導(dǎo)致能夠參與水化的硅灰的數(shù)量減少，從而使強(qiáng)度下降。從A5試件的28 d抗壓強(qiáng)度也能看出，如果進(jìn)一步用粉煤灰和礦粉來(lái)替代硅灰，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是高溫蒸養(yǎng)都會(huì)導(dǎo)致28 d抗壓強(qiáng)度降低。

2.3 自收縮特性

各組配比UHPC試件自收縮測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從測(cè)試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，所有試件28 d的自收縮數(shù)值都比較大，這是因?yàn)閁HPC的水膠比極低，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)消耗混凝土內(nèi)部孔隙中的水分，很容易造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而產(chǎn)生自干燥現(xiàn)象。自干燥使混凝土內(nèi)部毛細(xì)水凹液面的曲率半徑逐漸減小，根據(jù)Laplace方程與Kelvin公式可知，毛細(xì)水表面張力逐漸增大，導(dǎo)致混凝土受到來(lái)自于自身的壓力增大，從而產(chǎn)生很大的自收縮。事實(shí)上，UHPC的收縮以自收縮為主，陳寶春等[15]發(fā)現(xiàn)，UHPC的自收縮占總收縮的比例一般為78.6%～90.0%。

圖3 不同配比UHPC的自收縮

硅灰摻量最高的A0試件的自收縮最高，這是因?yàn)楣杌冶旧淼念w粒粒徑極細(xì)，平均粒徑只有0.1～0.3 μm，在摻入混凝土中后，其填充效應(yīng)可以細(xì)化混凝土的孔徑，同時(shí)其比表面積極高，以及活性SiO2含量比較高，能很快和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，加速整個(gè)膠凝體系的水化反應(yīng)，在早期生成較多的C-S-H凝膠[16]，而C-S-H凝膠的內(nèi)部孔隙孔徑通常為0.5～10.0 nm，能進(jìn)一步細(xì)化孔徑。因此，A0試件理論上的細(xì)孔含量最高，導(dǎo)致其受到較大的毛細(xì)壓力，從而使其自收縮也較大。此外，當(dāng)粉煤灰和礦粉各替代50%的硅灰后，UHPC試件的自收縮有不同程度的降低，當(dāng)替代率達(dá)到100%時(shí)，自收縮會(huì)進(jìn)一步降低，其中A1試件(粉煤灰替代100%硅灰)自收縮最小，相較于A0試件，28 d的自收縮降低了31.6%。這說(shuō)明UHPC的自收縮受礦物摻合料影響較大。粉煤灰的摻入延緩了早期水泥水化反應(yīng)，減少了C-S-H的生成，不會(huì)產(chǎn)生較多的細(xì)孔，因此降低了混凝土的自收縮。礦粉在一定程度上也可以降低UHPC的自收縮，但降低幅度不如粉煤灰，這是因?yàn)榈V粉的火山灰活性低于硅灰，但高于粉煤灰，在相同摻量下，早期水化程度介于硅灰和粉煤灰之間，從而使混凝土早期的自收縮也介于二者之間。

2.4 孔結(jié)構(gòu)特征

不同孔徑的孔隙會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生不同的影響，為了進(jìn)一步研究UHPC試件的孔結(jié)構(gòu)特征，A0、A1和A2試件經(jīng)過(guò)28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，采用壓汞法測(cè)定其孔徑分布曲線和孔隙特征參數(shù)，測(cè)試結(jié)果分別如圖4和表3所示。

圖4 A0、A1和A2試件的孔徑分布

表3 A0、A1和A2試件的孔隙特征參數(shù)

從圖4的孔徑分布曲線中可以看出，A0、A1和A2試件的孔徑主要分布在100 nm以下，且A0試件曲線位于A1和A2試件曲線的左側(cè)，這說(shuō)明相較于粉煤灰和礦粉，硅灰對(duì)混凝土的孔結(jié)構(gòu)有明顯的細(xì)化作用。有研究[17]表明，影響混凝土自收縮的孔徑范圍一般為5～50 nm。從圖4中可以看出，在5～50 nm的孔徑范圍內(nèi)，A0試件的細(xì)孔占比最高，A2試件次之，A1試件最低，因此A0試件的自收縮最高，A1試件的自收縮最低，A2試件介于二者之間。

從表4的孔隙特征參數(shù)中可以看出，A0試件孔隙率最低，而且平均孔徑和最可幾孔徑也最低，這說(shuō)明與粉煤灰、礦粉相比，硅灰具有較強(qiáng)的活性，在摻入到混凝土中后能夠很快參與水化反應(yīng)，并生成較多的C-S-H凝膠，能填充孔隙并細(xì)化孔徑，提高混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度。當(dāng)用粉煤灰或礦粉替代100%硅灰時(shí)，都會(huì)在不同程度上延緩水化反應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)的孔隙率，降低混凝土的早期強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)采用粉煤灰或礦粉替代硅灰可以改善UHPC拌合物的流動(dòng)性，替代率越高，拌合物的流動(dòng)度越大，且粉煤灰對(duì)流動(dòng)度的提升效果優(yōu)于礦粉。

(2)采用粉煤灰或礦粉替代50%硅灰時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，對(duì)UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度的影響較小，而在高溫蒸養(yǎng)下，則會(huì)導(dǎo)致28 d抗壓強(qiáng)度下降；當(dāng)替代率達(dá)到100%時(shí)，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是高溫蒸養(yǎng)都會(huì)顯著降低28 d抗壓強(qiáng)度。

(3)UHPC的自收縮與孔隙結(jié)構(gòu)中細(xì)孔的含量有關(guān)，用粉煤灰或礦粉替代硅灰能降低細(xì)孔的占比，增大孔徑，減少自收縮，且粉煤灰對(duì)自收縮的抑制效果優(yōu)于礦粉。

(4)在配制UHPC時(shí)，建議用粉煤灰或礦粉替代50%的硅灰，以減小收縮，節(jié)省成本，還可以提高拌合物流動(dòng)性能，同時(shí)不會(huì)使強(qiáng)度大幅下降。