固廢在UHPC中的應(yīng)用研究

呂建仁（甘肅省建設(shè)工程檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證中心有限公司，甘肅 蘭州 730070）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC）是一種具有高強(qiáng)度、韌性和耐久性的新型水泥基復(fù)合材料[1]。UHPC的發(fā)明，滿足了結(jié)構(gòu)向更大跨度、更高高度和更高性能發(fā)展的需要，經(jīng)過近40年的發(fā)展，現(xiàn)已應(yīng)用于建筑構(gòu)件、橋梁及防爆工程等部位[2,3]。UHPC 具有優(yōu)異的強(qiáng)度和耐久性，在配制中具有如下特點(diǎn)[4-6]：①需要添加大量水泥（800kg/m3～1000kg/m3）及礦物摻合料；②水膠比低（不超過0.2）；③去除粗骨料等。這就使得UHPC 在配制中需要大量?jī)?yōu)質(zhì)原材料，如水泥、石英砂及纖維等，導(dǎo)致UHPC 的配制成本較普通混凝土大大提高[7]，限制了UHPC 在實(shí)際工程中的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，尋求來源廣泛且價(jià)格低廉的替代材料，是UHPC當(dāng)前及以后的重點(diǎn)研究方向。

工業(yè)固體廢棄物（以下簡(jiǎn)稱固廢）是指在工業(yè)生產(chǎn)等過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，包括但不限于硅灰、粉煤灰、礦渣、錳渣及磷石膏等[8]。我國(guó)每年固廢排放量約為33億噸，累積堆存量超600億噸，實(shí)現(xiàn)固廢的資源化利用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[9-11]。

隨著原料的日趨減少和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，綠色發(fā)展已然成為一種趨勢(shì)。2020 年9 月，在聯(lián)合國(guó)第75 屆大會(huì)上，我國(guó)提出了2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)。固廢資源化利用作為一項(xiàng)綠色產(chǎn)業(yè)是變廢為寶、興利除弊的重要突破口，不僅經(jīng)濟(jì)利益可觀，而且還可以大量節(jié)省礦產(chǎn)資源，減少環(huán)境污染，降低安全風(fēng)險(xiǎn)[12]。

采用固廢替代水泥或礦物摻合料，制備滿足性能要求的UHPC 具有良好的應(yīng)用前景。本文總結(jié)了各類固廢材料對(duì)UHPC工作性能、力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性的影響，并對(duì)其相應(yīng)的作用機(jī)理予以分析，旨在提高固廢的資源化利用程度，同時(shí)也能進(jìn)一步拓展UHPC的應(yīng)用空間。

1 工作性能

張吉松等[13]將硅灰、稻殼灰和高嶺土添加至UHPC，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，控制擴(kuò)展度在250mm～280mm，隨著硅灰摻量的增加，減水劑用量減少，可能是由于硅灰顆粒粒徑較小，其球形的微觀形態(tài)起到顆粒間的潤(rùn)滑作用；衛(wèi)煜[14]將鋼渣、礦渣及粉煤灰粉磨制得礦物摻合料，并采用內(nèi)摻法替代部分硅灰添加至UHPC，試驗(yàn)結(jié)果顯示，與單摻20%硅灰相比，摻超細(xì)摻和料的拌合物流動(dòng)度提高34.28%，表明礦物摻合料對(duì)提高工作性能有利；肖銳等[15]研究了粉煤灰對(duì)UHPC流動(dòng)性的影響，發(fā)現(xiàn)其取代水泥能提高UHPC 的流動(dòng)度。此外，研究發(fā)現(xiàn)，利用磷渣替代部分水泥，會(huì)延長(zhǎng)UHPC 中水泥的水化休眠期，顯著改善UHPC 的流動(dòng)性[16]。與此相反，沸石超細(xì)粉的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)吸收一部分水，反而降低了漿體的流動(dòng)性[17]。

2 力學(xué)性能

適量的硅灰會(huì)提高UHPC的力學(xué)性能，這主要是由于硅灰的微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)[18]，顯著提高了UHPC的密實(shí)度。此外，硅灰會(huì)增加UHPC體系中的二次反應(yīng)（火山灰反應(yīng)），10%～15%的硅灰會(huì)使得UHPC具有較低的黏度和更均勻的纖維分布[19]。因此，硅灰在UHPC配制中幾乎不可或缺。采用粉煤灰替代部分超細(xì)水泥會(huì)提高UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，這可能是由于在超低水膠比條件下，粉煤灰會(huì)降低漿體的孔溶液電阻和阻抗，同時(shí)粉煤灰具有負(fù)電效應(yīng)，促使水泥漿體更容易包裹集料和纖維，增加了UHPC基體的密實(shí)度[18,20,21]。?；郀t礦渣（ground granulated blast-furnaces slag，GGBS）單摻對(duì)UHPC早期抗壓強(qiáng)度影響不大，但會(huì)顯著提高后期抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度[22]。這顯然與硅灰及粉煤灰等火山灰材料不同，可能是由于GGBS中含有的CaO高于前者，對(duì)水泥水化促進(jìn)作用不明顯。但摻有GGBS的UHPC，為火山灰反應(yīng)提供了充足的Ca(OH)2，在硅灰的成核作用下，增加了后期的火山灰反應(yīng)，因而對(duì)后期力學(xué)性能提供了保障。但若考慮同時(shí)將GGBS、硅灰及粉煤灰粉磨后復(fù)摻至UHPC，10%的超細(xì)粉可使得UHPC試樣28d抗壓強(qiáng)度高達(dá)150MPa[1]，這可能是由于超細(xì)粉調(diào)節(jié)了粉體顆粒的顆粒集級(jí)配，且火山灰效應(yīng)生成更多的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，填充了漿體的孔隙，使得UHPC更為密實(shí)，從而提高了UHPC的力學(xué)性能。此外，研究表明，提高養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)含超細(xì)粉UHPC的早期力學(xué)性能，這可能是由于提高養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)降低UHPC基體的孔隙率，促進(jìn)了復(fù)合體系的水化反應(yīng)程度，增加了微觀致密性，同時(shí)在一定程度上降低了水化產(chǎn)物的Ca/Si比[23]。

3 體積穩(wěn)定性

UHPC 收縮的特點(diǎn)是[24]，早期收縮（0～7d）發(fā)展快，約占總收縮的61.3%～86.5%；中期（7d～28d）發(fā)展緩慢，占比13.5%～27.9%；而后期趨于穩(wěn)定。因此，圍繞UHPC 早期收縮占比大的難題展開了系列研究。除減縮劑[25,26]、膨脹劑[27,28]及內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料[29,30]可以減少UHPC 的早期收縮外，采用固廢替代水泥，可以從源頭上減小UHPC的早期收縮，同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。

王冠[31]研究發(fā)現(xiàn)，活性摻合料（硅灰、粉煤灰等）部分取代水泥會(huì)降低UHPC漿體早期的水化反應(yīng)速度，從而降低UHPC的早期收縮。同樣地，涂亞秋[32]將粉煤灰和礦粉替代部分水泥，發(fā)現(xiàn)兩者均能有效降低UHPC的早期收縮，且低摻量礦粉替代硅灰效果更明顯，分析認(rèn)為，活性礦物在早期產(chǎn)生了更多的Ca(OH)2是補(bǔ)償收縮的主要原因。采用10%的復(fù)摻超細(xì)粉（GGBS-硅灰-粉煤灰）替代水泥會(huì)進(jìn)一步降低UHPC的自收縮和干燥收縮[1]。事實(shí)上，總結(jié)以上固廢基UHPC 可以降低早期收縮的主要原因，一方面，是由于摻合料減少了體系中水泥的體積分?jǐn)?shù)，減少了水泥水化放熱量，這從根本上降低了UHPC 的早期收縮；另一方面，礦物摻合料可能促進(jìn)膨脹組分（如Ca(OH)2）的生成，補(bǔ)償了UHPC 早期收縮。同時(shí)，經(jīng)粉磨的超細(xì)粉具有更小的顆粒集配及更大的比表面積，在誘導(dǎo)前期具有明顯的“爭(zhēng)水效應(yīng)”，從而降低了體系中水泥的水化程度，對(duì)降低收縮有利。

4 耐久性

相比于純水泥制備的UHPC，礦物摻合料基UHPC可明顯提高基體抗氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕及抗鹽霧腐蝕性能，尤其是長(zhǎng)齡期（＞56d），但并不會(huì)明顯改善UHPC 的抗碳化性能[1]。硅灰在膠凝體系中一般在24h后水化，且早期快后期慢。而粉煤灰則需要7d 時(shí)間方開始水化，并在7d后開始逐漸加速，粉煤灰中的無定型玻璃體水化后生成水硬性C-S(A)-H，能有效填充于基體孔隙中。因而，粉煤灰對(duì)UHPC耐久性貢獻(xiàn)要高于硅灰[33,34]。石灰石粉（LP）能促進(jìn)水泥水化，其晶核作用和填充效應(yīng)（超低w/b下，LP為惰性組分），形成堅(jiān)硬的碳鋁酸鹽，有效填充基體的孔隙，同樣會(huì)提高UHPC 的密實(shí)度[35]。此外，采用廢橡膠纖維替換細(xì)骨料，并加入5%的硅灰來制備混凝土，可增加基體與纖維之間的粘接性能[36]，提高混凝土耐久性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮不同固廢間的協(xié)同效應(yīng)來進(jìn)一步提高固廢基UHPC的性能。

5 環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)效益

2025年，大宗固廢的綜合利用能力應(yīng)顯著提升，新增固廢利用率達(dá)到60%，存量大宗固廢有序減少，因此，采用固廢制備水泥基材料，對(duì)于提高固廢利用率意義深遠(yuǎn)。水泥作為使用最廣泛的建筑材料，占全球CO2排放總量的7%[37]，采用固廢替代水泥，可以有效減少水泥熟料生產(chǎn)中的CO2排放，有助于推動(dòng)了綠色發(fā)展。

如表1 所示，以某項(xiàng)目為例，配制1m3UHPC 需要800kg 水泥，而每生產(chǎn)1t 水泥熟料約產(chǎn)生1tCO2。由此可知，每生產(chǎn)1m3混凝土，以粉煤灰替代部分水泥，便從源頭上減少CO2排放量高達(dá)100kg，而提高礦物摻合料使用比例，這種降碳效應(yīng)將更為明顯。此外，與理論配合比相較，實(shí)際配比中使用粉煤灰等礦物摻合料具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 某項(xiàng)目UHPC配比

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

（1）UHPC 具有超高的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐久性，但UHPC生產(chǎn)成本高，不利于推廣使用。使用礦物摻合料制備固廢基UHPC，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，且適量的固廢可以進(jìn)一步提高UHPC 的流動(dòng)性、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性。

（2）綠色發(fā)展已成為一種趨勢(shì)，采用固廢制備UHPC 是一種有前途的選擇，將固廢摻合料用于制備UHPC，可以從源頭上減少CO2排放。

（3）固廢在UHPC中的作用機(jī)理可以歸結(jié)為微集料的填充效應(yīng)、成核效應(yīng)及火山灰效應(yīng)。在超低水膠比條件下，部分惰性組分起到了填充效應(yīng)，尤其是經(jīng)過進(jìn)一步加工粉磨的礦物摻合料優(yōu)化了UHPC 中粉體的級(jí)配，起到了填充效應(yīng)。而以硅灰、粉煤灰等為代表的活性摻合料，在膠凝材料水化中起到了成核作用，并增加了體系的二次水化（火山灰效應(yīng)），消耗Ca(OH)2并產(chǎn)生更多的C-S(A)-H凝膠，填充了UHPC基體的孔隙，使得UHPC更為致密。

6.2 展望

（1）固廢作為一種價(jià)值低廉且來源廣泛的材料，可以部分替代水泥來制備UHPC。當(dāng)前重點(diǎn)研究了部分一元及二元固廢對(duì)UHPC體系的影響。事實(shí)上，不同的廢物摻合料物理性質(zhì)不同，因此應(yīng)注意摻合料的協(xié)同作用，可以考慮三元或更多元廢物摻合料對(duì)UHPC的協(xié)同影響，以期在保證UHPC 性能的前提下，進(jìn)一步提高固廢的使用量。

（2）目前，我國(guó)主要研究的固廢為硅灰、粉煤灰、赤泥、鋼渣及脫硫灰等，而一些普通的固體廢物垃圾，如廢棄混凝土、廢棄橡膠制品等，也可經(jīng)過預(yù)處理，制備如橡膠纖維UHPC，以期進(jìn)一步提高UHPC 的各項(xiàng)性能。