石粉含量与钢纤维长度对机制砂超高性能混凝土性能的影响

王 剑，李北星，杨建波

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.湖北长江路桥股份有限公司，武汉 430077)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一种性能优良的水泥基复合材料，主要由水泥等胶凝基质、微细石英砂、纤维材料和高效减水剂等组成，具有高强度、高韧性和高耐久性三大特点[1]。常规UHPC中的集料一般仅采用粒径小于1.18 mm的级配石英砂，但这也带来了很多负面影响，如材料成本高，拌合工艺复杂且粘度大泵送难等[2]。因此，采用机制砂替代石英砂是一项值得研究的课题。

目前文献中关于采用机制砂制备UHPC的研究较少：Kay等[3]采用粒径小于1.2 mm的花岗岩、石灰岩、火山岩机制砂制备出了经济性UHPC；丁庆军等[4]对比研究了石英砂、河砂和机制砂配制的UHPC工作性能和力学性能，得出石英砂UHPC综合性能最优，机制砂UHPC最差；江晓君等[5]研究了机制砂细度模数与分布模数对RPC抗压强度的影响，发现细度模数3.0且颗粒级配分布模数n值为0.37时的强度最高；Yang等[6]研究了机制砂替代河砂10%～50%配制的UHPC性能，发现机制砂的加入降低了流动性，提高了抗压强度和自收缩，尤其是机制砂中粒径小于125 μm的粉体含量的不利影响应该引起足够重视。

在研究不同钢纤维对UHPC性能影响方面，Wu等[7]进行了短、长钢纤维(6 mm、13 mm)混杂对UHPC抗压强度影响的试验，结果表明当钢纤维总体积掺量保持2%不变时，随着短纤维体积掺量的增加，UHPC的抗压强度先提高后降低，当1.5%的长纤维与0.5%的短纤维混杂时，UHPC的7 d和28 d抗压强度最大。谢林兵[8]选用直钢纤维和端钩形钢纤维，配制了总体积掺量为2%的混杂纤维UHPC，结果表明当1%的直纤维和1%的端钩纤维混杂时，UHPC的抗弯强度达到最大。李传习等[9]的研究表明，随着钢纤维长径比的增大(体积掺量保持2.5%不变)，UHPC扩展度呈下降趋势，抗压、抗折强度随长径比增大皆逐渐增大。

本文针对机制砂富含石粉和颗粒表面粗糙的特性，研究了石粉含量对机制砂UHPC的工作性能、抗压强度、抗弯拉强度、静力受压弹性模量的影响，并与河砂UHPC进行了对比；在此基础上，研究了3种不同长度的钢纤维及其2种不同尺度纤维的组合对机制砂UHPC工作性能与力学性能的影响，以期获得利用机制砂制备UHPC的关键配合比参数和基本性能特点。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积371 m2/kg，表观密度3.14 g/cm3；超细矿渣粉：比表面积708 m2/kg，表观密度2.96 g/cm3；硅灰：比表面积为22.4 m2/g，平均粒径0.2 μm，表观密度2.15 g/cm3。原材料化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of the raw materials /%

河砂：2区中砂，粒径<4.75 mm，细度模数2.9，含泥量0.9%，泥块含量0.5%，表观密度2.63 g/cm3；机制砂：花岗岩机制砂，2区中砂，细度模数2.86，压碎指标19%，石粉含量4%，MB值0.5，表观密度2.72 g/cm3，两种砂的级配曲线见图1、图2；石粉：花岗岩石粉，粒径小于75 μm，用5～10 mm花岗岩机制砂在球磨机中粉磨30 min制得，比表面积326.4 m2/kg。

图1 河砂级配曲线Fig.1 River sand gradation curves

图2 机制砂级配曲线Fig.2 Manufactured sand gradation curves

镀铜钢纤维：有三种尺度，抗拉强度均为2 850 MPa。其一为长度8 mm、直径0.25 mm的平直形短钢纤维，长径比32；其二为长度13 mm、直径0.20 mm的平直型中长钢纤维，长径比65；其三为长度20 mm、直径0.30 mm的端钩形长钢纤维，长径比67。

外加剂：聚羧酸高性能减水剂母液，固含量40%，减水率大于35%。

1.2 配合比

表2是河砂(RS)与不同石粉含量的花岗岩机制砂(MS)作为细集料配制的超高性能混凝土的配合比，选用13 mm钢纤维，体积掺量为2%，水胶比均固定为0.19。MS后缀数字代表石粉含量。

表2 机制砂UHPC配合比Table 2 Mixing ratio of manufactured sand UHPC /(kg/m3)

表3是5组掺不同尺度钢纤维的机制砂UHPC配合比，机制砂石粉含量10%，钢纤维总体积掺量固定2%，水胶比固定0.19。钢纤维长度及长短组合分别为：8 mm短钢纤维(S2)、13 mm中长钢纤维(M2)、20 mm长钢纤维(L2)、8 mm和13 mm钢纤维各掺1%(S1M1)、13 mm和20 mm钢纤维各掺1%(M1L1)。

表3 掺不同尺度钢纤维机制砂UHPC配合比Table 3 Mixing ratio of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber /(kg/m3)

1.3 试验方法

混凝土拌和：将各种原材料、减水剂、水按照所需质量称好，然后将胶凝材料与骨料倒入混凝土搅拌机内干拌1 min，待干拌结束后，再将减水剂与水一同加入搅拌机中继续拌和5 min至流态，最后在搅拌状态下将钢纤维均匀地撒入搅拌机内，继续搅拌2 min，使钢纤维充分分散均匀。

混凝土力学性能试验：抗压强度、抗弯拉强度和静力受压弹性模量试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm、100 mm×100 mm×300 mm，混凝土试件成型后在其表面覆盖薄膜，置于(20±2) ℃条件下静置24 h拆模，拆模后将试件放入(20±2) ℃的标准养护室中继续养护至28 d进行力学性能测试。UHPC强度与弹性模量测试方法参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》标准进行测试，抗压强度试验加载速率0.8～1.0 MPa/s，抗弯拉强度加载速率0.08～0.1 MPa/s，弹性模量加载速率0.8～1.0 MPa/s。

2 结果与讨论

2.1 石粉含量对机制砂UHPC工作性能与力学性能的影响

2.1.1 工作性能

图3为河砂UHPC和不同石粉含量机制砂UHPC的拌合物坍落扩展度试验结果。可以看出，相同减水剂掺量下，MS-5机制砂UHPC的扩展度较河砂UHPC降低15.5%。这主要归结于机制砂的颗粒表面特性和机制砂粒度分布[10]。首先，机制砂颗粒表面粗糙且棱角性强，浆体与机制砂之间内摩擦力的增大导致UHPC拌合物坍落流动时需要克服更大的摩阻力；其次，机制砂中包含更多的细粉状颗粒，能吸附更多的自由水而降低流动性。对比5组不同石粉含量机制砂UHPC的扩展度可以发现，随着石粉含量增大，UHPC达到一定流动度所需的减水剂掺量随之增加。当机制砂石粉含量由5%增至10%时，减水剂掺量由2.2%增加至2.4%，UHPC扩展度由600 mm增至650 mm，维持较好流动性所增加的减水剂掺量不大。而当石粉含量增至超过10%后，即使减水剂掺量继续增加，UHPC扩展度也难以提升，15%石粉含量时相较于10%时的扩展度降低23%。机制砂石粉含量越高，包裹砂石粉的用水量愈多[11]，从而需要额外加入更多的水或减水剂来达到相同的流动性。

图3 河砂和不同石粉含量机制砂UHPC的扩展度 及减水剂掺量Fig.3 Slump flow and amount of water reducing agent of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone powder content

2.1.2 抗压强度

图4为河砂UHPC和不同石粉含量机制砂UHPC的7 d和28 d抗压强度结果。从图4可以看出，随着石粉含量的增加，机制砂UHPC的7 d抗压强度和28 d抗压强度均呈现先增加后下降的趋势，石粉含量12%时抗压强度达到最大，28 d抗压强度为154 MPa。这是由于石粉依靠其粒度较小的优势填充于UHPC中不规则机制砂颗粒间的空隙，起微集料填充作用，但当石粉含量增加到一个极限值时，石粉含量的继续增大会破坏UHPC的最紧密堆积结构，使混凝土强度降低[6,11]。与河砂UHPC相比，石粉含量5%和7%的机制砂UHPC的抗压强度有所降低，28 d抗压强度降低幅度分别为11.7%、5.5%，而石粉含量10%、12%和15%的机制砂UHPC的抗压强度有所增加，28 d抗压强度增加幅度分别为14.8%、20.3%和7.8%。机制砂对UHPC的强度的影响可以从以下几方面进行分析：(1)机制砂的不规则粒形和不良级配不利于UHPC的颗粒堆积，当机制砂石粉含量较低时不足以通过其填充作用使UHPC达到最紧密堆积，因此低石粉含量的机制砂UHPC抗压强度较河砂UHPC降低；(2)与河砂相比，机制砂颗粒的粗糙表面和多棱角特性，有助于增加浆体-骨料之间的黏结力及机制砂颗粒之间的咬合力，从而提高UHPC抗外力能力；(3)机制砂中存在的石粉能吸收部分自由水而降低UHPC胶凝材料系统的水胶比，进一步增加UHPC的抗压强度，但当石粉含量过高时，UHPC拌合物因流动性变差、粘滞性过高而导致成型不密实，对强度会产生不利影响。

图4 河砂和不同石粉含量机制砂UHPC抗压强度Fig.4 Compressive strength of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone power content

2.1.3 抗弯拉强度

图5为河砂UHPC和不同石粉含量机制砂UHPC的7 d和28 d抗弯拉强度结果。可以看出，随着石粉含量的增加，机制砂UHPC的7 d抗弯拉强度和28 d抗弯拉强度均呈现先增加后下降的趋势，在含量为10%时抗弯拉强度达到最大，28 d龄期为25.4 MPa。与抗压强度规律相似，石粉含量5%和7%的机制砂UHPC的抗弯拉强度略低于河砂UHPC，石粉含量10%、12%和15%的机制砂UHPC的抗弯拉强度高于河砂UHPC，其中石粉含量10%的机制砂28 d抗弯拉强度相比河砂UHPC增加了22.1%。

图5 河砂和不同石粉含量机制砂UHPC抗弯拉强度Fig.5 Flexural tensile strength of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone powder content

2.1.4 静力受压弹性模量

图6为河砂UHPC和不同石粉含量机制砂UHPC的28 d静力受压弹性模量结果。弹性模量与集料的强度、粒径与含量均有一定关系。从图中可以看到，随石粉含量的增加，弹性模量呈先增加后减少的趋势，与抗压强度的变化趋势相同。石粉含量5%、7%的机制砂UHPC弹性模量均小于河砂UHPC弹性模量，这是由于石粉含量不足导致UHPC强度偏低，对弹性模量产生了不良影响。石粉含量在12%时的弹性模量最大，其值为45.3 GPa，相比河砂UHPC提高了7.1%。石粉含量继续增大后，弹性模量开始减小，15%掺量时仅为42.8 GPa，相比12%掺量时下降了5.5%，相比河砂UHPC仅提高了1.2%，这是由于石粉含量过大时，在混凝土中起到了一种惰性填料的作用[12]，过于丰富了混凝土的浆体含量，降低了混凝土的骨浆比，从而降低了混凝土的弹性模量。

图6 河砂和不同石粉含量机制砂UHPC弹性模量Fig.6 Elastic modulus of river sand UHPC and manufactured sand UHPC with different stone powder content

2.2 纤维混杂对机制砂UHPC工作性能与力学性能的影响

2.2.1 工作性能

图7显示了3种不同长度钢纤维和2种不同尺度纤维组合制备的机制砂UHPC拌合物的坍落扩展度试验结果。对比S2、M2和L2 不同长度钢纤维UHPC的扩展度可以看出，随钢纤维长度的增加，减水剂掺量即使增大，混凝土的扩展度依然在下降。这是由于加入UHPC基体中的钢纤维长度越长，钢纤维越易缠绕结团，钢纤维的“骨架”作用越明显，这种“骨架”作用对纤维在基体中的分散有不利作用，阻碍了混凝土的流动。另外，虽然M2与L2钢纤维长径比差别不大，二者掺量相同时M2纤维数量多，但L2长纤维端部的端钩增强了纤维间的机械咬合力，增大了纤维之间的摩擦力，从而使UHPC流动性下降。与M2、L2单掺纤维UHPC相比，S1M1、M1L1两种纤维组合UHPC的减水剂掺量有所降低且扩展度均有增加，这是由于S1M1、M1L1相较于M2、L2分别减少了一半数量的较长钢纤维，从而在一定程度上改善了混凝土的拌合物状态和均匀性。

图7 掺不同尺度钢纤维机制砂UHPC扩展度及减水剂掺量Fig.7 Slump flow and amount of water reducing agent of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

2.2.2 抗压强度

图8是3种不同长度钢纤维和2种不同尺寸纤维组合制备的机制砂UHPC的7 d和28 d抗压强度结果。纤维长度分别为20 mm和13 mm的L2、M2混凝土抗压强度差别不大，而纤维长度为8 mm的S2混凝土抗压强度比L2和M2混凝土要低得多，这可能是因为S2的钢纤维长径比偏小，对基体起到的增强作用小，受外力荷载时抑制裂缝扩展的能力有限[13]。另外，与L2和M2混凝土相比，1%的中长钢纤维和1%的长钢纤维混杂的M1L1混凝土28 d抗压强度最高，达到了158 MPa，表明两种钢纤维的复掺比单掺效果更好。之所以出现这种现象主要是因为M1L1混凝土中较长的13 mm平直钢纤维与更长的20 mm端勾钢纤维组合后随机分散到混凝土内部，当混凝土受压产生膨胀变形时会受到两种不同形状、不同长短的钢纤维的拉结约束，间接起到了提高抗压强度的效果。

图8 掺不同尺度钢纤维机制砂UHPC抗压强度Fig.8 Compressive strength of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

2.2.3 抗弯拉强度

图9显示了3种不同长度钢纤维和2种不同尺寸纤维组合制备的机制砂UHPC的7 d和28 d抗弯拉强度结果。从图9可以看到抗弯拉强度最高一组是M1L1，其中28 d抗弯拉强度达到28.1 MPa，相较于M2提高了10.6%，相较于L2提高了5.2%，这是因为当两种纤维混掺时能充分发挥两种纤维各自的性能，在外加荷载作用下，微小裂缝逐渐变为宏观裂缝，长度13 mm的细直纤维对UHPC基体的微小裂缝有很强的抑制作用，而在裂缝宽度逐渐扩大后，细直纤维逐渐被拔出而失去效果，此时长度20 mm长粗端钩纤维因为其较长较粗，且两端有锚固效果，其桥接作用越来越强，能有效地抑制宏观裂缝的发展。同时，20 mm端钩纤维可以视为13 mm直纤维的虚边界，可相对抵抗直纤维的旋转，13 mm直纤维也可以反过来制约20 mm长端钩纤维的旋转并进一步提高长端钩纤维的边壁效应，从而使更多的钢纤维分布在平行于弯曲试验中力的方向，所以两种钢纤维在弯曲全过程都发挥作用[8]。单一纤维因为其在弯曲过程中某一阶段所能发挥的作用有限，所以增强效果会比混掺时差。对比S2、S1M1、M2三组混凝土的抗弯拉强度，M2表现最佳，其次是S1M1，最差是S2，且S1M1没有显示出二种不同尺度纤维的混杂效应。这主要是因为相同钢纤维掺量下，8 mm的短钢纤维的长径比为32，长径比过小使得纤维的利用率低，在外加荷载作用下随着荷载不断加大，短钢纤维被拔出而逐渐失效，增强作用有限。而13 mm钢纤维长径比恰当，桥接作用最为明显，能够最有效地抑制宏观裂缝的发展，从而显著提高UHPC的抗弯拉强度。

图9 掺不同尺度钢纤维机制砂UHPC抗弯拉强度Fig.9 Flexural tensile strength of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

2.2.4 静力受压弹性模量

图10显示了3种不同长度钢纤维和2种不同尺寸纤维组合制备的机制砂UHPC 28 d静力受压弹性模量结果。弹性模量从大到小依次是M1L1、L2、M2、S1M1、S2。这与上述抗压强度趋势基本一致。这是因为在纤维混凝土中，弹性模量与钢纤维的强度、长径比有很大关系。三种不同长度的钢纤维抗拉强度一致，但长径比不同，8 mm平直型钢纤维长径比为32，13 mm平直型钢纤维长径比为65，20 mm端钩形钢纤维长径比为67。长径比大的13 mm、20 mm钢纤维在混凝土的受力破坏过程中能吸收大量能量，相比8 mm钢纤维起到了更好的加筋补强作用，间接地提高了混凝土抗压强度，使混凝土开裂前后的形态发生根本性变化，从而改善了混凝土的变形性能[14]。

图10 掺不同尺度钢纤维机制砂UHPC弹性模量Fig.10 Elastic modulus of manufactured sand UHPC with different sizes of steel fiber

3 结 论

(1)机制砂由于颗粒表面粗糙、多棱角及含有石粉微细颗粒的特性，致使机制砂UHPC的流动性低于河砂UHPC，并随石粉含量的增加而降低，尤其是当石粉含量超过10%后，机制砂UHPC流动性降低显著。

(2)机制砂石粉含量对UHPC力学性能有显著影响。机制砂UHPC的力学性能随石粉含量增加呈先增后降趋势，其中石粉含量12%的机制砂UHPC抗压强度、弹性模量最高，石粉含量10%的机制砂UHPC抗弯拉强度最高。在相同水胶比下，机制砂石粉含量<10%时，机制砂UHPC力学性能较河砂UHPC略低；石粉含量≥10%时，机制砂UHPC力学性能优于河砂UHPC，但当石粉含量高达15%时，机制砂UHPC的力学性能与河砂UHPC差别不大。综合机制砂石粉含量对UHPC工作性能与力学性能的影响结果，本研究的机制砂UHPC最佳石粉含量为10%。

(3)钢纤维长度及其不同长度钢纤维组合对机制砂UHPC工作性能和力学性能有较大影响。在钢纤维总体积掺量2%不变情况下，随着纤维长度的增加，机制砂UHPC的流动性下降，抗压强度、抗弯拉强度、静力受压弹性模量均呈增大趋势；1%的长度13 mm平直钢纤维和1%的长度20 mm端勾钢纤维混杂时，机制砂UHPC的各项力学性能最佳。