机制砂超高性能混凝土力学性能研究

何 霞 郭江川

(重庆交通大学 重庆 400000)

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型的超高强混凝土，具有超高强、低脆性、优异的耐久性的特点；是近30年工程材料的一重大跨越，赋予了水泥基材料新的使命，具有低碳环保，性能优异等特点[1-4]。它是由水泥、粉煤灰、矿渣粉、细集料、硅粉、矿渣粉、高性能减水剂等材料组成，为了改善UHPC的韧性加入钢纤维。以往的UHPC制作采用的是石英砂和天然河砂，随着建筑行业的快速发展，天然河砂的大量开采及其应用导致了资源匮乏等一系列问题，石英砂的生成工艺较为复杂且成本较高，机制砂是石料通过制砂设备加工而成，石料品种较为丰富，且工艺简单，成本较低，因此，采用机制砂代替石英砂和天然河砂成为必然的发展趋势[5-7]。

冯滔滔[8]等人采用了机制砂取代河砂制作超高性能混凝土研究了其冲击压缩力学性能，结果表明机制砂代替河砂后，UHPC的抗压强度与仅用河砂配制的UHPC相近，且机制砂UHPC具有优异的抗冲击性能，可以承受多次冲击行为。范金朋[9]等人通过不同种类机制砂代替河砂制得UHPC，优质的机制砂种类有利于改善混凝土性能。李振怀[10]等人采用石灰石和卵石两种石料制得机制砂，研制了高强混凝土，研究了机制砂的石粉含量对混凝土的性能影响。

本文中笔者采用机制砂制得UHPC，钢纤维体积掺量为2%，通过不同的水胶比和砂胶比[11]探究机制砂超高性能混凝土的力学性能。

一、实验

(一)原材料

水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积375m2/kg，依据相应规范对水泥进行物理性能的测定，测定结果见表1.1。硅灰比表面积为2.52×104m2/kg,；矿渣粉表观密度为2.89g/cm3；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，表观密度为2.6g/cm3；机制砂采用辉绿岩机制砂(0-1.18)，表观相对密度2.923，含水率0.2%，石粉含量3.8%；减水剂为聚羧酸系高性能粉体减水剂；钢纤维直径为0.2mm，长度为13mm。

表1.1 普通硅酸盐水泥物理性能检测

通过大量配合比试验，选取不同砂胶比和水胶比来探讨机制砂超高性能混凝土的工作性和力学性能，如表1.2。

表1.2 机制砂UHPC配合比

(二)制备

采用振动搅拌机，首先将制备超高性能混凝土的原材料：水泥、机制砂、硅灰、粉煤灰、矿渣粉及粉状减水剂投入振动搅拌机搅拌中干拌120s，将钢纤维通过筛网均匀筛下，以保证钢纤维在拌和机中均匀分散，再次启动振动搅拌机搅拌30s，最后加入将配合比中定量的水并搅拌90s。搅拌结束后，将超高性能混凝土浆体搅入涂有脱模剂的模具中。将试件盖上保湿膜放入室内常温养护2d，然后脱模。

(三)养护

总体来看，民国时期公共体育场场长的相关规定既有单行法规也有综合性法规，相关条文对公共体育场场长的任职条件、薪金待遇、主要的工作职责等作出了规定。这些法规为公共体育场场长的身份提供了法制方面的保障，同时也是我们认识民国时期公共体育场场长这一群体的基础。

脱模后的试件，分别进行三种养护方式处理(标准养护、85℃恒温水养、高温蒸压养护)，标准养护温度为20±2℃，相对湿度大于95%；恒温水养为90℃恒温水浴养护48h，然后转入标准养护至相应龄期；高温蒸压养护将试件放入高温蒸养箱然后以不超过15℃/h的速率升温至90℃，恒温48h，然后以不大于15℃/h的速率降至室温,转入标准养护至相应龄期。

(四)实验

机制砂超高性能混凝土的工作性采用坍落扩展度来表征，参照《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》(GB/T50080-2016)，由于UHPC水胶比较小，在搅拌和实验过程中尽量减少水分的挥发，故改为分两次装平坍落度桶。

试件养护至7d、28d进行力学试验，机制砂超高性能混凝土力学试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行立方体抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度试验。

二、结果与讨论

(一)工作性

机制砂UHPC未掺钢纤维的坍落扩展度为650mm，钢纤维的加入降低了UHPC的流动性。砂胶比为0.95、1.05、1.15的机制砂UHPC的坍落扩展度分别为600mm、580mm、550mm，随着砂胶比的增加，机制砂UHPC的流动性降低。这主要是因为随着机制砂用量的增加，比表面积增大，需要更多的胶凝材料和水来裹覆，导致流动性下降；机制砂制备工艺中，机制砂包含的石粉含量较多，导致浆体粘度较大需水量较大不利于工作性，再加上机制砂颗粒形貌特性，表面粗糙，不规则、棱角分明，导致颗粒之间摩擦力较大，也会导致UHPC的流动性下降。在砂胶比1.05的基础上调整水胶比分别为0.16、0.18、0.20，可观察到UHPC的流动性随着水胶比的增大而增加，坍落扩展度由540mm增加到610mm，流动性得到很大改善。当水胶比为0.16成型试件时浆体流出十分缓慢，需要插捣才能密实，此配合比可用于预制件的制备，不利于现场施工；水胶比增加到0.18时，UHPC流动性有明显的改善，浇筑试件只需轻微振捣；水胶比0.20时，浆体顺畅流出，成型试件无需人工抹平。

表2.2 恒温水浴养护下各组UHPC的力学性能

(二)抗压强度

如表2.1、2.2、2.3可知，钢纤维的掺入大幅度的提高了UHPC的抗压强度，主要是钢纤维在混凝土中起桥接作用，形成纤维网状结构，抑制裂纹的产生和发展，消耗更多断裂能，进而提高抗压强度。机制砂UHPC在标准养护下7d抗压强度可达到120MPa左右，而高温蒸压养护和恒温水浴养护的7d抗压强度可达到145MPa左右，提高了20.8%。两种热养护相比于标准养护，均可以提高机制砂UHPC的抗压强度，其效果相当，主要是因为高温蒸压养护与恒温水浴养护作用原理相似，两种热养护都能促进早期水化过程的进行，且抑制混凝土内部水分的逸出，建立高温、高湿的养护环境，水化反应越剧烈，水化进程也加快，且温度越高水泥及掺合料的活性越大，会加速矿物掺合料与水化产物进行二次反应，使UHPC内部形成较为致密的C-S-H框架结构，促进掺合料的火山灰效应，使混凝土基体更加致密，进而显著提高抗压强度。在抗压试验过程中，不同养护制度的UHPC试件在破坏时的声音也不同，两种热养护的UHPC试件在破坏时伴随着明显“嘣”的炸裂声，而标准养护的UHPC试件在受压破坏时，只有轻微的钢纤维在内部受力的拉扯开裂声。这也变相的反映了热养护使机制砂UHPC基体内部更为致密，水化产物之间粘结力更强。

表2.1 标准养护下各组UHPC的力学性能

标准养护28d的抗压强度比7d龄期的提升20.1%，因为标准养护7d水化反应不完全，28d龄期中持续水化反应，使UHPC试件更致密。高温蒸压养护和恒温水浴养护的28d抗压强度比7d的抗压强度增加较少，是因为两种热养护对机制砂UHPC的提供了高温、高湿、高压的养护环境，促使UHPC水化反应迅速，使早期水化进程较为完全，水化反应消耗大量的水，所剩游离自由水较少，且生成的水化产物阻碍了自由水的运动，所以UHPC得后期抗压强度增加的较缓。

由图2.1为机制砂UHPC不同砂胶比的抗压强度，在三种养护制度下，抗压强度随着砂胶比的增大先增加后减少。砂胶比1.05在高温蒸压养护7d抗压强度为142.4MPa，砂胶比1.15的7d抗压强度为156.4MPa，砂胶比0.95抗压强度小，胶凝材料裹覆机制砂有富余，收缩较大，收缩引起缺陷导致抗压强度不高，而砂胶比1.05的UHPC抗压强度增大是因为机制砂颗粒粗糙、棱角分明，具有较高的机械咬合力，颗粒之间有较大摩擦力，胶凝材料与机制砂的裹覆附着力更强，砂胶比增大为1.15时抗压强度减小，胶凝材料不能完全裹覆骨料，机制砂之间的空隙无法得到填充，导致胶凝材料与骨料的界面变弱，且砂胶比增大，需水量也增加，导致流动性差，试件成型过程中产生缺陷较多。

图2.1 不停砂胶比机制砂UHPC抗压强度

图2.2为机制砂UHPC不同水胶比的抗压强度，在三种养护制度下，抗压强度随着水胶比的先增大后减小。水胶比较小时，UHPC的流动性较小，再加上机制砂颗粒粗糙特性，没有石英砂的，混凝土在成型过程中，密实不完全，出现空洞缺陷导致混凝土强度降低，当水胶比过大时，会影响C-S-H凝胶的强度，进而影响UHPC的强度，所以当水胶比为0.16和0.18时，机制砂UHPC的抗压强度差别不大。

图2.2 不同水胶比机制砂UHPC抗压强度

(三)抗折强度

由表2.3，分析可得，加入2%体积掺量的钢纤维使机制砂UHPC在高温蒸压养护下抗折强度比未掺钢纤维提高了123.2%，达到了26.13MPa。试件在受到荷载的作用，开始发生缓慢变形，随着荷载的增加，抗折试件在跨中区域开始出现裂缝。随着实验过程的继续，试件的裂纹宽度变大，并不断的伴随着纤维拔出的声音。钢纤维在UHPC中形成纤维网状结构，通过界面效应吸收更多断裂能来增强增韧UHPC。从抗折实验结果可知标准养护的机制砂UHPC比两种热养护的7d抗折强度要低，只有21MPa左右，而其他两种热养护的抗折强度高达26MPa。原因是养护制度不同，UHPC水化程度不同，标准养护的水化反应较缓慢，水化生成C-S-H凝胶较少，导致纤维与基体界面粘结力较低，纤维发挥增韧作用较小，而两种热养护促进了水化进程，UHPC基体内部更为致密，生成的C-S-H凝胶更更多、为致密，缺陷较少，纤维与基体粘结强度高，纤维脱粘、纤维桥接、纤维拔出、纤维断裂等过程吸收更多能量达到增韧的目的。

表2.3 高温蒸压养护下各组UHPC的力学性能

图2.3是不同砂胶比，机制砂UHPC抗折强度变化趋势，从三种不同养护制度的抗折强度可知，随着砂胶比增加机制砂UHPC抗折强度先增大后减小。砂胶比0.95在高温蒸汽养护下7d抗折强度25.85MPa，而砂胶比1.05机制砂UHPC7d抗折强度26.92MPa，由于砂胶比为0.95时胶凝材料裹覆集料有富余，导致水化过程中收缩较大，引起机制砂UHPC基体内部缺陷，形成微裂纹，所以比砂胶比1.05的抗折强度低。当砂胶比增加到1.15时，抗折强度下降到25.15MPa，由于砂胶比的增大，机制砂掺量增多，集料之间的空隙增加，机制砂的比表面积增大，需要更多的胶凝材料来填充空隙和裹覆。当胶凝材料无法填充空隙和裹覆集料时，会影响UHPC的工作性，导致其流动性下降，UHPC成型过程中无法自动密实。当砂胶比高，胶凝材料无法完全裹覆集料，使C-S-H凝胶与骨料界面区和C-S-H与钢纤维界面区薄弱，导致强度下降。

图2.3 不同砂胶比机制砂UHPC抗折强度

水胶比对机制砂UHPC抗折强度的影响，在三种养护制度下，机制砂UHPC的抗折强度随着水胶比增大先增大后减小。当水胶比为0.16时，UHPC的流动性不足，成型过程中基体内部无法密实，内部气泡无法排除，容易出现孔洞形成缺陷，导致抗折强度降低；当水胶比0.18时，机制砂UHPC的抗折强度达到了最高，高温水浴养护抗折强度达到了29.23MPa，且工作性也较好；当水胶比增加到0.20时，流动性得到了很大的改善，但是用水量增加，会降低水化硅酸钙的强度，且在水化过程水被消耗留下孔洞，导致抗折强度降低。

(四)劈裂抗拉

从机制砂UHPC劈裂抗拉强度的试验结果分析，可得出劈裂抗拉强度的规律基本与抗压强度和抗折强度相似，高温蒸汽养护和高温水浴养护比标准养护的劈裂抗拉强度提升的更多，主要是两种热养护方式能促进其水化反应，能促进硅灰等掺合料的火山灰效应，强度提升快；其中砂胶比为1.05和水胶比为0.18时劈裂抗拉强度达到峰值，在高温水养制度下7d、28d的劈裂抗拉强度分别为15.64MPa、15.81MPa，比未掺钢纤维7d、28d的劈裂抗拉强度分别提高了109.7%、106.7%，过高过低的砂胶比和水胶比都会对机制砂UHPC强度造成不良的影响，所以选择合适的砂胶比和水胶比能使机制砂UHPC的工作性和力学性能达到最佳。

三、结论

(1)机制砂UHPC在三种不同的养护制度下，水化进程各有不同，两种高温养护方式能提供高温高湿高压的环境，能促进硅灰、粉煤灰等掺合料的火山灰效应，形成二次水化，使UHPC强度提升较快。

(2)机制砂UHPC在钢纤维的加入，大幅度的提升了其力学性能，尤其是抗折强度与劈裂抗拉强度，钢纤维在UHPC基体内形成纤维网络结构，阻碍裂纹的产生和发展，消耗更多能量起到增强增韧的作用。

(3)增大机制砂UHPC的水胶比时，会导致UHPC的流动性呈线性增加，抗压强度会随着水胶比的增大，先增加而减小，主要因为过低水胶比会导致UHPC流动性较差，无法填充密实，微结构中留有大量气孔等缺陷；过高的水胶比会导致C-S-H凝胶强度降低，所以本文试验研究得出水胶比为0.18时，有较好的工作性和力学性能。

(4)机制砂UHPC的砂胶比对其工作性和力学性能都有较大的影响，当砂胶比较小时，水泥胶浆裹覆砂料后富余过多会导致UHPC收缩，过高的砂胶比水泥胶浆裹覆不足导致C-S-H凝胶与细骨料界面薄弱，导致强度下降。所以本文试验研究得出砂胶比为1.05时，有较好的工作性和力学性能。