沸石粉取代部分硅灰的超高性能混凝土力学性能研究

2021-04-16何智海胡海波WOLDERUFAELYirgalemfissiha韩旭东

硅酸盐通报 2021年3期

兰波，何智海，胡海波，WOLDERUFAEL Yirgalemfissiha，杨莹，韩旭东

(绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)，也称为活性粉末混凝土(RPC)，是一种具有超高强度和韧性以及优异耐久性的新型水泥基复合材料[1-2]。基于最紧密堆积理论，UHPC通常由水泥、硅灰、石英砂、高强度纤维和高效减水剂等组成。其中，硅灰作为一种纳米级粉体颗粒，不仅可以起到填充内部孔隙的微集料效应，而且具有良好的化学活性效应，逐渐成为制备UHPC的主要组分之一，但其价格较高、产量有限，阻碍了UHPC的生产和推广应用[3]。

随着混凝土技术不断地发展进步，有研究表明[4-8]，部分固体废弃物能够明显改善混凝土的性能，并在UHPC中得到了成功运用。Han等[9]用超细石灰石粉等质量取代10%(%为质量分数，后续未作说明的，均为质量分数)的硅粉，制备出抗压强度为210 MPa的UHPC，比不掺石灰粉的基准试件强度高出8%。Ahmad等[10]分别用天然火山灰、粉煤灰、水泥窖粉、钢渣粉、石灰石粉等质量取代部分硅灰，制备UHPC。结果表明，当火山灰和粉煤灰取代硅灰的掺量为60%，而水泥窖粉、钢渣粉和石灰石粉的取代率为20%时，UHPC的流动度与强度都满足要求。Vigneshwari等[11]用稻壳灰分别取代10%、20%、30%、40%和50%的硅灰，配制的UHPC在蒸养后的抗压强度较基准组提高了12%～56%，抗折强度提高了11%～38%。郑君焕[12]分别比较了复掺偏高岭土与粉煤灰、复掺硅灰与粉煤灰对RPC的强度贡献。结果表明，平均粒径为28 μm的偏高岭土对RPC的强度贡献与硅灰相近，这说明偏高岭土与硅灰的活性相近，偏高岭土可以部分或全部取代硅灰。Yazici等[13-14]采用210 ℃高温蒸压8 h的养护制度，制备出了最高抗压强度为281 MPa，各组平均抗压强度超过250 MPa的高炉矿渣取代硅灰的RPC。Zhu等[15]研究认为再生微粉取代硅灰制备UHPC是可行的。此外，Shi[16]、Kathirvel[17]、祖庆贺[18]和 Peng[19-20]等研究了各种矿物掺合料取代水泥制备UHPC，也取得了良好的效果。

天然沸石广泛分布于美国、日本、俄罗斯等40多个国家，矿床总数1 000多个，品种40多种，总储量数十亿吨。我国沸石资源也相当丰富，已有产地150余处，遍及浙江、河北、山东、辽宁和内蒙古等21个省份，年产量达1 000余万吨[21]。沸石粉由沸石磨细而成，是一种可就地取材、价格低廉的矿物掺合料，可用于生产制备水泥基材料，改善其部分性能。谭多枝[22]和Poon[23]等比较了沸石粉与硅灰、粉煤灰、矿渣等矿物掺合料的火山灰活性，认为沸石粉是一种活性仅次于硅灰的优良矿物掺合料。Ortega[24]和Feng[25]等研究表明，沸石粉具有和硅灰类似的二次火山灰效应，能很好地保证混凝土的后期强度。Sabet[26]和关力维[27]等用沸石粉取代10%水泥，改善了混凝土的颗粒级配，提高了混凝土的密实度和耐久性。杜文瀚等[28]利用天然沸石粉取代20%水泥制备的普通混凝土，其28 d抗压强度为45 MPa，约为基准组的90%左右。Markiv等[29]用沸石粉取代10%水泥得到的混凝土，其90 d的抗压强度较不掺沸石粉的基准组低，但其180 d抗压强度达到63 MPa，高于基准组的61 MPa。Najimi等[30]研究表明，沸石粉取代15%水泥的混凝土抗压强度与不掺沸石粉基准组相差无几。由此可见，相比于水泥，沸石粉具有良好的性能，适量的沸石粉取代水泥制备混凝土是可行的。除此之外，相关研究表明，沸石粉还能改善混凝土的工作性能，减少混凝土的自收缩，并已在实际工程中得到了成功运用[31-33]。沸石粉在混凝土中的应用研究较为广泛，但鲜见沸石粉在UHPC中的研究报道。

为降低UHPC成本，提高UHPC制备技术，本文首先采用沸石粉取代部分硅灰制备UHPC，研究了沸石粉掺量对UHPC力学性能的影响；其次，在适宜沸石粉掺量条件下，探究了不同水胶比对UHPC力学性能的影响；最后研究了不同体积掺量钢纤维对沸石粉UHPC力学性能的影响。本研究成果有助于推动沸石粉在UHPC中的研究与应用。

1 实验

1.1 原材料

选用P·O 52.5普通硅酸盐水泥(C)，中值粒径为17.98 μm，比表面积为356 m2/kg，其主要物理性能指标见表1；硅灰(SF)为巩义恒诺滤料有限公司生产的纳米级粉末，中值粒径为0.21 μm，比表面积为25 428 m2/kg；沸石粉(ZP)为巩义元亨净水材料厂生产的白色粉末，中值粒径为13.6 μm，其7 d和28 d活性指数分别为91.3%和95.5%，满足I级标准。水泥、硅灰和沸石粉的主要化学组成见表2，其粒径分布见图1，微观照片见图2。结合图1和图2可以看出，硅灰颗粒极细，沸石粉颗粒小于水泥颗粒。

表1 水泥主要物理性能Table 1 Main physical properties of cement

表2 原材料主要化学组成Table 2 Main chemical composition of raw materials

标准砂(SS)为福建艾思欧有限公司生产的黄白色颗粒；外加剂为聚羧酸类高效减水剂(SP)，液体状，固含量为28%，减水率为25%；纤维为镀铜钢纤维，长13 mm，直径0.22 mm，长细比60，抗拉强度2 810 MPa；水为自来水。

图1 原材料的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of raw materials

图2 粉体材料的SEM照片Fig.2 SEM images of powder materials

1.2 配合比设计

为研究沸石粉对UHPC性能的影响，分别设计了沸石粉等质量取代部分硅灰、水胶比和钢纤维体积掺量3个系列的配合比，如表3所示。其中，沸石粉等质量取代硅灰的掺量分别为15%、30%、45%和60%(质量分数，下同)，分别命名为ZP15、ZP30、ZP45和ZP60，ZP0为不掺沸石粉的基准组；从中优选出较好的沸石粉掺量，研究了4组不同水胶比(0.14、0.16、0.18和0.20)对UHPC力学性能的影响，分别命名为ZP30-0.14、ZP30-0.16、ZP30-0.18和ZP30-0.20；最后基于较优的沸石粉掺量和适宜的水胶比，设计了钢纤维体积掺量分别为0.5%、1.0%、2.0%、2.5%、3.0%和4.0%(钢纤维掺量为体积分数，下同)的6组试件，分别命名为ZP30-0.16-0.5、ZP30-0.16-1.0、ZP30-0.16-2.0、ZP30-0.16-2.5、ZP30-0.16-3.0和ZP30-0.16-4.0，研究了钢纤维掺量对沸石粉UHPC力学性能的影响。通过改变减水剂用量，保证各组胶砂浆有相近的流动度。其中ZP30、ZP30-0.16和ZP30-0.16-0为同一配合比。

表3 沸石粉取代部分硅灰的UHPC配合比Table 3 Mix proportions of UHPC with zeolite powder replacing part silica fume

Note： W/B means water to binder ratio; S/B means sand to binder ratio.

1.3 试件制作和强度测试

试件制作的具体步骤如下：

(1)试验准备：预先称取原材料，并将水和减水剂在烧杯内充分拌和均匀，待用。(2)搅拌：依次在胶砂搅拌锅内加入水泥、硅灰、沸石粉，慢速搅拌1 min；接着加入标准砂慢速搅拌4 min，再加入75%的水和75%减水剂慢速搅拌2 min；之后将剩余的水和减水剂加入拌合物内，首先慢速搅拌2 min，然后快速搅拌2 min。最后将钢纤维加入拌合物中，持续快速搅拌4 min。(3)浇筑：搅拌完成后，将拌合物倒入40 mm×40 mm×160 mm模具中，并用振捣机振捣密实2 min。(4)养护：将带模具的试件放入温度(20±1) ℃、湿度大于95%的标准养护室中养护24 h，脱模后对试件进行编号，然后进行标准养护直至测试龄期。试件强度测试参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999)进行。试验的主要工艺流程，如图3所示。

图3 试验主要工艺流程Fig.3 Main process of experiment

2 结果与讨论

2.1 沸石粉掺量的影响

图4为不同沸石粉取代部分硅灰对UHPC力学性能的影响。由图4(a)和(b)可以看出，沸石粉取代部分硅灰UHPC的3 d抗压强度和抗折强度都低于基准组ZP0，且随沸石粉取代率的增加而不断减小。随着龄期增加，试件ZP15表现出最高的力学性能，其7 d、28 d和120 d抗压强度分别为110.6 MPa、119.6 MPa和122.1 MPa，是基准组ZP0的102.9%、102.8%和101.2%，而抗折强度分别为17.7 MPa、20.6 MPa和21.1 MPa，是基准组ZP0的101.7%、101.5%和101.2%。这表明沸石粉取代15%硅灰，可以提高UHPC的后期强度。同时，沸石粉取代30%硅灰的试件ZP30的7 d、28 d和120 d抗压强度分别为104.7 MPa、114.4 MPa和118.8 MPa，是基准组ZP0的97.4%、98.4%和98.5%；抗折强度分别为17.3 MPa、20.1 MPa和20.6 MPa，是基准组ZP0的99.4%、99.0%和99.0%。这表明ZP30与基准组ZP0的强度相近。在此基础上，随着沸石粉取代硅灰掺量的继续增加，UHPC的力学性能大幅度降低。原因可能是沸石粉是一种多孔性火山灰活性材料，其吸水率较高，过量沸石粉取代硅灰，对胶凝材料的水化反应会产生不利影响。

折压比(抗折强度与抗压强度的比值)是表征混凝土脆性和韧性的一个重要指标，折压比值越大，说明混凝土的韧性越好[34],反之，表明其脆性越大。结合图4(a)和(b)的结果，可以得到沸石粉取代硅灰的UHPC的折压比，如图4(c)所示。3 d龄期时，试件折压比随着沸石粉取代硅灰掺量增加而逐次降低，表明沸石粉在一定程度上降低了UHPC早期韧性。7 d时，随着沸石粉掺量增加，试件折压比先增加后减小，并在沸石粉取代率为30%时达到最大值。在此基础上，随着沸石粉掺量的继续增加，试件折压比有所降低，但仍大于基准组ZP0。这表明，适量沸石粉取代硅灰改善了UHPC的韧性。此外，28 d龄期时，各组UHPC试件折压比达到最大值，且与120 d试件折压比变化规律相近，随着沸石粉取代硅灰掺量增加而不断增大。

硅灰作为纳米级颗粒粉末，其比表面积远大于水泥和沸石粉颗粒，其活性也大于沸石粉，因此，基准组UHPC具有更高的早期强度。基于最紧密堆积密度理论[35]，由于沸石粉颗粒尺寸介于水泥和硅灰之间，适量沸石粉改善了UHPC内部堆积结构，减少了硅灰颗粒的团聚，也使得硅灰分布更均匀，进而提高了UHPC密实度。沸石粉的多孔结构特性，导致其具有较高的吸水率，在水化过程中吸收了一定量的水分，延缓了胶凝材料水化速率，从而降低了UHPC试件的3 d强度。随着龄期增加，沸石粉在改善胶凝材料颗粒级配的基础上，逐渐发挥一定的化学活性，并不断释放早期吸收的水分，保证胶凝材料持续水化[36]。后期水化产物水化硅酸钙进一步填补水分被消耗后引起的孔隙，因此沸石粉取代适量的硅灰增加了UHPC后期强度。这也与Tuan[37]、庄一舟[38]、Ye[39]等研究的稻壳灰能吸水后释水，减少UHPC孔隙率，从而改善其性能的结论相似。

综合考虑上述UHPC的强度和韧性，选取沸石粉取代30%硅灰制备UHPC开展后续的研究。

图4 沸石粉取代部分硅灰对UHPC力学性能的影响Fig.4 Effect of zeolite powder replacing part of silica fume on mechanical properties of UHPC

2.2 水胶比的影响

不同水胶比对沸石粉取代30%硅灰的UHPC力学性能的影响，如图5所示。由图5(a)和(b)可知，沸石粉取代部分硅灰UHPC的抗压强度和抗折强度，随水胶比的增加而不断下降，然而水胶比为0.16和0.14的试件强度相差不大，ZP30-0.14试件的28 d抗压强度和抗折强度相比于ZP30-0.16仅高出1.0%和 1.4%。当水胶比超过0.16后，试件强度呈现出明显下降的趋势。此外，龄期为28 d和120 d时，各组UHPC试件的强度相近，这表明UHPC的后期强度发展较为缓慢。

根据图5(a)和(b)的结果，可以得到不同水胶比对沸石粉UHPC折压比的影响，如图5(c)所示。由图5(c)可以明显看出，随着水胶比增加，沸石粉取代部分硅灰的UHPC试件的折压比呈现出先增加后减小的趋势，其中水胶比为0.18的UHPC试件具有最大的折压比，这表明增加水胶比降低了UHPC强度，但改善了其韧性。过低水胶比可能导致UHPC难以密实成型，基体内部出现大量孔隙，综合考虑应选择适中的水胶比(如水胶比0.14和0.16)[40]。

2.3 钢纤维的影响

结合沸石粉取代硅灰掺量和水胶比对UHPC力学性能的影响，以水胶比为0.16，沸石粉取代30%硅灰的UHPC试件为基准，研究了0.5%、1.0%、2.0%、2.5%、3.0%和4.0%体积掺量钢纤维对UHPC力学性能的影响，各组试件28 d抗折破坏横断面，如图6所示。由上所述，UHPC试件28 d后强度逐渐趋于稳定。因此仅测试了钢纤维UHPC试件3 d、7 d和28 d强度，钢纤维掺量对沸石粉取代部分硅灰的UHPC力学性能的影响如图7所示。相比于基准试件ZP30-0.16-0，不同钢纤维掺量的沸石粉UHPC试件的强度增长率如表4所示。

结合图7和表4可以看出，钢纤维增加了沸石粉UHPC试件不同龄期的强度，试件强度先随着钢纤维掺量的增加而不断增大。3.0%体积掺量钢纤维的沸石粉UHPC试件ZP30-0.16-3.0的28 d抗压强度最大，为153.4 MPa，而掺加2.5%体积掺量钢纤维的试件ZP30-0.16-2.5的28 d抗折强度最大，为21.9 MPa；继续增加钢纤维掺量，UHPC试件强度反而降低，但仍高于未掺钢纤维的基准沸石粉UHPC试件ZP30-0.16-0的强度。以28 d强度为例，相比于基准组ZP30-0.16-0，掺加0.5%、1.0%、2.0%、2.5%、3.0%和4.0%体积掺量钢纤维的UHPC试件抗压强度分别增加了5.68%、14.69%、26.05%、31.64%、34.10%和20.80%，而抗折强度分别增加了1.49%、3.48%、8.46%、8.96%、6.47%和2.49%。这表明，掺加钢纤维提高了沸石粉UHPC的力学性能,钢纤维体积掺量最佳范围为2.5%～3.0%。

适量的钢纤维能与UHPC内部水化产物紧密粘结[40]，阻碍试件内部裂缝的产生和扩展[41-42]，降低质量缺陷的发生概率，从而提高UHPC强度；但当掺加过量的钢纤维后，多余的钢纤维在试件内部不能有效均匀分散，容易凝聚成团，同时也增加了钢纤维与基体的薄弱界面过渡区厚度，在局部区域引起应力集中，劣化其内部结构，反而降低UHPC试件强度。