浅析细骨料级配和活性材料对UHPC微观结构的影响

2021-05-14

科教导刊·电子版 2021年7期

（桂林航天工业学院广西·桂林 541004）

0 引言

活性粉末混凝土（Ultra-high-Performance Concrete，简称UHPC）将均匀分布的超细颗粒致密体系材料和纤维增强材料进行了有效结合。从微观角度分析，UHPC可视为细骨料、凝胶和界面、气孔等多相复合材料，其宏观力学性能很大程度上受内部微观结构影响。2003年，周巧琴改变养护条件，利用电镜试验探究了UHPC微观结构与宏观力学性能的关系。2007年，安明喆等人通过扫描电镜、EDS微区元素点分析及X-射线衍射等试验，研究了200MPa级UHPC的微观机理。2010年，高康通过射线衍射试验、电镜试验和压汞试验，分析了UHPC的微观形貌及孔结构。本文通过电镜试验及力学性能试验，探究了细骨料级配和活性材料对UHPC的微观结构及增强机理的影响。

1 试验配合比

目前对于UHPC的配合比并没有成熟的结论，《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）仅仅规定了水胶比、胶凝材料用量和钢纤维体积掺量推荐值等。参考规范[4]和郑文忠的UHPC配比，考虑使用微硅粉、粉煤灰等矿物细粉形成多元凝胶材料体系，基于致密堆积原则初步确定了3组UHPC细骨料级配配合比，如表1所示。

表1：细骨料级配优选配合比

微硅粉又称硅灰，属于火山灰质材料，活性及玻璃体含量均很高，在UHPC中主要有三大作用：与Ca(OH)2发生二次水化作用；平均粒径低于水泥粒径，较好的填充水泥颗粒间隙；球形颗粒的形态可以明显提升UHPC浆体的流变性能。粉煤灰又称飞灰，颗粒多呈球形，表面光滑，主要由实心（或中空）玻璃微珠、莫来石、石英等结晶物质组成，可以明显提升UHPC浆体的流变性能，具有减水作用，水化缓慢，又称为“矿物减水剂”。

2 力学性能研究

为了获得较高的堆积密实度，需要考虑凝胶材料体系及（凝胶材料+细骨料）复合体系的级配。由图1可知，随着微硅粉比例下降，配合比1的立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度呈下降趋势，但掺入少量粉煤灰取代，其抗压、抗拉强度各有优胜，说明粉煤灰的活性作用不逊于微硅粉，能有效提高UHPC强度，但是粉煤灰的球形玻璃体表面比较致密稳定，不易水化，活性作用可能需要较长时间显现，因此提高效果存在不稳定现象。此外，配合比1减少了石英砂用量，增大了微硅粉用量，水灰比减小，水泥浆体的塑性粘度和极限剪应力会提高，由流变学的原理，拌合物极限剪应力越大流动性越小，因为此时的泥浆粒子距离减小，粒子间的作用力增大。因此配合比2、3为了控制水胶比必须增大减水剂用量才能获得足够的流动性，但是试验证明增大减水剂用量并不能抵消胶凝材料用量减少导致的流动性降低。

图1：不同级配的基本力学性能

3 微观结构分析

图2是观察倍数为20000时的UHPC微观结构SEM形貌图，由图2（非级配石英砂图片来源文献[6]）可知使用级配石英砂的混凝土结构在微观上的均质性优于非级配石英砂的混凝土结构，孔洞、裂缝等明显减少。因为级配石英砂能将分散的骨料合理的集结起来，浆体更容易通过骨料之间的空隙渗透连接与骨料产生机械咬合力，形成密实的细骨料与浆体的结合区域；骨料颗粒的减小会减小自身存在的缺陷及水化初期由于化学收缩引起的微裂缝。非级配石英砂混凝土结构的产物主要为大量网络状粒子，属于Ⅱ型C-S-H凝胶，是由许多与Ⅰ型粒子截面大体相同的长条形的粒子相互接触互相连锁形成的网状结构，并掺杂少量细棒状的钙矾石形成体系骨架。级配石英砂混凝土结构的C-S-H凝胶则呈现比较大的块状体，级配优化促使活性粉末混凝土分步水化，初始水化产物发生“二次水化反应”生成的C-S-H凝胶能进一步促进水化，水化比较完全的产物将有限空间填充并不断挤压，最终逐步沉积形成更加致密的内部结构。

图2：观察倍数为20000时的微观结构

4 微观结构形成及特点分析

UHPC的水化过程会因为多元复合矿物互相激发产生复合凝胶效应。水泥熟料在复合凝胶体系中属于优先水化物质，生成的初始水化产物Ca(OH)2又会与SiO2发生“二次水化反应”生成C-S-H等胶凝物质，同时Ca(OH)2和C-S-H又会激发其他活性物质水化。C-S-H凝胶能进一步促进水化，还能够填充在孔隙之间，降低孔隙率，能将各种粒子紧密堆积粘结在一起，提升UHPC微结构的致密性和抗压强度。

根据微观结果显示，可以认为在UHPC的水化硬化与结构形成过程中，致密的胶凝物质包裹着未水化凝胶材料颗粒（水泥及活性掺料）形成基体，细骨料与水化不完全的粉体颗粒形成了级配填充，并与基体紧密相连，基体相得到增强的同时有助于其与骨料相性能匹配，进一步保证了UHPC的均质性、密实性和耐久性。