饱和面干再生细骨料对超高性能混凝土流动度及强度的影响

陈志武

(福州市交通建设集团有限公司,福州 350002)

0 引 言

随着社会的进步，越来越多的混凝土工程结构朝着更高强度和更好耐久性的方向发展。1994年Larrard等[1]首次提出超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)概念。UHPC凭借其优异的力学性能和耐久性，吸引了许多学者的兴趣[2]。但UHPC成本较高，这限制了其在工程中的广泛普及。因此，寻找合适的材料降低UHPC制备成本，是如今研究的热点。

诸多学者寻找合适的原材料替代物来制备UHPC[3-6]。采用河砂替代石英砂制备UHPC，在蒸压养护条件下，发现随着河砂替代量的增大，UHPC的抗压强度虽然降低，但仍能超过150 MPa[7]。河砂是良好的细骨料，河砂UHPC也满足工程要求，但河砂和砾石等天然骨料是不可再生资源[8]。因此，寻找合适的细骨料替代河砂至关重要。采用再生细骨料替代河砂不仅能降低UHPC成本，也可以消耗大量的建筑废弃物。已有学者利用了再生细骨料制备UHPC，Jiang等[9]制备了抗压强度超过150 MPa的再生细骨料UHPC。Zhang等[7]采用再生细骨料替代河砂制备了UHPC，并从微观结构及界面过渡区两方面研究其对UHPC力学性能劣化机理的影响，但所采用的再生细骨料是自然状态(具有较强的吸水性)，未研究饱和面干再生细骨料(已饱水处理，具有较强的返水性)对UHPC宏微观性能的影响。

本文采用SEM和压汞测试(MIP)等方法研究饱和面干再生细骨料掺量对再生细骨料UHPC各类界面过渡区长度以及孔结构的影响，揭示再生细骨料掺量对UHPC流动度和强度的影响机理。

1 实 验

1.1 原材料

水泥采用福建建福牌P·O 42.5的普通硅酸盐水泥，水泥的化学成分见表1。采用厦门威林特牌硅灰，其表观密度为2 285 kg/m3，堆积密度为204 kg/m3，其化学成分见表2。采用广州海琦贸易有限公司生产的石英粉，其表观密度为2 660 kg/m3，SiO2含量大于99%(质量分数)，细度为400目(38 μm)。采用厦门科之杰新材料集团有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，其主要性能指标见表3。砂采用闽江河砂，再生细骨料来自陕西龙凤石业有限公司破碎的废旧混凝土，为饱和面干状态，其技术指标见表4。水采用自来水。钢纤维采用江西省赣州大业厂生产的长直钢纤维，其表观密度为7 800 kg/m3长度为13 mm，直径为0.2 mm。

表1 普通硅酸盐水泥的化学成分Table 1 Chemical composition of Portland cement

表2 硅灰主要化学成分Table 2 Chemical composition of silica fume

表3 聚羧酸高效减水剂技术指标Table 3 Technical indexes of superplasticizer

表4 细骨料的各项技术指标Table 4 Technical indexes of fine aggregates

1.2 配合比

UHPC试验配合比见表5，其中0、25、50、75和100分别表示饱和面干的再生细骨料等质量取代河砂百分数(下同)。减水剂用量为胶凝材料(水泥+硅灰)用量的2.5%(质量分数，下同),钢纤维体积掺量为2%,净水胶比为0.19，其中的水为外加水，不包括饱和面干再生细骨料中的水,总水胶比中的水包括外加水和饱和面干再生细骨料的水。

表5 不同再生细骨料掺量的UHPC配合比Table 5 Mix proportion of UHPC with various recycled fine aggregate content

1.3 试验方法

(1)混合搅拌：将干料(水泥、硅灰、石英粉、河砂和再生细骨料)混合搅拌1 min；将高效减水剂溶液等分成两份，分别倒入，每次搅拌3 min；最后倒入钢纤维再搅拌4 min。

(2)流动度测试：参照标准《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T 2419—2005[10]，测定新拌UHPC流动度，仪器为水泥胶砂流动度测定仪。

(3)成型及养护：将浆体分两次倒入40 mm×40 mm×160 mm试模，分别振动60次。采用保鲜膜覆盖养护24 h后拆模，放入标准养护室(温度为(20±2)℃、相对湿度≥95%)内进行养护。

(4)强度测试：参照《水泥胶砂强度检验方法》GB/T 17671—1999[11]测试不同龄期的抗折和抗压强度，仪器为北京中科路建仪器设备有限公司生产的DYE-2000型电液式压力机。

(5)界面过渡区长度：采用上海特视精密仪器有限公司生产THSV-1-800M-AXY型自动显微硬度测量仪，获得UHPC样品的局部放大图片，再对图片使用AutoCAD进行手绘描边处理，获得各类界面过渡区的长度(界面过渡区周长)。

(6)SEM：采用Nova Nano SEM 230型场发射扫描电镜对试验组进行观察分析。

(7)MIP：采用Quantachrome PM 60型压汞仪，分析UHPC的孔隙结构。

2 结果与讨论

2.1 流动度

UHPC流动度实验结果见图1。随着再生细骨料掺量的增大，再生细骨料UHPC流动度降低。Zhang等[7]中采用未经饱水处理的再生细骨料，再生细骨料掺量为100%的UHPC流动度可达181.0 mm。本文采用饱和面干的再生细骨料来配制UHPC，R100组流动度为187.7 mm，与文献相比流动度提高了3.7%。

图1 不同掺量的再生细骨料UHPC流动度Fig.1 Fluidity of UHPC with various recyclefine aggregate content

2.2 界面过渡区长度

不同再生细骨料掺量UHPC中各类界面过渡区的长度见图2。其中，ITZ1为河砂(new sand)与UHPC基体(UHPC matrix)的界面过渡区；ITZ2为旧细骨料(old sand)与旧水泥基体(old cement matrix)间的界面过渡区；ITZ3为旧水泥基体和UHPC基体之间的界面过渡区。从图2可以看出，未掺再生细骨料的UHPC只存在一种界面过渡区(ITZ1)，而掺再生细骨料UHPC存在更多种类的界面过渡区(ITZ1、ITZ2和ITZ3，分别用白线、黄线和红线表示，彩色效果见电子版)。

图2 AutoCAD手动描绘UHPC的各类界面过渡区示意图Fig.2 Diagram of various interfacial transition zones of UHPC using AutoCAD

根据Zhang等[7]的方法测试样品的界面过渡区长度。对各组28 d的UHPC样品取3个不同的局部区域(10 mm×10 mm)分别测量，取三次测量结果的平均值作为该样品的界面过渡区长度。各类界面过渡区的长度li(i为1、2和3)以及总长度见表6。由表6可知，随着再生细骨料掺量的增加，UHPC中ITZ1的长度减小，ITZ2、ITZ3的长度和界面过渡区的总长度均增大。再生细骨料中包含旧细骨料和旧水泥基体，其密度低于河砂，所以采用等质量的再生细骨料取代河砂后，UHPC中的再生细骨料体积占比增大，ITZ2和ITZ3长度增大，微裂缝增多，界面过渡区总长度变长。这是UHPC强度劣化的主要因素之一。

表6 不同再生细骨料掺量UHPC中各类界面过渡区的长度Table 6 Length of various interfacial transition zones of UHPC with different recycle fine aggregate content

2.3 微观形貌

标准养护28 d的UHPC样品各类界面过渡区(ITZ1、ITZ2、ITZ3和钢纤维与UHPC基体的界面过渡区)SEM照片见图3。由图3(a)可知，河砂和UHPC基体之间的ITZ1非常致密，几乎没有裂缝。由图3(b)可知，在旧细骨料和旧水泥基体之间的ITZ2中，可以明显看到旧细骨料和旧水泥基体之间裂缝。这是由于再生细骨料是普通混凝土破碎所得，其水灰比高于UHPC，界面过渡区致密性较差[12]。由图3(c)可知，放大2 000倍的ITZ3有明显的裂纹，旧水泥浆体和UHPC基体间的结合并不是非常紧密。综上，与未掺再生细骨料的UHPC相比，再生细骨料的掺入将性能较差的界面过渡区引入了UHPC中，这对UHPC性能有一定影响。由图3(d)可知，钢纤维和UHPC粘结非常密实，没有任何裂纹，说明UHPC中钢纤维能够起到较好的承受荷载的作用。

图3 UHPC中各类界面Fig.3 Various interfacial transition zones in UHPC

2.4 孔结构

采用压汞法对标准养护28 d和180 d的UHPC样品进行孔结构测试，表7和图4为不同再生细骨料掺量UHPC孔结构试验结果。不同孔径的孔对UHPC宏观力学性能的影响有着不同的作用，吴中伟[13]将混凝土中的孔隙根据直径大小分为四类，即无害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。由表7和图4可知：随着龄期的增长，各组UHPC样品的总孔隙率、多害孔、有害孔、少害孔和无害孔含量都有一定程度的降低；随着再生细骨料的掺入，相对于R0组，R50和R100组的总孔隙率、多害孔、有害孔、少害孔和无害孔含量都有不同程度的增加。综上，再生细骨料劣化了UHPC的孔结构，导致其强度劣化。

表7 不同再生细骨料掺量UHPC的孔结构Table 7 Pore structure of UHPC with various recycle fine aggregate content

图4 不同再生细骨料掺量UHPC的孔径分布Fig.4 Pore diameter distribution of UHPC with various recycle fine aggregate content

2.5 强 度

不同掺量的再生细骨料UHPC的抗折及抗压强度分别见图5和图6。由图5可知，随着养护龄期增长，各组UHPC的抗折强度均提升。随着再生细骨料掺量的增大，UHPC的抗折强度降低。由图6可知，随着养护龄期的增长，各组UHPC的抗压强度均提升。随着再生细骨料掺量的增大，UHPC的抗压强度降低。

图5 不同掺量的再生细骨料UHPC抗折强度Fig.5 Flexural strength of UHPC with various recyclefine aggregate content

图6 不同掺量的再生细骨料UHPC抗压强度Fig.6 Compressive strength of UHPC with various recyclefine aggregate content

Zhang等[7]采用未经饱水处理的再生细骨料，再生细骨料掺量为100%的UHPC，其28 d抗折和抗压强度分别为19.64 MPa和103.13 MPa。本文采用掺量为100%的饱和面干再生细骨料，其28 d抗折和抗压强度分别为36.4 MPa和102.4 MPa。通过对比可以发现：由于饱和面干再生细骨料具有返水效果，使界面过渡区的水化更充分，因此具有更高的抗折强度；对于采用再生细骨料的UHPC，虽然总水灰比的增大对抗压强度不利，但由于再生细骨料的返水，使毛细孔弯液面张力减少，减少了微裂缝产生的概率，这对抗压强度有利。因此两者抗压强度相差不大。再生细骨料掺量为100%的UHPC，在标准养护情况下，其180 d抗折强度为39.7 MPa，180 d的抗压强度为118.3 MPa，满足规范《活性粉末混凝土》GB/T 31387—2015中RPC100的要求，在工程中有较广阔的应用前景。

2.6 机理分析

随着再生细骨料掺量的增加，再生细骨料UHPC流动度降低，其主要原因为：(1)再生细骨料通常由混凝土、砖、陶瓷和其他材料破碎而成[14]，破碎过程中产生微裂纹，其吸水率较高。本文采用了饱和面干状态的再生细骨料，随着再生细骨料的增加，UHPC体系中的总水胶比增加，这对UHPC的流动度无不利影响。(2)在再生细骨料生产过程中，破碎会使颗粒呈锐角等形状，这使再生细骨料颗粒之间产生较大的摩擦阻力,再生细骨料颗粒表面粗糙，需要更多的水泥浆来包裹，这些均导致UHPC流动度下降[15]。(3)相对于河砂，再生细骨料粗颗粒较多，堆积密度较小，颗粒间的空隙需要更多的水泥浆来填充，这导致UHPC流动度变差。

破碎过程中产生的微裂纹会致导致再生细骨料强度降低,另一方面，在混凝土中掺入再生细骨料，会引入多种界面过渡区，这些均会对硬化混凝土的力学性能产生负面影响[7]。

UHPC抗折强度与钢纤维掺量、界面过渡区(ITZ1、ITZ2和ITZ3)的致密程度以及UHPC基体的抗拉能力等有关。随着养护龄期增长，水化更充分，界面过渡区更致密，各组UHPC的抗折强度均提升。随着再生细骨料掺量的增大，引入的ITZ2和ITZ3的长度增大，微裂缝增多，UHPC的抗折强度降低。

随着养护龄期的增长，孔结构细化，有害孔和多害孔含量降低，密实度增大，各组UHPC的抗压强度均提升。随着再生细骨料掺量的增大，总水胶比增大，UHPC总孔隙率增加，有害孔和多害孔含量增加，密实度降低,此外，再生细骨料的强度低于河砂。因此，随着再生细骨料掺量的增大，UHPC的抗压强度降低。

3 结 论

(1)当仅变化饱和面干再生细骨料掺量时，UHPC流动度主要由再生细骨料的颗粒形状和体系中的总水胶比决定，而颗粒形状对再生细骨料UHPC流动度的降低起主导作用，因此当再生细骨料掺量增大时，虽然总水胶比增大，但再生细骨料UHPC流动度仍呈降低趋势。

(2)随着饱和面干再生细骨料掺量的增加，净水胶比不变，总水胶比增大，引入了更多薄弱的界面过渡区，ITZ2和ITZ3的长度增大，微裂缝增多，UHPC抗折强度降低,总孔孔隙率增大，有害孔和多害孔含量增加，密实度降低，UHPC的抗压强度降低。

(3)当再生细骨料掺量为100%时，180 d的UHPC抗折强度和抗压强度分别为39.7 MPa和118.3 MPa，满足规范《活性粉末混凝土》GB/T 31387—2015中RPC100的要求，且能大量消耗建筑垃圾、固废利用、变废为宝，其经济和社会效益显著，在工程中具有较广阔的应用前景。