再生细骨料和超细粉煤灰增强UHPC的力学性能研究*

2022-05-09吴晨洁王德志马志鹏

功能材料 2022年4期

吴晨洁，王德志,2,3,4，马志鹏

(1. 宁夏大学土木和水利工程学院，银川 750021；2. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；3.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心，银川 750021；4. 宁夏节水灌溉与水资源调控功工程技术研究中心，银川 750021)

0 引言

1989年美国联邦公路局以活性粉末混凝土为基准，系统地开展了超高性能混凝土(UHPC)的研究。超高性能混凝土一般指强度≤100 MPa的混凝土，具有较高的力学性能及超强的耐久性能[1-3]，近年来多用于工程承重结构以减少结构的肥梁胖柱等工程问题，超高性能混凝土已成为当下最具有创新性的水泥基工程材料之一[4-5]。

再生细骨料是建筑废弃垃圾经破碎筛分得到粒径<5 mm的颗粒材料[6]，超细粉煤灰是燃料燃烧产生的细微固体颗粒物经过研磨得到的比表面积>600m2/kg的细集料[7]。再生细骨料取代天然砂后促进了建筑垃圾资源化利用、保护了生态环境。陈志武[8]、Zhang[9]设计了不同含量饱和面干再生细骨料替代河砂，发现随着再生细骨料掺量的增加，超高性能混凝土的抗压强度逐渐下降。褚洪岩[10]发现再生砂、机制砂和风积沙制备的绿色超高性能混凝土与普通河砂UHPC的力学性能基本相当甚至在某些方面更加优良。葛晓丽[11]用废弃混凝土破碎后的再生砂制备超高性能混凝土，发现最优选择区间为40%～60%。

孙瑶[12]认为掺入10%超细粉煤灰后混凝土任何龄期的强度都高于其他掺量的。王瑞[13]研究了超细粉煤灰对60、90 d龄期混凝土抗压强度的影响规律，认为加入30%超细粉煤灰后强度增长最大，而姚韦靖[14]发现超细粉煤灰在高强混凝土中的最优掺量为20%，其力学性能增加最明显。曹润倬[15]通过超细粉煤灰取代定量普通粉煤灰，比较了超高性能混凝土的流动性与抗压强度，认为随着超细粉煤灰掺量增大，流动性能随之增大。Gao[16]认为超细粉煤灰可以改善水泥的水化热反应，减少混凝土的开裂。

本文探究了不同掺量的超细粉煤灰和再生细骨料复掺对超高性能混凝土工作性能、轴心抗压和轴心抗拉强度的影响规律，利用SEM扫描电镜对超高性能混凝土试件进行了微观形貌检测，从微观角度探究了超细粉煤灰及再生细骨料对超高性能混凝土微观结构的影响，建立了掺超细粉煤灰和再生细骨料的超高性能混凝土轴心抗压强度预测模型。

1 实验

1.1 原材料

水泥：选取宁夏赛马水泥厂生产的P.O 42.5，水泥各项性能见表1。硅灰：宁夏三远微硅粉公司生产的920硅粉。粉煤灰：宁夏锦鑫环保科技有限公司生产的I级粉煤灰，超细粉煤灰由YXQM-20L行星球磨机干磨4 h得到，比表面积900 m2/kg，粉煤灰粒径分布如图1所示。减水剂：选用减水率高于25%的山西格瑞特公司聚羧酸类高性能减水剂。天然细骨料：选取表观密度与堆积密度分别为2 551、1 506 kg/m3的宁夏本地水洗砂。再生细骨料：采用C40强度等级的建筑楼板破碎筛分，得到表观密度2 433 kg/m3，堆积密度1 338 kg/m3。钢纤维：选取致泰钢纤维生产的平直钢纤维，长度13 mm，直径0.18～0.23 mm，抗拉强度>2 860 MPa。水：采用自来水。

表1 水泥的各项指标Table 1 The indicators of cement

图1 粉煤灰粒径分布图Fig 1 Fly ash particle size distribution map

1.2 试验配合比

本试验所用水胶比为0.2，钢纤维掺量均为2.0%(体积分数)，试验配合比见下表2所示，其中编号R0、R25、R50和R75分别表示再生细骨料取代0、25%、50%和75%的天然河砂；SF0、SF10、SF20和SF30分别表示超细粉煤灰取代0、10%、20%和30%的水泥。

表2 试验配合比(kg/m3)Table 2 Test the mix (kg/m3)

超细粉煤灰再生细骨料UHPC的搅拌过程：(1)水泥、硅灰、超细粉煤灰、细集料(天然细骨料和再生细骨料)及钢纤维一起干搅2 min；(2)减水剂加入水中搅拌至均匀，倒3/4混合液加入干拌混合材料搅拌1 min；(3)剩余的混合液一次性加入混合料中搅拌9 min。(4)制备100 mm×100 mm×100 mm立方体和320 mm×60 mm×13 mm哑铃型UHPC试块，标准养护28 d测定抗压强度及抗拉强度。

1.3 试验方法

根据《活性粉末混凝土(GB/T31387—2015)》推荐的应力加载方式测定超高性能混凝土28 d抗压强度，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T50081—2019)》推荐的位移加载方式测定超高性能混凝土哑铃型试件的28 d抗拉强度。

采用等效系数K值[17]表示超细粉煤灰替代水泥的效率，当超细粉煤灰的K值越趋近于1，则说明超细粉煤灰越等同水泥的效果。

(1)

其中:fMA为掺超细粉煤灰UHPC的抗压强度；fc为未掺超细粉煤灰UHPC的抗压强度；P为超细粉煤灰代替水泥的百分比。

2 试验结果与分析

2.1 工作性能

图2为相同超细粉煤灰掺量，不同再生细骨料取代率对UHPC坍落度及扩展度的影响。随着再生细骨料的增加，UHPC坍落度和扩展度均呈现下降趋势。当超细粉煤灰掺量为20%，再生细骨料掺入75%时UHPC的坍落度较未掺的降低13.46%，当超细粉煤灰掺量为10%，再生细骨料掺量75%UHPC的坍落度较未掺再生细骨料降低27.59%。再生细骨料增加超高性能混凝土扩展度降低，与坍落度的变化趋势一致。再生细骨料掺量<50%时，20%超细粉煤灰掺量的UHPC扩展度最大；当再生细骨料掺量≥50%，10%超细粉煤灰掺量的UHPC扩展度最大。可见掺入再生细骨料后UHPC的坍落度和扩展度均降低，工作性变差；加入超细粉煤灰后可以适当改善其流动性。这是由于再生细骨料表面黏附砂浆含量较多且孔隙率较大，导致再生细骨料掺量为75%的UHPC坍落度降低。

图2 再生细骨料对UHPC坍落度及扩展度的影响Fig 2 Effects of recycled fine aggregate on slump and extension of UHPC

2.2 抗压强度

图3为不同超细粉煤灰掺量、不同再生细骨料取代率对UHPC抗压强度的影响。随着再生细骨料的增加，超高性能混凝土的抗压强度呈现增大的趋势，再生细骨料掺量为50%的抗压强度最大，比未掺再生细骨料的SF0R0、SF10R0、SF20R0组分别提高14%、3%、17%。超细粉煤灰掺量为10%时UHPC的强度均高于未掺和掺20%超细粉煤灰组的强度；再生细骨料掺入50%，超细粉煤灰掺量为10%时UHPC强度达到115.36 MPa，强度提高3.15%；超细粉煤灰掺量继续增加抗压强度持续降低，20%掺量时降低8.91%，30%掺量时降低18.59%。对于强度而言，可以看出超细粉煤灰掺入10%，再生细骨料UHPC最优替代率为50%。由于再生细骨料经过破碎筛分，骨料表面出现棱角从而增大粗糙程度，将其搅拌至混凝土中后能与UHPC内部水泥净浆更好地黏结；再生细骨料吸水率大，养护过程中内部储存的水分通过毛细孔向水泥砂浆中传输，水分的补充维持了浆体内部湿度的平衡，硬化水泥浆体的毛细管张力得到有效减小，骨料间更加密集促使UHPC抗压强度提高[18-19]。

图3 不同掺量再生细骨料抗压强度Fig 3 Compressive strength of recycled fine aggregate with different dosage

根据抗压强度试验结果，再生细骨料替代率为50%不同超细粉煤灰对UHPC 28 d等效系数k值如图4所示。超细粉煤灰掺量为10%时等效系数k略大于1，超细粉煤灰掺量增加等效系数降低的变化规律与试验值一致。

图4 粉煤灰等效系数 Fig 4 Fly ash equivalent coefficient

2.3 抗拉强度

图5为再生细骨料取代率对UHPC抗拉强度的影响。未掺超细粉煤灰时，随着再生细骨料的增加，超高性能混凝土的抗拉强度提高，75%掺量时提高15.49%。当UHPC含有10%和20%超细粉煤灰时，随着再生细骨料的增加，超高性能混凝土的抗拉强度均呈现先下降后上升的趋势。75%掺量的再生细骨料、掺入20%超细粉煤灰掺量为的UHPC抗拉强度最大，达到13.06 MPa；75%再生细骨料替代率的UHPC抗拉强度高于25%取代率的，超细粉煤灰掺量为0%、10%、20%组的抗拉强度分别提高11.26%、5.24%、13.07%。就再生细骨料超高性能混凝土的抗拉强度来说，再生细骨料的最优替代率为75%。

图5 不同掺量再生细骨料抗拉强度Fig 5 Tensile strength of recycled fine aggregate with different dosage

2.4 微观分析

2.4.1 SEM电镜扫描微观图像

图6为超高性能混凝土微观形貌图像。可以看到，超细粉煤灰已经进行了水化反应，使得C-S-H与AFt在界面区均匀分布，结构总体较为密实，超细粉煤灰起到了火山灰与填充效应；在骨料与界面过渡区未看到明显的裂缝界面粘结效果较好，从而促进了UHPC的强度。产生该现象的原因是，超细粉煤灰UHPC在水化反应过程消耗更多的Ca(OH)2，生成较多的C-S-H凝胶和钙矾石，填充了骨料在UHPC内部孔隙，增大了水泥硬化浆体的密实度。从而大大增强了水泥基体的性能。

图6 超高性能混凝土微观形貌图Fig 6 Micro topography of ultra high performance concrete

2.4.2 机理分析

水泥水化反应会生成大量的C-S-H凝胶等水化产物，C3S加快了水泥水化速率，提早形成硬化水泥基材料，保证制品具有较高的强度。在UHPC中加入具有协同作用的超细粉煤灰与硅灰，两者都存在火山灰与填充效应，硅灰通过吸收水分形成富硅的凝胶聚集包裹未水化的水泥颗粒先与硬化后水泥基材料的Ca(OH)2进行二次水化生成C-S-H凝胶。超细粉煤灰对残余的Ca(OH)2继续消耗转换成C-S-H凝胶体，经过多次水化反应生成大量C-S-H凝胶进一步增加了结构的密实度,提高其力学性能及耐久性能。再生细骨料具有吸释水性质，降低了界面区水胶比，消除了水膜和分层现象，有效减轻界面区的“边壁效应”，使得骨料界面过渡区得到增强。

2.5 预测模型

超高性能混凝土作为新型混凝土材料，集料与骨料间的填充粘结能力对其性能有着重要的影响。刘明辉[20]考虑水泥浆作为填充料，存在于两个紧密骨料间的水泥浆受到较大应力，在相同骨料的体积份数下，大粒径骨料间的浆体厚度随之也更大，这些聚集体之间的距离称为最大浆体厚度(maximum paste thickness, MPT)，因此考虑到水泥-骨料相互作用关系的混凝土强度模型为：

(2)

表达式中：fcm为混凝土基相强度；Rc28为水泥28 d的ISO强度， MPa；Vc为单位立方米混凝土中的水泥体积；Vw为单位立方米混凝土中水的体积；Va为单位立方米混凝土中的空气体积；MPT为最大浆体厚度，mm，即:

(3)

表达式中:D为骨料最大尺寸，mm；g*等于骨料的堆积密度；g为单位体积混凝土中骨料的体积。

超高性能混凝土采用最紧密堆积设计原理，本实验利用超细粉煤灰填塞结构内的空隙。因此考虑掺入超细粉煤灰会引起骨料的堆积变化，从而影响浆体的厚度，将超细粉煤灰UHPC强度浆体模型在此基础上进行修正，定义超细粉煤灰对MPT及骨料结构影响函数Z，则考虑超细粉煤灰掺量的影响的MPT为

(4)

当未掺超细粉煤灰时，Z取值为1，定义Z的函数形式：

Z=1+f(x)

(5)

式中：x为超细粉煤灰含量；f(x)为不同超细粉煤灰含量对UHPC空间结构调整函数。根据试验结果，可以运用函数较好拟合f(x)在不同超细粉煤灰掺量的关系，如下图7。

图7 f(x)函数拟合Fig 7 f(x) function fitting

拟合结果

f(x)=108.7x-13.6233

(6)

整理最大浆体厚度及强度模型：

(7)

(8)

图8为再生细骨料替代率为50%时，掺入10%到30%超细粉煤灰的强度预测值。随着超细粉煤灰取代率的增加，超高性能混凝土的强度预测值呈现下降的趋势，与实测值变化规律一致；掺量为10%时预测模型出现最大峰值，达到116.28 MPa；超高性能混凝土强度预测值与实测值的相对误差分别为0.79%、4.62%、7.40%。