矿物掺合料对UHPC性能的影响

2022-10-10赵雅明张明飞

硅酸盐通报 2022年9期

赵雅明，张振，王畔，张明飞

(1.中铁建设集团有限公司，北京 100040；2.长安大学公路学院，西安 710064；3.郑州航空工业管理学院土木建筑学院，郑州 450046)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一种具有超高力学性能和耐久性能的新型水泥基材料，其应用场景十分广泛，不仅可以用于制作一些大型工程构件[1-3]，还可以作为一种修复材料，对各种工程结构进行修复和加固[4]。由于UHPC需要具有极其致密的结构以减少结构的孔隙率，在配制UHPC时要尽可能减小骨料的尺寸，同时增加胶砂比，以改善内部结构的均质性，提高颗粒材料的堆积密度[5]。

目前许多研究已将多种粉末材料用作UHPC的微填料，以满足UHPC高致密性的需求[6-7]。其中，硅灰被认为是UHPC中一种主要的活性填料，对UHPC力学性能和耐久性能的改善效果十分明显，在UHPC中主要发挥三个方面的作用：(1)填充作用，可以大幅提高颗粒的堆积密度；(2)润滑作用，颗粒极细，且主要呈球形，可以改善浆体的流动性；(3)火山灰作用，可以和水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化，产生额外的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。研究[8-9]表明，UHPC中硅灰的掺量甚至达到了水泥质量的30%，然而推荐用量一般为25%。除了上述优点外，硅灰还存在着一些缺点，例如：硅灰的价格较贵，这在一定程度上导致了UHPC的制作成本较高；硅灰虽然能够改善拌合物的流动性，但其本身颗粒极细，具有非常大的比表面积，从而导致拌合物的需水量增加，在UHPC中，较高掺量的硅灰导致必须使用更高剂量的减水剂，因此硅灰会使拌合物比较黏稠；此外，对于低水胶比的混凝土，尤其是UHPC，硅灰对其体积稳定性产生非常不利的影响。在UHPC中，收缩开裂主要是由于基体早期自干燥引起自收缩，导致混凝土内部结构应力过大，从而引起微裂纹[10]。研究[11]表明，混凝土的自收缩主要与其内部的微细孔结构有关，UHPC的硅灰掺量较高，在混凝土结构内部产生了很多的微细孔，从而导致UHPC的自收缩较高。

许多学者[12-14]认为，粉煤灰和矿粉等矿物掺合料可以有效降低混凝土的水化热，改善体积稳定性，并且可以提高工作性能和耐久性能。因此，本文主要采用粉煤灰和矿粉代替部分或全部硅灰，研究其对UHPC性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥为海螺P·O 42.5水泥，比表面积为376 m2/kg，28 d抗压强度为50.7 MPa，初凝时间为180 min，终凝时间为252 min，体积安定性检测合格；粉煤灰为山东某电厂一级粉煤灰，密度为2.4 g/cm3，比表面积为392 m2/kg；硅灰取自河南某矿产品加工厂，比表面积为21 500 m2/kg；矿粉为S105级矿粉，比表面积为541 m2/kg；石英砂粒径范围为0.3～1.2 mm；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为30%；水为自来水。原材料的主要化学成分如表1所示。

表1 原材料的主要化学组成

1.2 试验配比

用粉煤灰和矿粉来替代硅灰，水泥和总胶凝材料用量保持不变，水胶比为0.18(质量比)，砂胶比为1(质量比)，聚羧酸高效减水剂掺量为2.5%(质量分数)，具体配合比如表2所示。

表2 试验配比

1.3 试件制备

将石英砂、水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉等粉料倒入搅拌锅中，干拌1～2 min，然后将水和减水剂缓慢倒入搅拌锅中，再搅拌5～6 min。搅拌完成后，将拌合物分两层浇筑到试模中，在第一层浇筑完成后，在振动台上振实60 次，然后浇筑第二层，浇筑完成后，再振60次，振捣后，刮平试件表面。浆体浇筑完成后覆盖塑料薄膜，放置24 h后拆模，一部分试件标准养护至规定龄期，另一部分试件采用高温蒸养，温度为90 ℃，相对湿度95%以上，养护48 h以后采用标准养护，直到规定龄期。

1.4 测试方法

新拌UHPC浆体流动度的测试方法参考《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)。

UHPC抗压强度测试参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

UHPC自收缩测试参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的接触法，自收缩试件成型后置于温度为(20±2)℃的实验室内，20 h后拆模，然后用塑料薄膜作密封处理。所有试件密封完成后置于温度(20±2)℃、相对湿度(60±2)%的环境中约4 h，之后测试初长，初长测试完成后一直放置于温度(20±2)℃、相对湿度(60±2)%的环境中，每隔一定时间再进行长度测试。

采用全自动压汞仪(型号为MicroActive AutoPore V 9600)对28 d龄期的UHPC孔结构进行测试。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

不同配比UHPC拌合物流动度的测试结果如图1所示。从图1可以看出，单独掺有粉煤灰的A1组拌合物的流动度最大，这是因为粉煤灰颗粒中70%以上都是由颗粒圆滑、细小、致密的玻璃微珠组成，在掺入拌合物中后，能减小颗粒摩擦阻力，起到一定的润滑作用，提高拌合物的流动性和均匀性，起到减水作用。虽然硅灰的颗粒形状也接近于球形，但其颗粒极细，且远小于粉煤灰和矿粉，比表面积非常大，从而导致需水量非常高，因此A0组的流动度最差。矿粉的颗粒形状相较于粉煤灰和硅灰，表面棱角更加突出，但其颗粒直径远高于硅灰，因此A2组的流动度介于A0组和A1组之间。从测试结果中还可以发现，用粉煤灰或矿粉替代一部分硅灰时，掺有粉煤灰的拌合物的流动度会高于掺有矿粉的拌合物，即A3组拌合物的流动度高于A4组，而同时用粉煤灰和矿粉替代一部分硅灰时，则拌合物的流动度介于A3组和A4组之间。

图1 不同配比UHPC拌合物的流动度

2.2 力学性能

不同养护方式下各组配比UHPC试件28 d龄期的抗压强度测试结果如图2所示。从A0、A1和A2试件的28 d抗压强度测试结果中可以看出，无论是采用标准养护还是高温蒸养，28 d抗压强度的大小顺序均为A0>A2>A1，这说明三种矿物掺合料中，硅灰的火山灰活性最大，矿粉次之，而粉煤灰最低。对比各组配比UHPC试件在高温蒸养和标准养护下的抗压强度，不难发现，在高温蒸养下各组配比UHPC抗压强度均有所增加，其中A0试件抗压强度增幅最大，达到了14.8%。这说明高温蒸养可以促进水泥水化以及矿物掺合料的火山灰反应，从而产生更多的Ca(OH)2和C-S-H凝胶。而且在三种矿物掺合料中，高温蒸养对硅灰的效果最好，这可能与硅灰极高的比表面积和反应活性有关。

图2 不同配比UHPC的抗压强度

此外还可以发现:在标准养护下，A0、A3和A4试件28 d抗压强度比较接近，这说明对于UHPC，在标准养护下用粉煤灰或矿粉分别替代50%(质量分数，下同)的硅灰不会对抗压强度产生较大的负面影响；而在高温蒸养下，A3和A4试件28 d抗压强度相较于A0试件分别下降了7.6%和6.2%。这主要是因为，硅灰中活性SiO2含量极高，且比表面积非常大，其火山灰活性显著高于粉煤灰和矿粉，火山灰反应会消耗大量的Ca(OH)2。对于A0试件(硅灰、水泥的质量比为1∶4)，在标准养护28 d后，水泥正常水化生成的Ca(OH)2可能无法完全满足硅灰火山灰反应的需求，从而导致一部分硅灰无法参与水化反应，只能发挥填充作用，而用粉煤灰或矿粉来替代一部分硅灰(即A3和A4试件)，并不会对强度产生很大影响；而高温蒸养可以促进水泥的水化反应，在28 d时生成更多的Ca(OH)2，会有更多的硅灰参与二次水化，用粉煤灰或矿粉来替代一部分硅灰就可能导致能够参与水化的硅灰的数量减少，从而使强度下降。从A5试件的28 d抗压强度也能看出，如果进一步用粉煤灰和矿粉来替代硅灰，无论是标准养护还是高温蒸养都会导致28 d抗压强度降低。

2.3 自收缩特性

各组配比UHPC试件自收缩测试结果如图3所示。从测试结果中可以发现，所有试件28 d的自收缩数值都比较大，这是因为UHPC的水胶比极低，随着水化反应的进行，会消耗混凝土内部孔隙中的水分，很容易造成毛细孔中的水分不饱和而产生自干燥现象。自干燥使混凝土内部毛细水凹液面的曲率半径逐渐减小，根据Laplace方程与Kelvin公式可知，毛细水表面张力逐渐增大，导致混凝土受到来自于自身的压力增大，从而产生很大的自收缩。事实上，UHPC的收缩以自收缩为主，陈宝春等[15]发现，UHPC的自收缩占总收缩的比例一般为78.6%～90.0%。

图3 不同配比UHPC的自收缩

硅灰掺量最高的A0试件的自收缩最高，这是因为硅灰本身的颗粒粒径极细，平均粒径只有0.1～0.3 μm，在掺入混凝土中后，其填充效应可以细化混凝土的孔径，同时其比表面积极高，以及活性SiO2含量比较高，能很快和水泥水化产物Ca(OH)2反应，加速整个胶凝体系的水化反应，在早期生成较多的C-S-H凝胶[16]，而C-S-H凝胶的内部孔隙孔径通常为0.5～10.0 nm，能进一步细化孔径。因此，A0试件理论上的细孔含量最高，导致其受到较大的毛细压力，从而使其自收缩也较大。此外，当粉煤灰和矿粉各替代50%的硅灰后，UHPC试件的自收缩有不同程度的降低，当替代率达到100%时，自收缩会进一步降低，其中A1试件(粉煤灰替代100%硅灰)自收缩最小，相较于A0试件，28 d的自收缩降低了31.6%。这说明UHPC的自收缩受矿物掺合料影响较大。粉煤灰的掺入延缓了早期水泥水化反应，减少了C-S-H的生成，不会产生较多的细孔，因此降低了混凝土的自收缩。矿粉在一定程度上也可以降低UHPC的自收缩，但降低幅度不如粉煤灰，这是因为矿粉的火山灰活性低于硅灰，但高于粉煤灰，在相同掺量下，早期水化程度介于硅灰和粉煤灰之间，从而使混凝土早期的自收缩也介于二者之间。

2.4 孔结构特征

不同孔径的孔隙会对混凝土性能产生不同的影响，为了进一步研究UHPC试件的孔结构特征，A0、A1和A2试件经过28 d的标准养护后，采用压汞法测定其孔径分布曲线和孔隙特征参数，测试结果分别如图4和表3所示。

图4 A0、A1和A2试件的孔径分布

表3 A0、A1和A2试件的孔隙特征参数

从图4的孔径分布曲线中可以看出，A0、A1和A2试件的孔径主要分布在100 nm以下，且A0试件曲线位于A1和A2试件曲线的左侧，这说明相较于粉煤灰和矿粉，硅灰对混凝土的孔结构有明显的细化作用。有研究[17]表明，影响混凝土自收缩的孔径范围一般为5～50 nm。从图4中可以看出，在5～50 nm的孔径范围内，A0试件的细孔占比最高，A2试件次之，A1试件最低，因此A0试件的自收缩最高，A1试件的自收缩最低，A2试件介于二者之间。

从表4的孔隙特征参数中可以看出，A0试件孔隙率最低，而且平均孔径和最可几孔径也最低，这说明与粉煤灰、矿粉相比，硅灰具有较强的活性，在掺入到混凝土中后能够很快参与水化反应，并生成较多的C-S-H凝胶，能填充孔隙并细化孔径，提高混凝土结构密实度。当用粉煤灰或矿粉替代100%硅灰时，都会在不同程度上延缓水化反应，增大结构的孔隙率，降低混凝土的早期强度。