含碎石超高性能混凝土配制及其影响因素分析

李长吉，孙俊丰

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066002）

0 引言

UHPC 作为一种新型材料，具有优异的力学性能和耐久性能，纤维的掺入使UHPC 的弯拉强度得到了极大地提高，因此UHPC 在建筑行业具有广阔的应用市场。但是UHPC 高昂的造价限制了其应用范围，目前市场上的UHPC 产品基本不含碎石，如果能在UHPC 中加入一定比例的碎石，并且使其能够保持原有的优异性能，则可以极大地降低UHPC 的成本。本研究通过在UHPC 中以等量取代（胶凝材料+细集料）的方式掺入碎石，研究碎石在不同用量条件下对UHPC 工作性能、力学性能和耐久性能的影响，为含碎石UHPC 更好地应用于实际工程提供试验依据。

1 试验内容

1.1 试验材料

1） 活性粉料：采用江苏苏博特生产的超高性能混凝土用活性粉料。

2） 细骨料：采用江苏地区石英砂粒径范围为0.16～1.25 mm，二氧化硅含量98.4%。

3） 碎石：秦皇岛地区5～10 mm 辉绿岩碎石，含泥0.5%，泥块0.1%，针片状颗粒4.1%，压碎值5.7%，表观密度2 720 kg/m3，堆积密度1 510 kg/m3。

4） 外加剂：江苏苏博特生产聚羧酸高性能减水剂，减水率33%，氯离子含量0.01%，碱含量1.4%，泌水率比34%，初凝时间差140 min，终凝时间差160 min，7 d 抗压强度比136%，28 d 抗压强度比131%。

5） 水：自来水。

6） 纤维：采用江苏苏博特生产的合成纤维和钢纤维。

1.2 配合比

参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[1]中的相关要求，选定本次配合比用水胶比为0.18，碎石含量以碎石占活性粉料和细集料总量计选定含量为0、20%、40%、70%、100%。合成纤维和钢纤维含量根据材料质量和特性选定能掺量分别为2.1%和13.6%。试验用配合比试验数据见表1。

表1 试验用配合比Table 1 Test mix proportions

1.3 试验方法

按照表1 中的配合比称量试拌用原材料质量，用搅拌机试拌。搅拌完成后进行流动性测试，并成型试块。成型完毕后在试模表面覆盖塑料薄膜防止水分蒸发，静置24 h 后拆模，把试块放到标准养护室进行养护。试块到期后按照文献[2-4]试验标准进行各项指标的检测。

2 试验结果分析

试块到龄期后分别测定其抗压、弯拉和轴心抗压强度，其结果见表2。

表2 UHPC 物理力学性能试验结果Table 2 UHPC physical and mechanical performance test results

2.1 碎石含量和纤维种类对新拌UHPC 流动性的影响

由表2 中的试验数据可知，随着碎石的增加，混凝土的流动性逐渐呈下降趋势，当碎石含量大于70%后混凝土的流动性急剧减小。这是由于混凝土混合料接近于宾汉姆体，其流变性质符合宾汉姆体流变方程[5]，即混凝土的流变性质由剪切应力和黏度系数决定。碎石含量的增加使得新拌混凝土的剪切应力增大，同时碎石含量的增加使得碎石的比表面积增大而砂浆体积减少导致碎石表面的砂浆厚度减小，从而导致混凝土拌合物的黏度系数增大，最终导致坍落度值的减小。

由表2 和图1 可以看出，掺入合成纤维的混凝土拌合物的流动性要高于掺入钢纤维的混凝土，这是由于钢纤维的硬度要大于合成纤维，在混凝土浆体体系中所产生的阻力也要大于合成纤维，造成混凝土拌合物的黏度增大，因此在相同碎石含量的情况下掺合成纤维混凝土的流动性要大于掺钢纤维的混凝土。

图1 不同碎石含量-坍落度曲线Fig.1 Curve of slump with different crushed stone content

2.2 碎石含量和纤维种类对UHPC 力学性能的影响

1） 图2、图3 分别为（合成纤维、钢纤维）不同碎石含量-抗压强度曲线。由表2 和图2、图3可以看出，无论是掺合成纤维还是钢纤维UHPC随着碎石含量的增加其7 d 和28 d 抗压强度先增大后减小。同时由拟合曲线可以看出其7 d 和28 d 强度变化规律均符合二次曲线拟合方程，其线性相关系数均大于0.95 以上。根据拟合方程可以计算出对于合成纤维7 d 抗压强度的最佳含量为33.4%，28 d 抗压强度的最佳含量为43%；钢纤维7 d 抗压强度的最佳含量为18.7%，28 d 抗压强度的最佳含量为38.6%。同时由表2 可以看出，掺钢纤维的UHPC 的强度普遍高于掺合成纤维的UHPC，7 d 平均强度提高13.8%，28 d 平均强度提高21.7%。

图2 不同碎石含量-抗压强度曲线（合成纤维）Fig.2 Curve of compressive strength with different crushed stone content(Synthetic fiber)

图3 不同碎石含量-抗压强度曲线（钢纤维）Fig.3 Curve of compressive strength with different crushed stone content(Steel fiber)

2） 图4 为不同碎石含量-7 d 与28 d 抗压强度比曲线。由图4 可知，无论是掺合成纤维还是钢纤维其7 d 与28 d 抗压强度比均随着碎石含量的增大而逐渐降低。由图4 还可以看出，对于UHPC 其早期强度增长较快，尤其是掺合成纤维的混凝土，当碎石含量为0 时抗压强度比最高为97.0%，当碎石含量为100%时抗压强度比最低为92.5%。并且掺合成纤维混凝土的7 d 与28 d 抗压强度比普遍高于掺钢纤维的混凝土，高约10%。

图4 不同碎石含量-7 d 与28 d 抗压强度比曲线Fig.4 Curve of compressive strength ratio of 7 d to 28 d with different crushed stone content

3） 图5 为不同碎石含量-28 d 轴心抗压强度曲线。由图5 中曲线可以看出，无论是掺合成纤维还是钢纤维UHPC，其28 d 轴心抗压强度均随着碎石含量的增大表现出先变大后减小的规律，其强度增长规律符合二次拟合曲线方程。由方程可以计算出掺钢纤维UHPC 碎石的最佳含量为49.7%，掺合成纤维UHPC 碎石的最佳含量为49.2%。同时掺钢纤维UHPC 比掺合成纤维UHPC的28 d 轴心抗压强度普遍增加约16.3%。

图5 不同碎石含量-28 d 轴心抗压强度曲线Fig.5 Curve of axial compressive strength at 28 d with different crushed stone content

4） 图6、图7 分别为（合成纤维、钢纤维）不同碎石含量-弯拉强度曲线。由图6 可知掺合成纤维UHPC 的7 d 和28 d 弯拉强度均随着碎石含量的增加表现出先变大后减小的现象。当碎石含量为20%时，7 d 弯拉强度最高，当碎石含量为40%时，28 d 弯拉强度最高。由图7 可知掺钢纤维UHPC 的7 d 和28 d 弯拉强度在碎石含量为0时最大，随着碎石含量的增大其7 d 和28 d 的弯拉强度略微变小，但波动幅度不大。

图6 不同碎石含量-弯拉强度曲线（合成纤维）Fig.6 Curve of flexural tensile strength with different crushed stone content(Synthetic fiber)

图7 不同碎石含量-弯拉强度曲线（钢纤维）Fig.7 Curve of flexural tensile strength with different crushed stone content(Steel fiber)

UHPC 抗压强度和轴心抗压强度随碎石含量的增加表现出先增大后减小的主要原因是：碎石最大粒径只有10 mm，比表面积大，表面粗糙，增加了浆体与骨料界面过渡区的黏结能力；同时掺入一定量的碎石可以在UHPC 体系内部形成骨架，使得UHPC 内部颗粒之间的嵌挤作用增强，提高了UHPC 整体的抗压性能。但是碎石含量过大，UHPC 流动性大大降低，结果表明当碎石含量从0 增大到70%时，UHPC 的扩展度由820 mm降低到394 mm，这就会导致硬化UHPC 内部缺陷增多，抗压性能下降。掺钢纤维的UHPC 抗压性能高于掺合成纤维UHPC，是由于钢纤维自身抗拉强度要远大于合成纤维，对于UHPC 抗压性能有一定的增幅作用，同时钢纤维与UHPC 内部浆体的锚固作用要大于合成纤维，由于上述两方面因素的叠加作用导致掺钢纤维的UHPC 的抗压性能高于掺合成纤维的UHPC。

掺合成纤维UHPC 的弯拉强度随碎石含量的增大先升高后降低是由于：当碎石含量在0～40%时，由于碎石相对较少，UHPC 浆体较多，合成纤维能够较为均匀地分散于浆体内部，纤维的抗拉强度能够充分得到利用。碎石的掺入能够在UHPC 内部形成骨架结构，试块在弯拉破坏过程中，骨料的存在阻碍了混凝土内部裂缝的发展，使混凝土的弯拉强度得到提高。而当碎石含量大于40%时，UHPC 的流动性急剧下降，同时浆体体积减少导致纤维不能在UHPC 内部均匀的分散，在试验试拌过程中发现纤维存在结团现象也验证了这一点，这样会使纤维对弯拉强度的增强作用大大降低。正是由于上述2 个因素的相互作用和影响，使得掺合成纤维UHPC 弯拉强度表现出先增大后减小的现象。钢纤维与合成纤维相比不宜分散，碎石的加入使得钢纤维分散变得更加困难，碎石加入对弯拉强度增强作用小于钢纤维分散不均匀使自身弯拉强度不能得到充分利用所带来的影响，因此掺钢纤维UHPC 的弯拉强度从一开始就表现出随骨料加入而降低的现象。

2.3 碎石含量对UHPC 弹性模量的影响

表3 为UHPC 弹性模量试验结果。图8 为不同碎石含量-弹性模量曲线。由表3 和图8 可知随着碎石含量的增大，混凝土的弹性模量逐渐降低。掺合成纤维UHPC 当碎石含量为20%、40%、70%、100%时，弹性模量较无碎石UHPC 弹性模量分别降低了4.0%、7.4%、22.5%、29.7%；掺钢纤维UHPC 当碎石含量为20%、40%、70%、100%时，弹性模量较无碎石UHPC 弹性模量分别降低了34.9%、45.4%、53.6%、54.9%，掺钢纤维UHPC 弹性模量的降低幅度远大于掺合成纤维UHPC。这个结果与文献[6]所得随碎石含量的增加UHPC 弹性模量逐渐增大结论正好相反。主要原因是本试验所用碎石母岩的弹性模量小于活性粉料和石英砂所组成的砂浆的弹性模量。

图8 不同碎石含量-弹性模量曲线Fig.8 Curve of elastic modulus with different crushed stone content

表3 UHPC 弹性模量试验结果Table 3 UHPC elastic modulus test results

根据文献[7]，混凝土的弹性模量可用式（1）表示：

式中：Ec为复合材料弹性模量，即混凝土弹性模量；Em为基体相弹性模量，即砂浆弹性模量；Ep为粒子相弹性模量，即碎石弹性模量；Vp为粒子相体积率，即碎石体积率；Vm为基体相体积率，即砂浆体积率。

硬化混凝土结构有砂浆、碎石和内部孔隙组成，在不考虑内部孔隙的情况下，碎石体积率和砂浆体积率满足式（2）：

将式（2）带入式（1）得：

由式（3）可以得到，当碎石母岩的弹性模量小于UHPC 中砂浆的弹性模量时，即Ep-Em＜0，随着碎石含量的增加，碎石在UHPC 中占有的体积率VP增大，UHPC 弹性模量Ec减小。

式（3）并没有考虑硬化混凝土内部孔隙对弹性模量的影响，如考虑孔隙的影响，因为孔隙的弹性模量为0，因此孔隙率越高混凝土的弹性模量越小。由于掺钢纤维的UHPC 的流动性小于掺合成纤维的UHPC 的流动性，会造成成型试块后掺钢纤维UHPC 的内部孔隙要大于掺合成纤维UHPC，这也是掺钢纤维UHPC 弹性模量下降幅度要大于掺合成纤维UHPC 的原因。

2.4 碎石含量对UHPC 电通量的影响

由于钢纤维为导电介质，因此本文仅对掺合成纤维的UHPC 进行电通量试验，试验结果如图9 所示。

图9 不同碎石含量-电通量曲线Fig.9 Curve of electric flux with different crushed stone content

由图9 可知，随着碎石含量的增大掺合成纤维UHPC 电通量逐渐增大。当碎石含量为0～40%时，电通量增长曲线比较平缓增长幅度不大；当碎石含量大于40%时，电通量曲线急剧升高。当碎石含量为20%、40%、70%、100%时，UHPC的电通量分别增长了21.2%、55.3%、278.9%、427.1%。但是与普通混凝土相比UHPC 的电通量大大地降低了，也就是说UHPC 的抗氯离子渗透性能也远远优于普通混凝土。

UHPC 与普通混凝土相比胶凝材料用量更多，水胶比更低，且掺入纤维。因此，UHPC 的微观结构更为复杂。在低水胶比的情况下，UHPC 中存在着相当比例的未水化水泥颗粒，未水化颗粒强度高而致密填充内部孔隙，使UHPC 更加密实。龙广成等[8]认为UHPC 孔隙率低，总孔隙率约2%，孔径主要集中于2～3 nm。UHPC 优异的抗氯离子渗透性能与其低孔隙率密切相关，孔隙率越低抗氯离子渗透性能越好。对于未掺碎石的UHPC，彭艳周[9]依据吴忠伟院士提出的“中心质假说”认为石英砂粒和纤维以及未水化水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰颗粒等与水泥浆体紧密黏结。水化产物中Ca（OH）2量很少而C-S-H 等凝胶产物较多，它们混合在一起使得未掺碎石的UHPC 结构均衡密实，界面效应相互叠加，从而使得UHPC 具有优异的抗氯离子渗透性能。由于碎石的吸水作用使得碎石表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙，这些细小的缝隙使得UHPC的抗氯离子渗透性减弱。碎石的含量越多，碎石的比表面积越大，在硬化混凝土中产生的细小缝隙就会越多，这就导致了UHPC 抗氯离子渗透性能随着碎石含量的增多而逐渐减小。当碎石含量大于40%，UHPC 的流动性急剧下降，使得此情况下的UHPC 不易振捣密实，内部产生较多的孔隙，此孔隙尺寸的量级要大于水泥水化和集料表面的缝隙，因此使得UHPC 的抗氯离子渗透性能急剧降低。

3 结语

1） UHPC 的流动性随碎石含量的增加而降低，当碎石含量大于70%时，UHPC 流动性急剧降低。

2） 随碎石含量的增加UHPC 的抗压强度和轴心抗压强度先增大后减小，其变化规律符合二次曲线拟合方程。掺合成纤维最佳碎石含量为43.0%，掺钢纤维碎石最佳含量为38.6%，掺钢纤维UHPC 其抗压性能均优于掺合成纤维。

3） 掺合成纤维UHPC 弯拉强度随碎石含量的增大先升高后降低，含量为40%时弯拉强度最高；掺钢纤维UHPC 碎石含量为0 时弯拉强度最大。

4） UHPC 弹性模量随碎石含量的增加而逐渐降低，可能原因是由于所用碎石母岩的弹性模量小于活性粉料和石英砂所组成的砂浆的弹性模量。掺钢纤维UHPC 弹性模量的降低幅度远大于合成纤维。

5） 随着碎石含量的增加UHPC 电通量逐渐增大，碎石含量为20%、40%、70%、100%时UHPC电通量分别增长了21.2%、55.3%、278.9%、427.1%。虽然碎石的掺入降低了UHPC 的抗氯离子渗透性能，但其结果仍远优于普通混凝土。

6） 活性粉料和石英砂的成本远高于碎石的成本，因此在UHPC 中掺入碎石可大幅降低UHPC的成本，当碎石掺量为40%左右时，虽然UHPC的流动性和耐久性能会有一定程度的降低，但其试验结果仍能满足施工和结构耐久性的要求，并且其力学性能较之未掺碎石的UHPC 还有一定程度的提高，综合以上分析，UHPC 在实际应用过程中建议掺入40%左右的优质碎石。