不同预湿再生细骨料对UHPC的力学与自收缩性能影响

吴子杨 WU Zi-yang；陈康 CHEN Kang；游啸 YOU Xiao；程书凯 CHENG Shu-kai

（武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430073）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一种高密实高强度的纤维增强水泥基复合材料[1]，其不仅有良好的力学性能和耐久性，还具有较好的韧性，目前已被广泛使用在较多的工程结构应用中[2，3]。但是，由于UHPC具有极低的水胶比和较高的胶材用量，这会引起其内部毛细孔中水分不饱和，毛细管内负压增大，从而产生较大的早期自收缩，可能会引起UHPC出现开裂，导致结构出现安全隐患[4，5]。

国内有研究表明内养护材料可以为混凝土内部提供有效的水分来源，降低其内部自干燥，从而抑制早期自收缩、防止混凝土开裂。内养护技术是改善超高性能混凝土早期收缩开裂问题的重要手段之一[6]。内养护技术主要是通过对内养护材料预湿处理使其负载水分来达到对混凝土基体有效内养护的目的。S.H.Kang等[7]研究结果表明，预湿SAP掺入能抑制UHPC内部自干燥现象和自收缩，但同时也会导致UHPC基体的孔隙率增大，力学性能下降。张高展[8]等发现引入预湿LWA会略微降低UHPC的力学性能，可以实现UHPC轻质和低收缩的目的，不同预湿程度还可以改善拌合物的工作性能和体积稳定性能。再生细骨料（Recycled fine aggregate，RFA）具有孔隙率高、吸水率大特点[9]，是一种多孔轻质材料（LWA），具备内养护材料特性。童小根等[10]研究发现，再生砂的掺入不仅可以有效地改善混凝土的收缩性能和抗裂性能，制备出的混凝土满足C60混凝土强度设计要求，同时具备较好的抗氯离子渗透性能和抗硫酸盐侵蚀性能。张伟等[11]认为吸水饱和的再生骨料能提高高性能混凝土的内部相对湿度，促进水化反应、降低混凝土孔隙率，细化孔径。葛晓丽[12]等研究发现再生砂可以制备出的具有良好的力学性能UHPC，并且在一定程度上可以优化UHPC的孔径结构。上述国内学者研究表明了再生细骨料制备UHPC的可行性，但是仅研究了再生细骨料取代率、粒径与添加剂对其力学性能的影响，对于不同预湿程度处理的再生细骨料对UHPC力学与收缩性能研究较少。本文采用三种不同预湿处理方法，以10%、20%、30%再生细骨料等体积取代石英砂制备UHPC，研究了不同预湿程度及不同掺量再生细骨料对UHPC的抗压强度、自收缩和抗氯离子渗透性能的影响规律。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料水泥采用的是华新牌P·O 52.5硅酸盐水泥（OPC），表1为水泥的物理性能；硅灰（SF）采用的是超细硅灰，粉煤灰（FA）：粉煤灰为I级粉煤灰，表2为水泥、硅灰和粉煤灰的化学组成。细骨料采用石英砂（QS，0.40-0.85mm）与再生细骨料（1.18-2.36mm）。QS的表观密度为2648kg/m3，SiO2的含量超过96%。再生细骨料（RCA）：为汉阳市政公司提供的废弃建筑物拆除后破碎生产的再生细骨料，详细的物理特性如表3所示。减水剂：为聚羧酸高效减水剂，含固量40%，减水率为37%。钢纤维：为冷拉镀铜微丝钢纤维，微丝钢纤维直径0.25mm，长度14mm，抗拉强度3300MPa。

表1 水泥物理性能

表2 水泥、硅灰和粉煤灰化学组成（%）

表3 再生细骨料物理性能

1.2 试验设计试验前将再生细骨料烘干，分三份，其中一份不做预处理保持干燥状态（D），另外两份分别进行半预湿（S）和全预湿处理（M）。再生细骨料的取代率分别为10%、20%和30%（等体积取代石英砂）。水泥∶硅灰∶粉煤灰∶细骨料=0.65∶0.25∶0.1∶1，水灰比为0.18，UHPC砂浆配合比如表4所示。将预湿再生细骨料内部水分计算在内，保持基体水灰比不变（附加水+再生细骨料中的水）。其中REF表示不掺再生细骨料组；D10、D20和D30分别表示为干燥状态下的再生细骨料取代率为10%、20%、30%制备的再生细骨料UHPC；S、M分别表示半预湿和全预湿状态，详见表4。

表4 UHPC砂浆配合比

1.3 试验方法将所需的胶凝材料、水与高效减水剂进行称取，倒入砂浆搅拌机成型。得到成型的水泥浆体后，将细骨料加入砂浆搅拌机中得到UHPC浆体，最后再加入钢纤维成型。UHPC成型后，将所成型的UHPC砂浆试样（40×40×160mm和Φ100×50mm）移入标准养护室养护至3d、7d、28d后取出。取出的试块采用YAW-300C型号微机控制全自动压力试验机测试UHPC的抗压强度。在UHPC浆体成型后（不含钢纤维）使用非接触式波纹管自收缩测定仪测定UHPC的早期自收缩；将养护28d的Φ100×50mm试块（不含钢纤维）取出，用NJ-DTL混凝土氯离子电通量测定仪测试UHPC抗氯离子渗透性能。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度在标准养护条件下的再生细骨料UHPC的3d、7d和28d的抗压强度见图1。由图1可知，再生细骨料的掺入会降低UHPC的3d和7d的抗压强度，但提高其28d的抗压强度。与REF相比，D10、S10和M10的3d抗压强度分别下降了40.41%，27.04%和22.87%，7d强度分别下降了25.35%，14.22%和1.29%；D20、S20和M20的3d抗压强度分别下降了21.94%、29.88%和14.69%，7d抗压强度分别降低了19.92%、12.74%和0.26%；D30、S30和M30的3d抗压强度分别下降了46.15%、44.91%和11.37%，7d抗压强度分别下降了20.65%、11.98%和8.7%。这是因为再生细骨料相比于石英砂具有较高的压碎值，较低的弹性模量，导致再生细骨料UHPC的抗压强度较低。

图1 再生细骨料UHPC抗压强度

随着预湿程度的增大，UHPC的28d抗压强度逐渐增大。D10和S10的28d抗压强度降低了19.84%和3.47%，但M10的28d强度提高了5.26%；D20、S20和M20的28d抗压强度分别提高了1.23%、13.14%和16.6%；D30和S30的28d抗压强度较对照组降低了11.06%、7.23%，但M30的28d抗压强度提高了1.28%。这是因为随着UHPC不断水化反应，其内部相对湿度不断降低，而再生细骨料能持续释放水分，促进体系内部胶凝材料的水化程度，产生较多的钙矾石（AFt）和C-S-H凝胶，提高了UHPC基体28d的抗压强度。与D、S相比，M的再生细骨料UHPC强度更高。全预湿再生细骨料取代率为20%时，UHPC抗压强度最好。

2.2 自收缩在UHPC浆体成型后迅速移入自收缩波纹管，得到UHPC浆体早期7d的自收缩图2。由图2可知，REF在早期收缩达到1231μm，预湿再生细骨料的掺入可有效地降低UHPC的早期自收缩。与REF相比，D20、S20和M20的7d自收缩分别下降了49.96%、62.08%和74.55%，D30、S30和M30的7d自收缩分别下降了71.78%、78.34%和90.47%。随着UHPC内部水化地进行，基体内部相对湿度降低，形成毛细管弯月面，导致毛细管产生收缩应力，从而产生收缩，而预湿再生细骨料能够为基体提供所需水分，延缓内部相对湿度的降低，从而降低其自收缩。相同再生细骨料取代率下，随着预湿程度的增大，UHPC基体自收缩降低；与D、S相比，M的自收缩降低更为显著，这是再生细骨料的取代率较大，内部储存的水分更多，能为UHPC内部提供更多水分，从而有效地降低其内部自干燥过程使得自收缩降低更明显。相同预湿程度下，随着再生细骨料的取代率增加，UHPC的自收缩下降幅度逐渐增大。

图2 再生细骨料UHPC自收缩

2.3 电通量在标准条件养护的再生细骨料UHPC的28d电通量见图3。如图3所示，再生细骨料的掺入会提高UHPC基体的电通量；相同预湿程度下随着再生细骨料的取代率增加，UHPC电通量逐渐降低；相同粒径下随着再生细骨料的取代率增加，UHPC电通量逐渐增大。与REF相比，D10～M10，D20～M20，D30～M30的电通量分别升高了75%～50%，55.56%～27.78%、66.67%～44.44%。由于掺入的再生细骨料为多孔轻骨料，其内部含有较多孔隙，为氯离子的扩散提供了许多孔道，从而导致再生细骨料制备的UHPC有着较大的电通量。相同取代率下，随着预湿程度的增大，UHPC电通量降低。原因可能是预湿再生细骨料的加入促进了UHPC基体的水化反应，生成的水化产物能够细化UHPC基体内部的孔隙，使得孔隙率降低，电通量降低。相同预湿程度下，再生细骨料取代率为20%制备的UHPC具有较低的电通量。

图3 再生细骨料UHPC电通量

3 结论

①预湿再生细骨料的掺入会降低UHPC早期抗压强度，其中3d强度降低11.37%～46.15%，7d抗压强度降低0.26%～25.35%。但全预湿再生细骨料的掺入可使UHPC的28d抗压强度提高1.28%～16.6%，其中M20抗压强度最高，达到了160.76MPa。②预湿再生细骨料能有效降低UHPC的早期自收缩。随着再生细骨料取代率的增加，UHPC早期自收缩逐渐降低。相同掺量下，预湿程度较高的UHPC的自收缩下降更为明显，其中，与对照组相比，试验组M30的7d自收缩为下降了90.47%。③预湿再生细骨料的掺入提高了UHPC的电通量，但随着预湿程度的增大，再生细骨料UHPC的电通量逐渐降低。在再生细骨料取代率为20%时，再生细骨料制备的UHPC电通量较低。