彭程康琰，耿春東，劉勇強(qiáng)，石 華，余松柏，丁慶軍

(1.華新水泥股份有限公司研發(fā)中心，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引 言

超高性能混凝土(UHPC)是一種為應(yīng)對(duì)西部山區(qū)多發(fā)泥石流、洪水等自然災(zāi)害對(duì)水工建筑造成破壞而研制的新型抗沖磨材料。由于泥石流、洪水中含有大量泥沙和石塊等固體碎屑物，其體積含量最少為15%，最高可達(dá)80%左右，具有突發(fā)性強(qiáng)、流速快、破壞力大和威脅強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3]，因此會(huì)對(duì)橋梁墩柱或其他構(gòu)筑物產(chǎn)生極大的沖擊磨損。利用機(jī)制砂制備的UHPC具有高抗沖磨、高抗沖擊、高韌性、抗硫酸鹽侵蝕性能，可良好應(yīng)對(duì)西部山區(qū)復(fù)雜情況。但是UHPC仍存在部分問(wèn)題，其膠材用量較高，導(dǎo)致整體收縮比較大，用于橋墩等橋梁結(jié)構(gòu)和其他水工建筑時(shí)會(huì)因其收縮變形而導(dǎo)致開(kāi)裂。

實(shí)驗(yàn)選取不同類別的膨脹劑與空白組進(jìn)行對(duì)比，研究不同膨脹劑種類和摻量對(duì)UHPC抗沖磨性能和體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律。并用陶砂替代部分機(jī)制砂，探究陶砂對(duì)UHPC抗沖磨性能和體積穩(wěn)定性的影響機(jī)理。最后提出膨脹劑與陶砂對(duì)UHPC抗沖磨性能和體積穩(wěn)定性的協(xié)同提升技術(shù)，為西部山區(qū)基礎(chǔ)工程建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥(C)：型號(hào)為P·O 52.5，比表面積為363 m2/kg，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

表1 水泥、硅灰主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of cement and silica fume /wt%

表2 水泥性能指標(biāo)Table 2 Performance index of cement

(2)硅灰(SF)：具體組成見(jiàn)表1，比表面積>17 000 m2/kg，28 d活性指數(shù)>110%。

(3)粉煤灰(FA)：粉煤灰微珠，比表面積1 260 m2/kg，28 d活性指數(shù)95%；其他各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 粉煤灰微珠性能指標(biāo)Table 3 Performance index of fly ash microbeads

(4)外加劑：江蘇蘇博特聚羧酸高效減水劑，固含量35%，減水率30%。

(5)膨脹劑：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CaO型及MgO型膨脹劑，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)具體章節(jié)所示。

(6)砂：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.0，石粉含量5%；陶砂指標(biāo)見(jiàn)具體章節(jié)所示。

(7)纖維：鍍銅平直短細(xì)鋼纖維，纖維長(zhǎng)度12～14 mm，直徑0.18 mm。

(8)水：普通自來(lái)水。

1.2 UHPC制備工藝

UHPC的攪拌工藝為：(1)使用普通攪拌機(jī)：先將水泥、硅灰、粉煤灰微珠和機(jī)制砂干攪均勻，然后稱取所需外加劑與水，并混合均勻后緩慢地倒入攪拌機(jī)內(nèi)濕拌 2～3 min。當(dāng)原材料從粉體、固體變成流體狀態(tài)后把鋼纖維撒入篩子均勻加入攪拌機(jī)攪拌3 min，待狀態(tài)合適后將新拌和的混凝土倒出，測(cè)試工作性能并澆筑成型。(2)使用雙臥軸式混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)：將水泥、硅灰、粉煤灰微珠和砂、纖維一同加入振動(dòng)攪拌機(jī)中攪拌均勻，然后將均勻混合的水和外加劑緩慢地倒入攪拌機(jī)內(nèi)，振動(dòng)攪拌3～4 min，出料進(jìn)行擴(kuò)展度等性能測(cè)試，之后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng) 30 s澆筑模具成型。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)混凝土工作性能測(cè)試

按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》以及《活性粉末混凝土》(GBT 31387—2015)對(duì)試樣進(jìn)行工作性能測(cè)試。

(2)混凝土力學(xué)性能測(cè)試

按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》以及《活性粉末混凝土》中的相關(guān)要求進(jìn)行試件的成型和強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)試樣均為超高性能混凝土的范疇，按照《活性粉末混凝土》中要求，不同尺寸的試件與標(biāo)準(zhǔn)試件之間無(wú)尺寸換算關(guān)系，采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試樣測(cè)試抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需乘以換算系數(shù)。

(3)混凝土體積穩(wěn)定性測(cè)試

按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50082—2009)要求對(duì)試樣進(jìn)行體積穩(wěn)定性的測(cè)試。

(4)混凝土抗沖磨性能測(cè)試

抗沖磨性能按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DLT 5150—2001)中的要求進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨脹劑對(duì)UHPC性能影響

試驗(yàn)所制備的UHPC與傳統(tǒng)UHPC材料相同，由于膠凝材料用量大并高摻硅灰，導(dǎo)致其收縮偏大，用于橋墩等水工建筑使會(huì)因其收縮大而易開(kāi)裂。膨脹劑的摻入可降低收縮，大幅度改善UHPC的體積穩(wěn)定性，試驗(yàn)將系統(tǒng)研究膨脹劑補(bǔ)償收縮機(jī)理，探明膨脹劑在UHPC中的作用機(jī)理與強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)機(jī)制，制備出體積穩(wěn)定性能優(yōu)異的抗沖磨UHPC。

2.1.1 膨脹劑種類

采用不同種類膨脹劑進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同種類膨脹劑在一定摻量下對(duì)UHPC收縮性能的作用機(jī)制，試驗(yàn)選取6%摻量的MgO型膨脹劑、CaO型膨脹劑和空白組，具體試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5、圖1所示。

表4 膨脹劑基本性能指標(biāo)Table 4 Basic performance index of expansion agent

表5 膨脹劑種類對(duì)UHPC性能影響Table 5 Effect of expansion agent type on UHPC performance

由表5與圖1可知，膨脹劑的摻入對(duì)UHPC的工作性能影響較小，與空白組對(duì)比，擴(kuò)展度、坍落度均在590～610 mm、240～250 mm之間。但在力學(xué)性能方面與空白組相比，其抗壓強(qiáng)度下降了5～6 MPa，抗沖磨強(qiáng)度下降了8～9 h/(kg/m2)。這是由于膨脹劑的水化反應(yīng)消耗部分水，而UHPC的水膠比低，膨脹劑的水化反應(yīng)與水泥的水化反應(yīng)之間存在“爭(zhēng)水現(xiàn)象”，膨脹劑的水化“奪取”部分水泥水化反應(yīng)所用水，影響了水泥早期的正常水化程度，導(dǎo)致其強(qiáng)度有所降低[4-5]。

膨脹劑摻入混凝土后利用其自身水化反應(yīng)使混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生體積微膨脹，使得兩組摻入膨脹劑的試樣56 d收縮均低于500 μm/mm。其中CaO膨脹劑膨脹產(chǎn)物為Ca(OH)2，產(chǎn)物顆粒間作用較弱，其反應(yīng)早期便已完成，膨脹效果在早期體現(xiàn)。MgO膨脹劑水化產(chǎn)物為Mg(OH)2，具有延遲膨脹效應(yīng)，膨脹反應(yīng)的作用時(shí)間相對(duì)CaO膨脹劑較晚，具有延遲膨脹的特點(diǎn)。圖1是膨脹劑種類對(duì)UHPC收縮影響，由圖知與普通C50混凝土相比，C50混凝土收縮與摻入膨脹劑的試樣相差極小。優(yōu)選CaO膨脹劑來(lái)改善體積穩(wěn)定性。

圖1 膨脹劑種類對(duì)UHPC收縮影響Fig.1 Effect of expansion agent type on UHPC shrinkage

圖2 膨脹劑摻量對(duì)UHPC收縮的影響Fig.2 Effect of expansion agent addition on UHPC shrinkage

2.1.2 膨脹劑摻量

通過(guò)上節(jié)研究發(fā)現(xiàn)CaO膨脹劑更適合UHPC，本節(jié)采用不同摻量CaO膨脹劑補(bǔ)償U(kuò)HPC的收縮，系統(tǒng)研究不同膨脹劑摻量對(duì)超高性能混凝土性能影響規(guī)律，具體試驗(yàn)結(jié)果如表6和圖2所示。

表6 膨脹劑摻量對(duì)UHPC性能影響Table 6 Effect of expansion agent addition on UHPC performance

由圖2與表6可知，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土的力學(xué)性能降低，膨脹劑摻量從2%到8%，其抗壓強(qiáng)度降到135.2 MPa，抗彎拉強(qiáng)度為28.9 MPa，抗沖磨強(qiáng)度為139 h/(kg/m2)。這是由于膨脹劑水化消耗了大量的水，使得水泥中后期水化反應(yīng)的供水不足，對(duì)混凝土的力學(xué)性能和抗沖磨性能影響加大。摻入2%、4%、6%的CaO類膨脹劑的混凝土56 d收縮分別為581 μm/mm、516 μm/mm和458 μm/mm，較未摻膨脹劑的UHPC分別降低了27%、36%和43%，膨脹劑摻量從2%到6%，56 d收縮從581 μm/mm降低到458 μm/mm，隨膨脹劑摻量的增加，其補(bǔ)償了UHPC膠凝材料水化產(chǎn)生的收縮，使混凝土的收縮大大減少。但膨脹劑摻量過(guò)高達(dá)到8%后，由于UHPC水膠比極低，基體內(nèi)部水極少，膨脹劑摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致部分膨脹劑無(wú)足夠的水發(fā)生水化反應(yīng)，其體積穩(wěn)定性反而不如膨脹劑摻量為6%的試樣。

2.2 陶砂對(duì)UHPC性能影響

陶砂作為輕集料具有“微泵”效應(yīng)，經(jīng)過(guò)清水浸泡后的預(yù)濕陶砂在混凝土硬化后會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢釋放出內(nèi)部水分，使混凝土得到充分的內(nèi)養(yǎng)護(hù)，大幅降低混凝土的自收縮和干燥收縮，改善混凝土的體積穩(wěn)定性[6-7]。利用陶砂該特點(diǎn)，可在抗沖磨UHPC中摻入部分陶砂來(lái)提高其體積穩(wěn)定性，分別摻入0%、10%、20%、30%的陶砂等體積替代機(jī)制砂，探究陶砂的摻入以及其摻量對(duì)抗沖磨UHPC的影響。陶砂是粒徑為0.6～2.36 mm連續(xù)級(jí)配陶砂，其基本性能和配合比如表7～表9所示。

根據(jù)配合比制得混凝土的性能如表10所示。由圖3～圖6與表7～表10可知，陶砂的摻入對(duì)UHPC的性能影響較大，隨著陶砂摻量增加，混凝土的工作性能提高。相對(duì)于不摻陶砂，陶砂摻量達(dá)到30%時(shí)，擴(kuò)展度提高10%，坍落度提高10%。而對(duì)于力學(xué)性能而言，圖4是陶砂摻量對(duì)UHPC力學(xué)性能影響，由圖可知，陶砂的摻入降低了UHPC的強(qiáng)度，并且陶砂摻量越多強(qiáng)度降低幅度越大。陶砂本身作為多孔材料，內(nèi)部水分在濕度差應(yīng)力作用下逐漸釋放出來(lái)，實(shí)際上擴(kuò)大了水膠比，降低了混凝土的強(qiáng)度。對(duì)比四組試樣收縮數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5，由圖可以看出，陶砂的摻入較為明顯的改善了UHPC的體積穩(wěn)定性，這是由于陶砂作為多孔材料，經(jīng)飽和預(yù)濕后其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)將部分水分吸入，而膠凝漿體中水泥水化反應(yīng)消耗體系中自由水，導(dǎo)致陶砂與膠凝漿體之間產(chǎn)生水分差，在水分差的作用下飽和預(yù)濕陶砂內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中的水分將逐漸釋放，水分從孔結(jié)構(gòu)向基體中的毛細(xì)孔定向移動(dòng)，膠凝漿體內(nèi)部得到水分養(yǎng)護(hù)，對(duì)基體內(nèi)部因水化反應(yīng)引起的水分下降起到補(bǔ)償反饋?zhàn)饔茫徑饣w的自干燥的作用[8-9]。綜合各項(xiàng)性能，陶砂的摻入量應(yīng)在10%～20%。

表7 陶砂篩分結(jié)果Table 7 Pottery sand screening results

表8 陶砂物理性能Table 8 Pottery sand physical properties

表9 試驗(yàn)配合比Table 9 Experimental mix

表10 陶砂摻量對(duì)UHPC性能影響Table 10 Effect of pottery sand content on UHPC performance

圖3 陶砂摻量對(duì)UHPC工作性能影響Fig.3 Effect of pottery sand content on UHPC workability

圖4 陶砂摻量對(duì)UHPC力學(xué)性能影響Fig.4 Effect of pottery sand content on UHPcmechanical properties

圖5 陶砂摻量對(duì)UHPC收縮影響Fig.5 Effect of pottery sand content onUHPC shrinkage

圖6 陶砂與膨脹劑協(xié)同作用下UHPC收縮Fig.6 Shrinkage of UHPC under the synergy of potterysand and expansion agent

2.3 膨脹劑與陶砂協(xié)同提升體積穩(wěn)定性

控制CaO膨脹劑6%摻量與20%陶砂的摻入，其他條件保持一致，探索陶砂與膨脹劑對(duì)UHPC抗沖磨性能和體積穩(wěn)定性能的影響，見(jiàn)表11、表12。

表11 試驗(yàn)配合比Table 11 Experimental mix

表12 試驗(yàn)結(jié)果Table 12 Experimental result

圖7 鈣礬石形成的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of ettringite formation

由表11、表12可知，陶砂與膨脹劑同時(shí)摻入，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度降到137.2 MPa和29.2 MPa。陶砂體積摻量為20%時(shí)，摻入6%CaO類膨脹劑的混凝土56 d收縮為388 μm/mm。其中CaO水化生成氫氧化鈣，早期大量的氫氧化鈣的生成也會(huì)促進(jìn)更多的鈣礬石形成，如圖7所示，每個(gè)鈣礬石分子生成時(shí)，要結(jié)合32個(gè)水分子，導(dǎo)致鈣礬石組分較原組分體積增大，填充內(nèi)部孔隙，CaO膨脹組分水化需要大量水分，在普通UHPC中，低水膠比下膨脹劑由于水化不完全無(wú)法發(fā)揮其全部補(bǔ)償收縮的功能。而陶砂內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用不僅為水化反應(yīng)后的膠凝材料繼續(xù)提供內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)水，使其低水膠比下依然持續(xù)水化改善基體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，解決UHPC因水泥水化反應(yīng)后水分減少導(dǎo)致收縮增大的問(wèn)題。同時(shí)陶砂內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)水為UHPC內(nèi)部未反應(yīng)完全的膨脹劑提供水份繼續(xù)水化反應(yīng)，水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2不僅產(chǎn)生膨脹效果，還提供堿性環(huán)境與基體中的硫鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，改善了混凝土的體積穩(wěn)定性[10-11]。同時(shí)，觀察分析混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，由于UHPC水膠比極低，基體內(nèi)部存在大量未水化的膠凝材料，其與集料一起形成基體的骨架，改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高膠凝漿體與集料之間的粘結(jié)性能，形成致密堆積的結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖8與圖9所示,由于陶砂本身不光滑多棱角，表面存在大量孔洞形成“低洼”，在水泥水化反應(yīng)結(jié)束之前，“低洼”地區(qū)會(huì)被粉料和后來(lái)的膠凝漿體填充，同時(shí)陶砂內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用極大地提高陶砂周圍膠凝材料的水化程度，因此改善了體積穩(wěn)定性[12]。

圖8 陶砂界面耦合結(jié)構(gòu)SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM image of pottery sand interface coupling structure

圖9 水泥石結(jié)構(gòu)SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM image of cement stone structure

3 結(jié) 論

(1)在不摻入膨脹劑的條件下，隨著飽水預(yù)濕高強(qiáng)陶砂體積摻量提高，UHPC收縮減小，但抗沖磨強(qiáng)度下降，陶砂的體積摻量應(yīng)控制在10%～20%。

(2)在不摻入陶砂的條件下，摻入CaO類膨脹劑，可以顯著降低UHPC的收縮，摻入2%、4%、6%的CaO類膨脹劑的混凝土56 d收縮分別為581 μm/mm、516 μm/mm和458 μm/mm，較未摻膨脹劑的UHPC分別降低了27%、36%和43%。

(3)當(dāng)陶砂體積摻量為20%時(shí)，摻入6%CaO類膨脹劑的混凝土56 d收縮為388 μm/mm，預(yù)濕陶砂內(nèi)養(yǎng)護(hù)和膨脹劑補(bǔ)償收縮的協(xié)同作用顯著降低UHPC的收縮。