高 義

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）由法國學(xué)者于20世紀(jì)80年代提出，因其具有超高強(qiáng)度、超高密實(shí)、高耐久、高抗裂等突出優(yōu)點(diǎn)受到土木工程師的廣泛關(guān)注[1]。UHPC抗壓強(qiáng)度通常高于120 MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土材料[2]。鋼纖維的大量使用賦予UHPC優(yōu)異的韌性和斷裂能，極大地提高了混凝土結(jié)構(gòu)在極限環(huán)境下的結(jié)構(gòu)可靠性。UHPC基體中存在大量未完全水化的水泥熟料顆粒，在開裂時(shí)可以繼續(xù)水化產(chǎn)生自修復(fù)效應(yīng)[3]。UHPC線密度較低，能有效縮減結(jié)構(gòu)尺寸，降低自重，節(jié)省材料使用量，具有減少能耗和降低碳排放的優(yōu)點(diǎn)。目前，UHPC在混凝土結(jié)構(gòu)（尤其在公路橋梁方面）加固、構(gòu)件連接處、幕墻與裝飾品以及鋼橋面鋪裝方面有大量應(yīng)用，不僅產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)符合“可持續(xù)工程”與“綠色工程”的發(fā)展理念[4-5]。

組成材料中大量采用的硅灰和鋼纖維極大地增加了UHPC成本[6]。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化材料組成設(shè)計(jì)方法，采用大摻量工業(yè)固廢（粉煤灰、礦渣等）制備UHPC，在減少UHPC成本的同時(shí)也造成其性能出現(xiàn)一定程度的降低[7]。稻殼灰是稻殼的焚燒殘余物，含有大量無定形SiO2以及微納級(jí)孔，可作為輔助膠凝材料用于水泥基材料，提高其力學(xué)性能和耐久性[8]。大量研究表明，鋼纖維仍是UHPC中不可或缺的組成材料，僅采用有機(jī)纖維或多種纖維混雜的方式難以達(dá)到UHPC的性能要求。本文基于常規(guī)UHPC組成，采用稻殼灰取代部分硅灰，輔以聚丙烯纖維、玄武巖纖維混雜鋼纖維制備UHPC，通過測試拌和物流動(dòng)度、抗壓/抗折強(qiáng)度、斷裂能、電通量等評(píng)價(jià)稻殼灰與混雜纖維對(duì)UHPC的影響規(guī)律，以期為降低UHPC材料成本與提升性能提供新思路。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

膠凝材料包括水泥、粉煤灰、礦渣、硅灰與稻殼灰。水泥（OPC）：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），技術(shù)指標(biāo)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》，表觀密度為3.10 g/cm3。粉煤灰（FA）：Ⅰ級(jí)粉煤灰，技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，表觀密度為2.35 g/cm3；礦渣（GGBS）：灰白色粉末，技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 18406—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》，表觀密度為2.86 g/cm3；硅灰（SF）：灰色粉末，平均粒徑為0.5 μm，比表面積為17 800 m2/kg，表觀密度為2.10 g/cm3；稻殼灰（RHA）：黑色粉末，經(jīng)低燒研磨篩分，主要成分為無定形SiO2。膠凝材料各組分的化學(xué)組成如表1所示，各材料粒徑分布如圖1所示。

表1 各膠凝組分氧化物組成

圖1 水泥、粉煤灰與礦渣的顆粒粒徑分布

UHPC對(duì)骨料有較高要求，故選用石英砂（QS），且采用3種不同級(jí)配（20～40目、40～80目、80～120目，10目約為1.5 mm）按質(zhì)量比1∶1∶1混合而成。試驗(yàn)用減水劑為液態(tài)早強(qiáng)型高效聚羧酸減水劑（SP）。試驗(yàn)使用3種纖維，分別是鋼纖維（ST），長徑比60，即長度為12 mm，直徑為0.2 mm，各技術(shù)指標(biāo)符合JG/T 3064—1999《鋼纖維混凝土》；聚丙烯纖維（PP），長度為15 mm，直徑為25 μm，拉伸強(qiáng)度為500～800 MPa，密度為0.91 g/cm3，各技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》；玄武巖纖維（BS），長度為12 mm，直徑為15 μm，彈性模量為95～105 GPa，密度為2.65 g/cm3，是一種環(huán)保型無機(jī)纖維且價(jià)格低廉，各技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 38111—2019《玄武巖纖維分類分級(jí)及代號(hào)》。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 UHPC制備

根據(jù)最緊密堆積理論設(shè)計(jì)UHPC配合比，具體配比如表2所示。采用稻殼灰替代20%和40%的硅灰，膠砂比固定為1∶1，水膠比固定為0.17，鋼纖維固定摻量為2%（體積比），聚丙烯纖維、玄武巖纖維的摻量分別為0.75%和1.5%（體積比）。

表2 試驗(yàn)配比

UHPC拌和物制備分為3個(gè)步驟。首先，將膠凝材料、骨料等粉體材料放入攪拌鍋內(nèi)，干拌1.5～2 min，使粉體材料混合均勻；隨后，將稱量的水和減水劑緩慢加入攪拌鍋中，濕拌2～3 min至砂漿拌和物均勻；最后，將不同纖維勻速地加入砂漿拌和物內(nèi)，繼續(xù)攪拌3～5 min。將UHPC拌和物倒入事先備好的三聯(lián)鋼模具中（40 mm×40 mm×160 mm），振搗密實(shí)，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2.2 性能測試

1）流動(dòng)度：依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》，采用跳桌法進(jìn)行UHPC拌和物流動(dòng)度測試，測量長短邊直徑，取3次測量數(shù)據(jù)的平均值，即為流動(dòng)度值。

2）抗壓/抗折強(qiáng)度：依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速度控制在1 mm/min（抗折強(qiáng)度測試）和5 kN/s（抗壓強(qiáng)度測試），取3個(gè)測量值（誤差不大于15%）的平均值為抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)值。

3）動(dòng)態(tài)彈性模量：依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，制備100 mm×100 mm×300 mm的UHPC棱柱體試件，使用動(dòng)彈儀測試時(shí)需將傳感器緊貼試件表面，動(dòng)彈儀可以自動(dòng)計(jì)算試件動(dòng)態(tài)彈性模量。

4）起裂強(qiáng)度/撓度：依據(jù)日本JSCE SF4規(guī)范，制備100 mm×100 mm×400 mm的UHPC棱柱體試件，測試UHPC的四點(diǎn)彎曲性能。為提高試件平整度，需將澆筑面進(jìn)行打磨拋光，UHPC試件不同位置上的厚度偏差控制在±0.02 mm。從荷載-撓度曲線能獲得多項(xiàng)數(shù)據(jù)，本文主要采用起裂強(qiáng)度和起裂撓度。

5）體積穩(wěn)定性：依據(jù)JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》，制備25 mm×25 mm×280 mm的三聯(lián)模試件，測試其初始長度，隨后將試件置入干縮試驗(yàn)室（20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度60%±5%）養(yǎng)護(hù)特定齡期后采用比長儀測試其變形值。干縮率可以通過式（1）進(jìn)行計(jì)算：

6）氯離子擴(kuò)散系數(shù)：依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，制備直徑為100 mm±1 mm、高度為50 mm±2 mm的圓柱體試件，采用快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM法）測試UHPC的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)度

各配比的流動(dòng)度如圖2所示?？梢钥闯?，對(duì)比試樣UHPC拌和物具有較高的流動(dòng)度，達(dá)210 mm；一定量（20%）稻殼灰取代硅灰時(shí)，UHPC流動(dòng)度出現(xiàn)小幅增大，而當(dāng)?shù)練せ胰〈杌业牧窟_(dá)40%時(shí)，UHPC流動(dòng)度降低，這說明適量稻殼灰對(duì)UHPC流動(dòng)性具有改善作用。主要原因是不同細(xì)度的礦物摻合料復(fù)合使用時(shí)，顆粒間可以相互補(bǔ)充，可以使材料體系粒徑分布更加合理，適量稻殼灰可能使原本填充在顆粒間的水分釋放為自由水，起到改善UHPC流動(dòng)性的效果；而當(dāng)?shù)練せ覔搅枯^大時(shí)，其較高的比表面積與多孔結(jié)構(gòu)會(huì)吸附更多的自由水，導(dǎo)致UHPC的流動(dòng)性變差。當(dāng)聚丙烯纖維和玄武巖纖維摻量較低時(shí)，對(duì)UHPC流動(dòng)度幾乎沒有不良影響，而當(dāng)混雜纖維摻量繼續(xù)增大時(shí)，UHPC流動(dòng)度出現(xiàn)較大幅度的降低。聚丙烯纖維和玄武巖纖維分散性比較差，摻量較大時(shí)容易在UHPC拌和物中發(fā)生團(tuán)聚，阻礙了拌和物顆粒的運(yùn)移，進(jìn)而降低流動(dòng)度。

2.2 抗壓/抗折強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)彈性模量

測試不同配比UHPC的28 d抗壓與抗折強(qiáng)度如圖3所示。可以看出，在試驗(yàn)研究的稻殼灰取代量范圍內(nèi)，UHPC抗壓與抗折強(qiáng)度隨稻殼灰取代量增加而增大，稻殼灰取代40%硅灰時(shí)，試樣的抗壓與抗折強(qiáng)度相較對(duì)比樣分別高出7.6%和6.8%。值得注意的是，當(dāng)?shù)練せ胰〈?0%硅灰時(shí)，試樣抗壓與抗折強(qiáng)度均有明顯增大，而當(dāng)?shù)練せ胰〈繌?0%增至40%時(shí)，強(qiáng)度并未呈現(xiàn)顯著增長。與普通混凝土力學(xué)性能和水泥熟料水化程度密切相關(guān)不同，基于最緊密堆積理論設(shè)計(jì)的UHPC力學(xué)性能主要取決于顆粒級(jí)配與堆積密實(shí)度。

圖2 各配比UHPC的流動(dòng)度值

圖3 各配比UHPC的28 d抗壓與抗折強(qiáng)度

本研究采用的稻殼灰平均粒徑在3.8 μm左右，介于硅灰與礦粉/粉煤灰之間，一定量的稻殼灰使UHPC顆粒體系級(jí)配更好、密實(shí)度更高，進(jìn)而提高其力學(xué)性能。摻入一定量的聚丙烯纖維后，UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度均有明顯降低，摻入1.5%聚丙烯纖維的試樣CP2抗壓與抗折強(qiáng)度較不摻聚丙烯纖維的試樣CR1分別低12.3%和22.3%。聚丙烯纖維密度、模量均較低，摻入U(xiǎn)HPC后，幾乎相當(dāng)于在UHPC體系中引入等量的有害孔；再者，聚丙烯纖維與基體界面黏結(jié)性能遠(yuǎn)不如鋼纖維與基體界面性能[9]。

另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，試驗(yàn)測試的2個(gè)玄武巖纖維摻量下UHPC試樣的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較明顯的降低，但抗折強(qiáng)度降低并不顯著[10]。玄武巖纖維是無機(jī)礦物纖維，其化學(xué)組成、密度與UHPC基體相近，玄武巖纖維的引入可以看做填料，但這一線形的填料影響了原有顆粒的級(jí)配和體系密實(shí)度，造成抗壓強(qiáng)度降低；同時(shí)玄武巖纖維與基體界面相容性更好，黏結(jié)更強(qiáng)，減輕了混雜纖維對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的降低效應(yīng)。

圖4、圖5分別給出了各配比UHPC的28 d動(dòng)態(tài)彈性模量以動(dòng)態(tài)彈性模量同抗壓/抗折強(qiáng)度的關(guān)系?？芍m量稻殼灰的摻入一定程度上增大了UHPC動(dòng)態(tài)彈性模量；摻入聚丙烯纖維后，UHPC動(dòng)態(tài)彈性模量出現(xiàn)較大幅度的降低，試樣CP2（含1.5%聚丙烯纖維）的28 d動(dòng)態(tài)彈性模量比試樣CR1降低12.9%；摻入玄武巖纖維后，UHPC動(dòng)態(tài)彈性模量僅小幅降低，可見玄武巖纖維對(duì)UHPC動(dòng)態(tài)彈性模量的影響類似于其對(duì)抗壓強(qiáng)度的作用效應(yīng)。此外，相較于對(duì)比樣、CR體系，混雜纖維的UHPC試樣動(dòng)態(tài)彈性模量數(shù)據(jù)的誤差更大。根據(jù)水泥基材料動(dòng)態(tài)彈性模量測試原理，材料的諧振頻率決定動(dòng)態(tài)彈性模量數(shù)值，而這與材料的密度相關(guān)，即動(dòng)態(tài)彈性模量反映水泥基材料的密實(shí)度。

圖4 各配比UHPC的28 d動(dòng)態(tài)彈性模量

圖5 28 d動(dòng)態(tài)彈性模量與抗壓/抗折強(qiáng)度的關(guān)系

如前所述，一定量的稻殼灰摻入后在其他材料顆粒體系中起到填充作用并改善UHPC密實(shí)度，動(dòng)態(tài)彈性模量的增大也驗(yàn)證了這一推論。而當(dāng)?shù)蛷椖５木郾├w維摻入后，其不能在UHPC中起到增韌、增強(qiáng)的作用，并且與基體形成的界面區(qū)薄弱，均為導(dǎo)致CP系列彈性模量降低的原因。目前，關(guān)于動(dòng)態(tài)彈性模量與混凝土靜態(tài)力學(xué)性能關(guān)系的研究已比較成熟[11]。圖5對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量-抗壓強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)彈性模量-抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系分別進(jìn)行了線性擬合，可以看出，動(dòng)態(tài)彈性模量與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別具有較好的正相關(guān)；摻入稻殼灰改性、2種纖維混雜使用并未改變這一規(guī)律。這說明對(duì)于使用稻殼灰與混雜纖維的UHPC，仍能采用無損測試動(dòng)態(tài)彈性模量的方法預(yù)測其靜態(tài)力學(xué)性能。

2.3 起裂特性

水泥基材料起裂特性包括其在四點(diǎn)抗彎測試下的起裂強(qiáng)度和起裂撓度，不同UHPC試樣的起裂強(qiáng)度和起裂撓度如圖6所示?？梢钥闯觯練せ倚》龃罅薝HPC的起裂強(qiáng)度，但對(duì)起裂撓度幾乎沒有影響；聚丙烯纖維的摻入顯著降低了UHPC的起裂強(qiáng)度，但同時(shí)增大了其起裂撓度；玄武巖纖維的引入小幅降低了UHPC的起裂強(qiáng)度并顯著增大了起裂撓度。水泥基材料的起裂強(qiáng)度和起裂撓度反映了材料抵抗初始開裂的能力，數(shù)值越大說明材料抵抗初始開裂的能力越強(qiáng)。UHPC起裂強(qiáng)度與其自身強(qiáng)度有關(guān)，CP系列較低的抗折強(qiáng)度也導(dǎo)致了相應(yīng)較低的起裂強(qiáng)度；CB系列UHPC的起裂強(qiáng)度降低與CR系列起裂強(qiáng)度升高也是同理。雖然聚丙烯纖維與玄武巖纖維的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如鋼纖維，但二者在UHPC中不僅能夠傳遞應(yīng)力，還能吸收能量，進(jìn)而增大UHPC的起裂撓度。

圖6 各配比UHPC的起裂強(qiáng)度和起裂撓度

2.4 耐久性

圖7給出了不同配比UHPC隨齡期的收縮變形規(guī)律?？梢钥闯觯練せ业氖褂蔑@著降低了UHPC的各齡期收縮變形，稻殼灰取代40%硅灰的CR2試樣的7 d和90 d收縮為同齡期CON試樣的69.3%和82.6%，可見稻殼灰對(duì)UHPC早期收縮變形的改善作用優(yōu)于后期，這一現(xiàn)象在CR1試樣中亦較為顯著。水泥基材料收縮主要來自水化后產(chǎn)物總體積減小產(chǎn)生的化學(xué)減縮以及中后期水分由內(nèi)部向外界遷移引起的干燥收縮[12]。

圖7 各配比UHPC收縮變形隨齡期的變化規(guī)律

稻殼灰表面有大量微孔，可以在攪拌過程中吸收部分自由水，隨水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)基體中濕度降低時(shí)，稻殼灰微孔中吸附的水分得以重新釋放，進(jìn)一步調(diào)節(jié)UHPC的內(nèi)部濕度，起到類似于內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，大幅改善了UHPC的早期收縮；再者，稻殼灰增大了UHPC的密實(shí)度、細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，降低了其內(nèi)部孔隙的連通性，增大了水分遷移的難度，進(jìn)而改善其中后期體積穩(wěn)定性[13]。聚丙烯纖維與玄武巖纖維摻入后，UHPC的收縮變形有不同程度的降低，且降低程度與纖維摻量有關(guān)。

同樣的，混雜纖維對(duì)UHPC早期變形的改善作用優(yōu)于中長期變形。在水化早期，UHPC力學(xué)性能較低，聚丙烯纖維與玄武巖嵌入水化產(chǎn)物簇，增大水化產(chǎn)物簇-纖維局部抵抗變形的能力，能夠在一定程度上改善化學(xué)減縮引起的變形效應(yīng)；而在水化中后期，UHPC微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑基本完成后，聚丙烯纖維和玄武巖纖維在硬化體中互相交織，增大了內(nèi)部水分向外部遷移的路徑長度，進(jìn)而改善其體積穩(wěn)定性。

盡管UHPC具有極佳的耐久性（抗凍融循環(huán)、抗碳化、抗氯離子滲透等），但由于其較高的收縮變形量，氯離子擴(kuò)散系數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)UHPC耐久性仍具有一定的參考價(jià)值[14]。采用RCM（快速氯離子遷移系數(shù)）法測試了不同配比UHPC的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，測試結(jié)果如圖8所示。可以看出，UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為10-14級(jí)別，遠(yuǎn)小于普通混凝土的10-12。摻入稻殼比較顯著地降低了UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，這與稻殼灰增大UHPC的密實(shí)度、改善孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，這一現(xiàn)象也對(duì)應(yīng)了前文力學(xué)性能的測試結(jié)果。聚丙烯纖維增大了UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，但增大幅度并不顯著。

有學(xué)者對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量與氯離子滲透系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示二者呈良好的線性規(guī)律，繪制本研究的動(dòng)態(tài)彈性模量與氯離子滲透系數(shù)關(guān)系，如圖9所示，圖中線性關(guān)系較差（相關(guān)系數(shù)僅為0.44）。這說明，線性關(guān)系用來描述混雜纖維UHPC動(dòng)態(tài)彈性模量與氯離子滲透系數(shù)之間的關(guān)系并不可靠。其主要原因在于，一定量的聚丙烯纖維雖顯著降低了UHPC的動(dòng)態(tài)彈性模量，但對(duì)其氯離子滲透系數(shù)影響較小。這可能是由于聚丙烯纖維的存在使氯離子滲透的路徑變得更加復(fù)雜，一定程度降低了氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

圖8 各配比UHPC的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)

圖9 氯離子擴(kuò)散系數(shù)與動(dòng)態(tài)彈性模量的關(guān)系

3 結(jié)語

1）適量稻殼灰取代硅灰能小幅改善UHPC流動(dòng)性，增大其抗壓、抗折強(qiáng)度以及動(dòng)態(tài)彈性模量，同時(shí)提高起裂強(qiáng)度、提升耐久性，但對(duì)UHPC起裂撓度影響較小。稻殼灰粒徑介于硅灰與粉煤灰/礦渣之間且表面多孔，能形成更優(yōu)的顆粒級(jí)配同時(shí)具有一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，因而一定量稻殼灰是制備UHPC的適宜材料。

2）聚丙烯纖維盡管能一定程度地改善UHPC體積穩(wěn)定性、提高其起裂撓度，但明顯地降低了UHPC的工作性能、力學(xué)性能。主要原因是聚丙烯纖維與UHPC基體、鋼纖維性能差距較大，相當(dāng)于在UHPC中引入薄弱點(diǎn)，不能起到增強(qiáng)、增韌的作用。

3）作為混雜纖維組成用于UHPC時(shí)，玄武巖纖維與聚丙烯纖維的作用規(guī)律相似，但前者性能優(yōu)于后者。原因是玄武巖纖維力學(xué)性能指標(biāo)與UHPC基體接近且為無機(jī)礦物纖維，在UHPC中起到填料作用；玄武巖纖維與UHPC基體相容性更好，纖維與基體界面性能更佳。