張 瀟

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000；2.公路橋梁診治技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，沈陽(yáng) 110000)

超高性能混凝土(UHPC)是一種新型水泥基材料，與普通混凝土不同，UHPC由大摻量的膠凝材料、高效減水劑及高強(qiáng)短細(xì)鋼纖維組成，在保證其工作性能的前提下降低水膠比、減小孔隙率和增加密實(shí)性，因此具有超高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)異耐久性，滿(mǎn)足現(xiàn)代工程對(duì)建筑材料的更高需求[1-4]。

機(jī)制砂作為石英砂、河砂的替代品，已在混凝土行業(yè)廣泛應(yīng)用。采用機(jī)制砂部分或完全替代UHPC中石英砂、河砂，不僅可以降低材料成本，也符合國(guó)家混凝土行業(yè)可持續(xù)的發(fā)展方向，也是UHPC未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。機(jī)制砂是利用碎石或河道卵石經(jīng)機(jī)械破碎并篩分而制成，表面粗糙，且有棱角，并含有一定的石粉含量，所以機(jī)制砂的摻入會(huì)對(duì)UHPC的流動(dòng)性能、力學(xué)性能及耐久性能有著重要的影響[5,6]。

因此，該文在前期UHPC的研究基礎(chǔ)上，探索機(jī)制砂替代石英砂不同比例(0、25%、50%、75%及100%)對(duì)UHPC工作性能、力學(xué)性能、耐久性能等基本性能的影響，且該文進(jìn)一步通過(guò)研究消泡劑最佳摻量，制備出經(jīng)濟(jì)型的免蒸養(yǎng)機(jī)制砂UHPC。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1)膠凝材料：水泥采用大連小野田水泥有限公司生產(chǎn)的PO52.5 R普通硅酸鹽水泥，其物理性能見(jiàn)表1；硅灰為上海?？瞎旧a(chǎn)，灰色粉末，比表面積為19 800 m2/kg，密度為2.02 g/cm3；粉煤灰為遼寧某公司生產(chǎn)，灰白色粉末，比表面積548 m2/kg。

表1 水泥物理性能

2)細(xì)集料：石英砂采用20～40目石英砂， 機(jī)制砂采用0～1.18 mm和1.18～2.36 mm兩種粒徑按6∶4配制而成。

3)減水劑：采用武漢某公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量40%。

4)鋼纖維：采用上海某公司生產(chǎn)的端鉤型鋼纖維，長(zhǎng)度14 mm，直徑0.22 mm。

5)消泡劑：采用德國(guó)明凌P803消泡劑。

1.2 制備方法

將稱(chēng)量好的膠凝材料、細(xì)集料、消泡劑等投入干混機(jī)中干攪 2 min，制成 UHPC 干粉料，再邊攪拌邊均勻加入稱(chēng)量好的水及減水劑，攪拌3 min后加入鋼纖維，然后繼續(xù)攪拌直至拌和物具有良好的流動(dòng)性。UHPC拌合后裝入試模，試塊表面及時(shí)覆蓋塑料薄膜并將試件移入溫度為(20±2)℃室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模之后水養(yǎng)至測(cè)試齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

UHPC的工作性能試驗(yàn)參照GB /T50081—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)方法進(jìn)行；UHPC的抗壓強(qiáng)度參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》試驗(yàn)方法進(jìn)行，其試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗折強(qiáng)度參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》試驗(yàn)方法進(jìn)行，其試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm試件；UHPC的抗氯離子滲透性能及抗凍融性能參照GB /T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制砂不同摻量對(duì)UHPC工作性能的影響

為了更好地探究機(jī)制砂不同摻量對(duì)UHPC工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響，試驗(yàn)具體配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，其中水膠比為0.18，膠凝材料用量為1 150 kg/m3，鋼纖維體積摻量為2%，減水劑摻量為2%。編號(hào)A0～A4分別為機(jī)制砂摻量分別為0、25%、50%、75%、100%的UHPC配合比。

表2 UHPC配合比 /(kg·m-3)

圖1為機(jī)制砂不同摻量UHPC 的擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果，由圖可知，編號(hào)A0、A1、A2、A3及A4的擴(kuò)展度分別為720 mm、745 mm、795 mm、775 mm、755 mm，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出隨著機(jī)制砂摻量的增加，UHPC的擴(kuò)展度先升高后降低。機(jī)制砂摻量50%時(shí)，UHPC的擴(kuò)展度最大，相比于不含機(jī)制砂的UHPC試樣A0，A2試樣擴(kuò)展度提高了10.4%。擴(kuò)展度先升高后降低的主要原因?yàn)闄C(jī)制砂中含有一定量的石粉，石粉的需水量低，且具有微集料作用，相應(yīng)的減少UHPC用水量，所以摻入一定量的機(jī)制砂后UHPC的擴(kuò)展度增加；但機(jī)制砂超過(guò)一定比例后，機(jī)制砂相比于石英砂表面粗糙、多棱角，其在UHPC漿體中流動(dòng)阻力變大，從而降低UHPC的流動(dòng)性。

2.2 機(jī)制砂不同摻量對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響

該試驗(yàn)具體配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，機(jī)制砂不同摻量的UHPC 28 d抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同機(jī)制砂摻量UHPC試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，隨著機(jī)制砂摻量增加，UHPC 的抗壓和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，A0、A1、A2、A3的28 d抗壓強(qiáng)度分別131.3 MPa、136.5 MPa、144.8 MPa、133.1 MPa、128.0 MPa，其中機(jī)制砂摻量50%時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；A0、A1、A2、A3的28 d抗折強(qiáng)度分別為25.5 MPa、27.0 MPa、28.3 MPa、23.7 MPa、22.1 MPa，同樣機(jī)制砂摻量50%時(shí)，UHPC抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。機(jī)制砂對(duì)UHPC力學(xué)性能產(chǎn)生影響的原因?yàn)椋?)機(jī)制砂顆粒的表面粗糙和不規(guī)則， 增加了UHPC漿體與機(jī)制砂之間的粘結(jié)力，從而提高UHPC的力學(xué)性能；2)摻入一定量的機(jī)制砂后，石粉具有微集料效應(yīng)，優(yōu)化UHPC的顆粒級(jí)配，且一定量的機(jī)制砂會(huì)使UHPC的流動(dòng)性增加，UHPC漿體形成更為致密的微觀結(jié)構(gòu)；但隨著機(jī)制砂摻量的進(jìn)一步增加，UHPC 拌合物工作性能變差，導(dǎo)致成型不密實(shí)，內(nèi)部缺陷增加，所以UHPC的抗壓抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

2.3 機(jī)制砂不同摻量對(duì)UHPC耐久性能的影響

優(yōu)異的耐久性是UHPC區(qū)別于普通混凝土的一項(xiàng)重要特征，該文主要研究UHPC的抗氯離子滲透性能及抗凍融性能?？孤入x子滲透性能采用電通量法，抗凍融性能采用快凍法，試驗(yàn)具體配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中看出隨著機(jī)制砂的摻量增加，電通量先減少后增加。機(jī)制砂摻量達(dá)到25%時(shí)，UHPC的電通量最小為155 C；機(jī)制砂摻量達(dá)到100%，UHPC的電通量也僅為237 C。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)橐欢繖C(jī)制砂的摻可以提高UHPC 的擴(kuò)展度，減少內(nèi)部缺陷產(chǎn)生；機(jī)制砂顆粒間的緊密堆積使得混凝土內(nèi)部的孔隙減少；機(jī)制砂的粗糙表面特性，使其與漿體有更強(qiáng)的粘結(jié)力，從而使UHPC的抗氯離子性能更加優(yōu)異。

表4 不同機(jī)制砂摻量UHPC的耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

從表4中同樣看出隨著機(jī)制砂摻量的增加，經(jīng)過(guò)500次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率相差不大，A0、A1、A2、A3的質(zhì)量損失率分別為0.15%、0.19%、0.22%、0.16%、0.27%，且所有試件表面完好，無(wú)任何剝落情況。原因?yàn)閁HPC體系中膠凝材料含量大，且較低的水膠比導(dǎo)致UHPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，使其具有較大的抗凍脹壓力的能力，所以機(jī)制砂的摻量對(duì)其抗凍融性能影響較小。

根據(jù)機(jī)制砂不同摻量UHPC的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能測(cè)試結(jié)果，結(jié)合UHPC的經(jīng)濟(jì)性能，機(jī)制砂的最佳摻量為50%。

2.4 機(jī)制砂UHPC性能優(yōu)化

機(jī)制砂UHPC中膠凝材料含量較高，減水劑摻量較大，導(dǎo)致攪拌成型時(shí)拌合物中氣泡含量較大，因此可引入消泡劑進(jìn)一步增加混凝土基體密實(shí)性，提高其力學(xué)性能。試驗(yàn)具體配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表5，其中B1、B2、B3、B4、B5的消泡劑摻量分別為0.02%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，試驗(yàn)?zāi)z凝材料用量為1 150 kg/m3，機(jī)制砂摻量50%，減水劑摻量2%，鋼纖維體積摻量2%，水膠比0.18。

表5 不同消泡劑摻量的機(jī)制砂UHPC配合比 /(kg·m-3)

消泡劑不同摻量的機(jī)制砂UHPC 28 d抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出隨消泡劑摻入量的增加，試樣的抗折、抗壓強(qiáng)度先升高后降低。當(dāng)消泡劑的摻量為0.1%時(shí)，所制試樣力學(xué)性能最佳，其28 d抗折強(qiáng)度為32.9 MPa、抗壓強(qiáng)度為156.1 MPa。這是因?yàn)檫m當(dāng)摻量的消泡劑一方面能夠抑制混凝土中氣泡的形成，另一方面能破壞混凝土中已形成的氣泡，使凝結(jié)后漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率達(dá)到最小，UHPC結(jié)構(gòu)更加致密，從而使混凝土的力學(xué)性能得到提高。隨著消泡劑摻量的繼續(xù)增加，消泡劑在UHPC中也產(chǎn)生缺陷，若繼續(xù)摻加消泡劑，會(huì)使缺陷大于其作用，所以UHPC的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低。

表6 不同消泡劑摻量的機(jī)制砂UHPC試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

a.隨著機(jī)制砂摻量的增加，UHPC的工作性及抗壓、抗折力學(xué)性能呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，機(jī)制砂摻入50%時(shí)UHPC擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

b.UHPC的抗氯離子滲透性能隨著機(jī)制砂摻量的增加先升高后降低，機(jī)制砂摻入25%時(shí)UHPC電通量最??；機(jī)制砂的摻入對(duì)抗凍融性能影響不大。

c.消泡劑的摻入可改善機(jī)制砂UHPC的基體密實(shí)性，消泡劑的摻量為0.1%時(shí)，所制UHPC力學(xué)性能最佳，其28 d抗折強(qiáng)度為32.9 MPa，抗壓強(qiáng)度為156.1 MPa。