高岳毅，何海波，張文華

（1.江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210042；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，如今建筑物逐漸向超高層以及大跨度方向發(fā)展，對于混凝土材料的耐久性能、強(qiáng)度等要求也越來越高[1]。超高性能混凝土（UHPC）是一種水泥基復(fù)合材料，由于其水膠比低，設(shè)計精細(xì)，具有高強(qiáng)度和高耐久性，抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)10 MPa左右[2-4]。已成為水泥基材料研究的熱點。

但UHPC中高摻量的超塑化劑、鋼纖維和某些細(xì)骨料導(dǎo)致UHPC的成本比普通混凝土高得多。為了降低成本，戎志丹等[5]通過摻入超細(xì)工業(yè)廢渣取代水泥、超高硬度細(xì)集料以及采用高溫干熱養(yǎng)護(hù)制度，成功制備出超高性能水泥基復(fù)合材料。李響[6]通過使用含有礦物摻合料的水泥基材料配制混凝土，可綜合利用工業(yè)固體廢渣。然而，水泥和硅灰的大量使用使得能耗與CO2的排放居高不下，不利于目前碳中和的環(huán)保理念。因此，UHPC的高成本、高能耗和CO2的大量排放限制了UHPC的廣泛應(yīng)用。綠色可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前緊迫的課題，從材料的角度來看，開發(fā)綠色UHPC非常重要。

玄武巖粉末是玄武巖開采過程中產(chǎn)生的廢棄材料[7]，如不能夠進(jìn)行妥善處置，不僅會占用大量的土地資源，而且還會對環(huán)境會造成污染。玄武巖粉末顆粒粒徑較細(xì)，雖然具有一定的活性，但活性不高，因此本試驗利用玄武巖粉末取代河砂制備UHPC，研究水膠比及玄武巖粉末摻量對UHPC力學(xué)性能的影響。結(jié)合壓汞試驗、XRD、SEM分析養(yǎng)護(hù)溫度對玄武巖粉末UHPC微結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：江南小野田公司P·Ⅱ52.5水泥，比表面積385m2/kg，密度3.01 g/cm3，主要化學(xué)成分如表1所示；硅灰：比表面積2050 m2/kg，密度2.1 g/cm3；粉煤灰：江蘇某電廠，Ⅰ級，密度2.7 g/cm3；礦渣：S95級，比表面積450 m2/kg，密度2.8 g/cm3；減水劑：江蘇蘇博特股份有限公司產(chǎn)聚羧酸高效減水劑，減水率40%～50%；鋼纖維：平直型，直徑0.2 mm，長度13 mm，密度7.8 kg/m3；玄武巖粉末：玄武巖開采過程中產(chǎn)生，平均粒徑74μm；河砂：細(xì)度模數(shù)2.6，密度2.6 g/cm3。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

1.2 配合比的設(shè)計

超高性能混凝土的配合比見表2，固定m（水泥）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=6∶1∶1∶2，減水劑摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）為2%，鋼纖維體積摻量為1%。設(shè)計水膠比分別為0.16、0.18、0.20、0.22、0.24，玄武巖粉末摻量（等質(zhì)量取代河砂）分別為40%、45%、50%、55%、60%，研究UHPC性能的變化。

表2 超高性能混凝土的配合比

1.3 樣品的制備

根據(jù)表2的配合比稱量膠凝材料、玄武巖粉末及河砂，將其緩慢攪拌3 min使原料混合均勻。攪拌完后，將水與高效減水劑倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌，慢速攪拌5 min，待砂漿混合物攪拌均勻形成漿體后，加入鋼纖維并攪拌1 min。UHPC攪拌均勻后倒入40 mm×40 mm×160 mm模具中成型，放置24 h后拆模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中（溫度20℃、相對濕度90%）養(yǎng)護(hù)28d；為了研究高溫對UHPC的影響，將配合比BP5另一部分試塊放置于高溫養(yǎng)護(hù)箱中（溫度90℃、相對濕度90%）養(yǎng)護(hù)3 d，再放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到28 d。

1.4 測試方法

（1）抗折和抗壓強(qiáng)度：依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用全自動抗折抗壓一體機(jī)進(jìn)行測試。

（2）微觀分析：將試樣破碎成小塊，浸泡在無水乙醇中，終止水泥水化。浸泡48 h后將樣品取出，置于含有硅膠的真空干燥器中，干燥至恒重。采用美國麥克儀器公司生產(chǎn)的Auto PoreⅣ9510壓汞儀對不同養(yǎng)護(hù)溫度下UHPC的孔徑分布進(jìn)行測試分析。采用XRD對不同養(yǎng)護(hù)溫度下UHPC的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析，掃描范圍5°～70°，速率為10°/min。采用SEM對不同養(yǎng)護(hù)溫度下UHPC的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比對UHPC抗折及抗壓強(qiáng)度的影響（見表3）

表3 水膠比對UHPC抗折及抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可見，隨著水膠比的增大，UHPC的抗折強(qiáng)度明顯降低。水膠比為0.16時，UHPC的抗折強(qiáng)度為34.91 MPa；水膠比增大至0.24時，UHPC的抗折強(qiáng)度僅為21.60 MPa，較水膠比為0.16時降低了38.13%。這是因為隨著水膠比的增大，膠凝材料相對減少，從而導(dǎo)致水泥基體的粘結(jié)能力減弱，與鋼纖維的粘結(jié)能力有所降低。此外，由于水膠比的增大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的孔隙也有所增加，從而使得內(nèi)部缺陷的數(shù)量有所增多，因此抗折強(qiáng)度大幅降低。與抗折強(qiáng)度的變化趨勢相似，UHPC的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大也有所降低，但降幅低于抗折強(qiáng)度的變化。水膠比為0.16時，UHPC的抗壓強(qiáng)度為128.06 MPa；當(dāng)水膠比為0.20時，UHPC的抗壓強(qiáng)度較水膠比為0.16時降低了12.06%；當(dāng)水膠比增大至0.24時，UHPC的抗壓強(qiáng)度較水膠比為0.16時降低了28.64%。這說明水膠比對UHPC抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對抗壓強(qiáng)度的影響。

2.2 玄武巖粉末摻量對UHPC抗折及抗壓強(qiáng)度的影響（見表4）

表4 玄武巖粉末摻量對UHPC抗折及抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可見，隨著玄武巖粉末摻量的增加，UHPC的抗折及抗壓強(qiáng)度均先提高后降低。當(dāng)玄武巖粉末摻量為40%時，UHPC的抗折及抗折強(qiáng)度最低，分別為22.73、104.59 MPa；當(dāng)玄武巖粉末摻量為55%時，UHPC的抗折及抗折強(qiáng)度最高，分別為34.91、128.06 MPa，較摻量為40%時分別提高53.58%、22.44%；當(dāng)玄武巖粉末摻量為60%時，UHPC的抗折及抗折強(qiáng)度分別為30.68、113.24 MPa，較摻量為55%時分別降低了12.12%、11.57%。

這是因為玄武巖粉末加入會促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，生成有助于提高強(qiáng)度的物相；同時，玄武巖粉末的加入會使得基體的粘結(jié)強(qiáng)度有所提高。在此雙重作用下，隨著玄武巖粉末摻量的增加，UHPC的抗折強(qiáng)度大幅提高。值得注意的是，此部分試驗是在水膠比為0.16條件下進(jìn)行的，當(dāng)玄武巖粉末摻量達(dá)到60%時，UHPC的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水膠比為0.20時的強(qiáng)度。因此，UHPC中摻入玄武巖粉末可以有效提高UHPC的強(qiáng)度，表明將玄武巖粉末這一固廢應(yīng)用于UHPC可以在提高材料強(qiáng)度的同時，有效地實現(xiàn)固廢資源化利用。

2.3 養(yǎng)護(hù)溫度對玄武巖粉末UHPC微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了研究養(yǎng)護(hù)溫度對玄武巖粉末UHPC微觀結(jié)構(gòu)的影響，選取BP5試件（水膠比為0.16、玄武巖粉末摻量為60%）為代表進(jìn)行研究。圖1、圖2分別為BP5試件在不同養(yǎng)護(hù)溫度下，試件的孔徑分布積分曲線及累積孔徑體積分布曲線。

由圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖粉末UHPC的最可幾孔徑隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而減小。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為20℃時，最可幾孔徑為32.35 nm；而當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為90℃時，最可幾孔徑為53.41nm。說明隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，玄武巖粉末UHPC的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到了改善。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為20℃時，玄武巖粉末UHPC內(nèi)部孔直徑大多都大于50 nm，有害孔和多害孔居多。而當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為90℃時，其內(nèi)部出現(xiàn)大量小于20 nm的孔，主要以無害孔和少害孔居多。這樣表明，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，玄武巖粉末UHPC內(nèi)部越來越緊密，溫度的升高有效減少了混凝土內(nèi)部的孔隙，進(jìn)而提高了混凝土內(nèi)部的密實度，使混凝土的性能得以加強(qiáng)。

圖1 BP5試件的孔徑分布積分曲線

圖2 BP5試件的累積孔徑體積分布曲線

不同養(yǎng)護(hù)溫度下水化產(chǎn)物的XRD圖譜如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)溫度下水化產(chǎn)物的XRD圖譜

由圖3可見，Ca（OH）2晶體的衍射峰強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而逐漸降低。這是因為隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥水化速度加快，同時，高溫促使Ca（OH）2在水中的溶解度進(jìn)一步提高。高溫下Ca（OH）2溶解度的提高及火山灰反應(yīng)的加速，使原來結(jié)晶的Ca（OH）2溶解出來參加水化反應(yīng)，使得Ca（OH）2晶體含量降低，大多數(shù)的水化產(chǎn)物Ca（OH）2晶體很快在火山灰反應(yīng)中消耗掉。隨后，由溶解的硅粉顆粒及其水化C-S-H凝膠的形成，都抑制了游離狀較大的Ca（OH）2晶體在水化階段的生長。較多的二氧化硅和氧化鋁存在于粉煤灰和玄武巖粉末中，其可與水泥水化析出的Ca（OH）2發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣。如果有硫酸根離子同時存在，則可生成水化硫鋁酸鈣，使混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提高，密實度增加。這是因為Ca（OH）2是混凝土的脆弱部分，消耗Ca（OH）2產(chǎn)生更密實的托貝莫來石結(jié)構(gòu)，可以使UHPC具有較高的強(qiáng)度。溫度的提高可以促進(jìn)礦物摻合料與Ca（OH）2進(jìn)行二次水化，因此超高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實度得以提高，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

不同養(yǎng)護(hù)溫度下玄武巖粉末的微觀形態(tài)如圖4所示。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度下玄武巖粉末的微觀形態(tài)

由圖4可見，玄武巖粉末均呈顆粒狀，在養(yǎng)護(hù)溫度為20℃時，粉煤灰表面比較光滑，玄武巖顆粒表面有少量晶體吸附在表面，這說明一些玄武巖顆粒已開始與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，Ca（OH）2有所消耗。玄武巖表面出現(xiàn)纖維狀晶體，硅酸鹽水泥熟料水化生成的C-S-H凝膠和Ca（OH）2晶體被吸附在粉煤灰顆粒的表面。養(yǎng)護(hù)溫度為90℃時，玄武巖顆粒的表面很粗糙。這充分說明，養(yǎng)護(hù)溫度的提高可以提高水泥的水化反應(yīng)程度，加快火山灰反應(yīng)。

為了研究養(yǎng)護(hù)溫度對UHPC性能的影響，將BP5配合比試樣分別進(jìn)行20℃和90℃下養(yǎng)護(hù)，不同養(yǎng)護(hù)溫度下玄武巖粉末UHPC的力學(xué)性能如表5所示。

表5 不同養(yǎng)護(hù)溫度下玄武巖粉末UHPC的力學(xué)性能

由表5可見，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，UHPC的強(qiáng)度有所提高。養(yǎng)護(hù)溫度由20℃升高到90℃，UHPC抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了19.84%、9.70%，力學(xué)性能的變化趨勢與上述微觀分析保持一致。養(yǎng)護(hù)溫度的升高可以提高水泥的水化反應(yīng)程度，說明適當(dāng)?shù)厣唣B(yǎng)護(hù)溫度對玄武巖粉末UHPC力學(xué)性能的增強(qiáng)有利。

3 結(jié)論

（1）隨著水膠比的增大，UHPC的抗折及抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。與水膠比為0.16時相比，當(dāng)水膠比增大至0.24時，UHPC的抗折及抗壓強(qiáng)度分別降低了38.13%、28.64%。水膠比對UHPC抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對抗壓強(qiáng)度的影響。

（2）隨著玄武巖粉末摻量的增加，UHPC的抗折及抗壓強(qiáng)度均先提高后降低，當(dāng)玄武巖粉末摻量為55%時，UHPC的抗折及抗折強(qiáng)度最高，分別為34.91、128.06 MPa，較摻量為40%時分別提高53.58%、22.44%。

（3）養(yǎng)護(hù)溫度的升高有效減少了混凝土內(nèi)部的孔隙，進(jìn)而提高了混凝土內(nèi)部的密實度，使混凝土的性能得以加強(qiáng)。同時可以促進(jìn)礦物摻合料與Ca（OH）2的二次水化，增加超高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實度，進(jìn)一步優(yōu)化了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。并且可以提高水泥的水化反應(yīng)程度，加快火山灰反應(yīng)。

（4）將玄武巖粉末這一固廢應(yīng)用于UHPC可以在提高材料強(qiáng)度的同時，可以有效地實現(xiàn)固廢資源化利用。