毛 簽，王 峰，葉 舟

(1.中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司，成都 610218；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430074；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

硅灰是工業(yè)煉鐵中產(chǎn)生的一種超細(xì)顆粒，其在混凝土中可產(chǎn)生優(yōu)異的火山灰效應(yīng)和微納米填充效應(yīng)，顯著改善混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)并提高密實(shí)程度，提升混凝土力學(xué)性能和耐久性，成為配制超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)不可或缺的材料。原狀硅灰的松散堆積密度通常在150～250 kg/m3，只有水泥的1/5。為方便運(yùn)輸及貯存，通常會(huì)對(duì)原狀硅灰經(jīng)氣體加壓處理，使其堆積密度至600 kg/m3以上，以降低運(yùn)輸及貯存成本。

然而，經(jīng)加密處理后的硅灰顆粒間團(tuán)聚更為緊密，靜電吸附作用加強(qiáng)，導(dǎo)致硅灰的分散性變差，拌和時(shí)間顯著增加。且團(tuán)聚后的硅灰微粒表面活性會(huì)有所下降，導(dǎo)致微納米硅灰顆粒的優(yōu)異特性喪失[1]。UHPC中硅灰摻量高達(dá)15%～30%，以上問題更加突出。加密硅灰的分散性不佳還會(huì)顯著延長(zhǎng)UHPC的攪拌時(shí)間，降低生產(chǎn)功效。

針對(duì)現(xiàn)有UHPC材料摻入大摻量硅灰后拌和時(shí)間過長(zhǎng)、硅灰利用效率不高等問題，對(duì)加密硅灰進(jìn)行預(yù)處理。研究不同預(yù)處理工藝對(duì)UHPC拌和時(shí)間和性能的影響，以期對(duì)現(xiàn)有UHPC材料生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為湖北媧石集團(tuán)生產(chǎn)的PO52.5硅酸鹽水泥；硅灰為四川某廠生產(chǎn)，其二氧化硅含量為96.7%，堆積密度為641 kg/m3；復(fù)合礦物摻合料流動(dòng)度比為109%，活性指數(shù)113%；石英砂采用20～120目石英砂；鋼纖維采用12 mm鍍銅平直型鋼纖維，贛州大業(yè)生產(chǎn)；UHPC專用高效減水劑，減水率為35%，中交二航武漢港灣新材料公司產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)配比

基于緊密堆積理論，通過調(diào)整膠凝材料組成和骨料組成比例確保達(dá)到最密堆積狀態(tài)，再結(jié)合拌和物的工作性對(duì)配合比進(jìn)行修正優(yōu)化，水膠比0.17，鋼纖維體積摻量2.5%，試驗(yàn)配比如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法與測(cè)試

1.3.1 硅灰預(yù)處理方法

采用兩種方法對(duì)硅灰進(jìn)行預(yù)處理：1)制漿法：采用拌合水浸泡加密硅灰24 h，使團(tuán)聚硅灰在水的滲透壓下分散，再將其加入到混凝土中拌和[2]。2)預(yù)拌法：調(diào)整UHPC的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)時(shí)先加入拌和水、外加劑和硅灰，預(yù)拌1 min使其充分分散，再加入其他膠材、石英砂及鋼纖維制備UHPC。

1.3.2 試件成型與養(yǎng)護(hù)

試件成型及養(yǎng)護(hù)過程均參照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

1.3.3 性能測(cè)試

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試混凝土擴(kuò)展度和凝結(jié)時(shí)間；按照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》中方法，測(cè)試混凝土在不同養(yǎng)護(hù)制度下各齡期抗壓強(qiáng)度；總拌和時(shí)間為粉料開始干混直至形成勻質(zhì)UHPC拌合物所需時(shí)間，濕拌時(shí)間為開始加水至拌和物混合均勻具有良好流動(dòng)性開始加入鋼纖維的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 拌和時(shí)間

將采用水浸泡分散的硅灰及外加劑預(yù)拌的硅灰制備UHPC拌合物，總拌和時(shí)間和濕拌時(shí)間結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，采用制漿法工藝處理后，濕拌時(shí)間由6 min縮至4 min，降幅達(dá)30%以上，總拌和時(shí)間則由10 min降至8 min，降幅達(dá)20%；采用預(yù)拌工藝處理硅灰后，濕拌時(shí)間由6 min降至3.5 min，降幅超40%，總拌和時(shí)間由10 min縮至7.5 min，拌和時(shí)間降低了25%，經(jīng)預(yù)處理工藝后UHPC的拌和效率顯著提升。

微納米硅灰的表面能高，易團(tuán)聚，混凝土拌和時(shí)需先分散硅灰，這使得攪拌和時(shí)間大幅延長(zhǎng)。經(jīng)預(yù)處理工藝后硅灰已在拌和水中分散均勻，因此可節(jié)省較多硅灰機(jī)械拌和分散時(shí)間。與制漿法相比，預(yù)拌法的拌和時(shí)間相對(duì)更短，效率更高，其對(duì)硅灰的分散效果更佳，這是由于制漿法雖能依靠水的滲透壓對(duì)硅灰進(jìn)行解密分散，但硅灰自身并不溶于水，會(huì)發(fā)生不同程度沉降，硅灰漿液中仍存在需要分散的硅灰顆粒。

2.2 工作性能

將采用水浸泡分散的硅灰及外加劑預(yù)拌的硅灰制備UHPC拌合物，并測(cè)試其在不同靜置時(shí)間下的擴(kuò)展度，對(duì)其工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖2所示。相較于未處理的UHPC拌合物，經(jīng)預(yù)處理工藝后的UHPC拌合物初始擴(kuò)展度由625 mm分別降至615 mm和605 mm，這表明預(yù)拌法和制漿法預(yù)處理后硅灰需水量增大。這是由于預(yù)處理工藝后硅灰之間解聚，顆粒細(xì)化，比表面積增大，膠凝材料體系對(duì)拌和水需求增大，進(jìn)而導(dǎo)致初始擴(kuò)展度的降低[3]。制漿法的初始擴(kuò)展度相較于預(yù)拌法更低，制漿法對(duì)硅灰解密的效果更優(yōu)。

而對(duì)于擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失，兩種處理方法均能降低工作性能的損失，但變化趨勢(shì)均與未經(jīng)處理的保持一致。究其原因，硅灰預(yù)處理過程中硅灰表面已被充分潤(rùn)濕，避免UHPC拌合物靜置時(shí)硅灰吸水造成自由水大量減少的問題。另外，團(tuán)聚硅灰顆粒在預(yù)處理過程中會(huì)有不同程度的解聚，硅灰顆粒細(xì)化后比表面積增大，膠凝材料體系需水量增大，自由水減小，導(dǎo)致靜止時(shí)自由水損失較少，因此擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失減小[4]。對(duì)比兩種處理工藝，制漿法對(duì)擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失的改善效果更佳，這表明細(xì)化硅灰顆粒對(duì)水泥顆粒的屏蔽作用在其中占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.3 凝結(jié)時(shí)間

混凝土的凝結(jié)時(shí)間直接影響脫模時(shí)間，關(guān)系到工程現(xiàn)場(chǎng)的施工效率。不同處理方法下UHPC的凝結(jié)時(shí)間如圖3所示。由圖3可以看出，與未處理的相比，預(yù)拌法的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別縮短了0.5 h和1.5 h，制漿法縮短了1 h和2.5 h，硅灰經(jīng)預(yù)處理后能在一定程度上縮短UHPC漿體的凝結(jié)時(shí)間。這是因?yàn)轭A(yù)處理過程中硅灰顆粒細(xì)化，可為水化提供了更多的成核核心，促進(jìn)水化產(chǎn)物在其表面沉積，并與之發(fā)生火山灰反應(yīng)，加快水化產(chǎn)物的結(jié)晶析出，加速水泥的早期水化[5]。而制漿法得到的硅灰細(xì)度更小，比表面積更大，與水泥接觸更為充分，這一效果更加明顯，因而宏觀上表現(xiàn)為凝結(jié)時(shí)間更短。

2.4 力學(xué)性能

以水浸泡分散的硅灰及外加劑預(yù)拌的硅灰為原料制備UHPC，測(cè)試其在28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知，經(jīng)預(yù)拌和制漿處理工藝后，采用標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)的UHPC強(qiáng)度由131 MPa分別增長(zhǎng)至135 MPa、137 MPa，蒸養(yǎng)條件下強(qiáng)度由138 MPa增長(zhǎng)至146 MPa、150 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度增長(zhǎng)了4 MPa、6 MPa，蒸汽養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度增長(zhǎng)了8 MPa、12 MPa。預(yù)處理工藝有利于UHPC強(qiáng)度的提升，這一點(diǎn)在蒸養(yǎng)條件下更為顯著。造成這一現(xiàn)象的原因在于，經(jīng)預(yù)處理后的硅灰分散效果更佳，團(tuán)聚的顆粒細(xì)化，對(duì)水泥間隙的填充效果更優(yōu)，能夠充分發(fā)揮微集料填充效應(yīng)，降低孔隙率，使混凝土更加致密。同時(shí)由于硅灰顆粒細(xì)化后與水化產(chǎn)物接觸面積增大，火山灰效應(yīng)更強(qiáng)，因此預(yù)處理后表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能[6]。而在蒸養(yǎng)條件下，水化速率大幅提升，在測(cè)試齡期內(nèi)水泥即可充分水化，減少了UHPC中膠凝材料因不充分水化而形成的薄弱區(qū)域，因而28 d強(qiáng)度較之常溫養(yǎng)護(hù)更高。

2.5 生產(chǎn)適應(yīng)性分析

目前UHPC生產(chǎn)主要有項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)攪拌生產(chǎn)和工廠化預(yù)拌生產(chǎn)兩種模式，現(xiàn)場(chǎng)攪拌生產(chǎn)時(shí)需提前計(jì)量原材料并預(yù)混，再通過噸袋形式運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)割包使用。而工廠預(yù)拌則可利用粉料儲(chǔ)罐儲(chǔ)存水泥硅灰等膠凝材料，正式生產(chǎn)前能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硅灰的預(yù)處理工藝。制漿法效果優(yōu)于預(yù)拌法，但加水制漿法需提前24 h加水浸泡，這對(duì)于UHPC的生產(chǎn)組織及質(zhì)量管控的挑戰(zhàn)嚴(yán)峻。預(yù)拌法效果雖略低于加水制漿法，與現(xiàn)有生產(chǎn)體系的適配性更佳，更適用于實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)考慮到預(yù)處理工藝縮短拌和時(shí)間和凝結(jié)時(shí)間對(duì)攪拌生產(chǎn)及模具周轉(zhuǎn)效率的提升，經(jīng)時(shí)坍落擴(kuò)展度損失降低及蒸養(yǎng)強(qiáng)度的改善對(duì)工程品質(zhì)的提升，該研究中的預(yù)拌法與工廠預(yù)制生產(chǎn)UHPC構(gòu)件的匹配度更高。

3 結(jié) 論

a.預(yù)處理工藝可有效提高硅灰的分散效果，減少拌和過程機(jī)械分散過程時(shí)間，縮短拌和時(shí)間20%以上；分散后的硅灰顆粒細(xì)度更小，與水泥充分接觸，縮短了凝結(jié)時(shí)間。

b.硅灰顆粒經(jīng)預(yù)處理后細(xì)化，比表面積增大，需水量增大，初始擴(kuò)展度略有降低，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失得到改善；預(yù)拌法和制漿法28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了4 MPa、6 MPa，蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度增大8 MPa、12 MPa。

c.預(yù)拌法與現(xiàn)有生產(chǎn)體系的適應(yīng)性更佳，在UHPC構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)中應(yīng)用前景更好。