膨脹劑及陶砂對UHPC抗沖磨性能和體積穩定性的影響

彭程康琰，耿春東，劉勇強，石 華，余松柏，丁慶軍

(1.華新水泥股份有限公司研發中心，武漢 430070；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

超高性能混凝土(UHPC)是一種為應對西部山區多發泥石流、洪水等自然災害對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80%左右，具有突發性強、流速快、破壞力大和威脅強等特點[1-3]，因此會對橋梁墩柱或其他構筑物產生極大的沖擊磨損。利用機制砂制備的UHPC具有高抗沖磨、高抗沖擊、高韌性、抗硫酸鹽侵蝕性能，可良好應對西部山區復雜情況。但是UHPC仍存在部分問題，其膠材用量較高，導致整體收縮比較大，用于橋墩等橋梁結構和其他水工建筑時會因其收縮變形而導致開裂。

實驗選取不同類別的膨脹劑與空白組進行對比，研究不同膨脹劑種類和摻量對UHPC抗沖磨性能和體積穩定性的影響規律。并用陶砂替代部分機制砂，探究陶砂對UHPC抗沖磨性能和體積穩定性的影響機理。最后提出膨脹劑與陶砂對UHPC抗沖磨性能和體積穩定性的協同提升技術，為西部山區基礎工程建設提供理論基礎。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥(C)：型號為P·O 52.5，比表面積為363 m2/kg，各項性能指標見表1和表2。

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

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

(2)硅灰(SF)：具體組成見表1，比表面積>17 000 m2/kg，28 d活性指數>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95%；其他各項性能指標如表3所示。

表3 粉煤灰微珠性能指標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任公司生產的CaO型及MgO型膨脹劑，其主要性能指標見具體章節所示。

(6)砂：機制砂，細度模數3.0，石粉含量5%；陶砂指標見具體章節所示。

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

(8)水：普通自來水。

1.2 UHPC制備工藝

UHPC的攪拌工藝為：(1)使用普通攪拌機：先將水泥、硅灰、粉煤灰微珠和機制砂干攪均勻，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內濕拌 2～3 min。當原材料從粉體、固體變成流體狀態后把鋼纖維撒入篩子均勻加入攪拌機攪拌3 min，待狀態合適后將新拌和的混凝土倒出，測試工作性能并澆筑成型。(2)使用雙臥軸式混凝土振動攪拌機：將水泥、硅灰、粉煤灰微珠和砂、纖維一同加入振動攪拌機中攪拌均勻，然后將均勻混合的水和外加劑緩慢地倒入攪拌機內，振動攪拌3～4 min，出料進行擴展度等性能測試，之后在振動臺上振動 30 s澆筑模具成型。

1.3 試驗方法

(1)混凝土工作性能測試

按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》以及《活性粉末混凝土》(GBT 31387—2015)對試樣進行工作性能測試。

(2)混凝土力學性能測試

按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》以及《活性粉末混凝土》中的相關要求進行試件的成型和強度測試。試驗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準試件之間無尺寸換算關系，采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試樣測試抗壓強度數據時無需乘以換算系數。

(3)混凝土體積穩定性測試

按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GBT 50082—2009)要求對試樣進行體積穩定性的測試。

(4)混凝土抗沖磨性能測試

抗沖磨性能按照《水工混凝土試驗規程》(DLT 5150—2001)中的要求進行。

2 結果與討論

2.1 膨脹劑對UHPC性能影響

試驗所制備的UHPC與傳統UHPC材料相同，由于膠凝材料用量大并高摻硅灰，導致其收縮偏大，用于橋墩等水工建筑使會因其收縮大而易開裂。膨脹劑的摻入可降低收縮，大幅度改善UHPC的體積穩定性，試驗將系統研究膨脹劑補償收縮機理，探明膨脹劑在UHPC中的作用機理與強度發展的協調機制，制備出體積穩定性能優異的抗沖磨UHPC。

2.1.1 膨脹劑種類

采用不同種類膨脹劑進行試驗，系統研究不同種類膨脹劑在一定摻量下對UHPC收縮性能的作用機制，試驗選取6%摻量的MgO型膨脹劑、CaO型膨脹劑和空白組，具體試驗結果如表4、表5、圖1所示。

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

表5 膨脹劑種類對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UHPC的工作性能影響較小，與空白組對比，擴展度、坍落度均在590～610 mm、240～250 mm之間。但在力學性能方面與空白組相比，其抗壓強度下降了5～6 MPa，抗沖磨強度下降了8～9 h/(kg/m2)。這是由于膨脹劑的水化反應消耗部分水，而UHPC的水膠比低，膨脹劑的水化反應與水泥的水化反應之間存在“爭水現象”，膨脹劑的水化“奪取”部分水泥水化反應所用水，影響了水泥早期的正常水化程度，導致其強度有所降低[4-5]。

膨脹劑摻入混凝土后利用其自身水化反應使混凝土硬化過程中產生體積微膨脹，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膨脹劑膨脹產物為Ca(OH)2，產物顆粒間作用較弱，其反應早期便已完成，膨脹效果在早期體現。MgO膨脹劑水化產物為Mg(OH)2，具有延遲膨脹效應，膨脹反應的作用時間相對CaO膨脹劑較晚，具有延遲膨脹的特點。圖1是膨脹劑種類對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。優選CaO膨脹劑來改善體積穩定性。

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

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

2.1.2 膨脹劑摻量

通過上節研究發現CaO膨脹劑更適合UHPC，本節采用不同摻量CaO膨脹劑補償UHPC的收縮，系統研究不同膨脹劑摻量對超高性能混凝土性能影響規律，具體試驗結果如表6和圖2所示。

表6 膨脹劑摻量對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，混凝土的力學性能降低，膨脹劑摻量從2%到8%，其抗壓強度降到135.2 MPa，抗彎拉強度為28.9 MPa，抗沖磨強度為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的供水不足，對混凝土的力學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，其補償了UHPC膠凝材料水化產生的收縮，使混凝土的收縮大大減少。但膨脹劑摻量過高達到8%后，由于UHPC水膠比極低，基體內部水極少，膨脹劑摻量過高會導致部分膨脹劑無足夠的水發生水化反應，其體積穩定性反而不如膨脹劑摻量為6%的試樣。

2.2 陶砂對UHPC性能影響

陶砂作為輕集料具有“微泵”效應，經過清水浸泡后的預濕陶砂在混凝土硬化后會隨著時間的延長緩慢釋放出內部水分，使混凝土得到充分的內養護，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定性[6-7]。利用陶砂該特點，可在抗沖磨UHPC中摻入部分陶砂來提高其體積穩定性，分別摻入0%、10%、20%、30%的陶砂等體積替代機制砂，探究陶砂的摻入以及其摻量對抗沖磨UHPC的影響。陶砂是粒徑為0.6～2.36 mm連續級配陶砂，其基本性能和配合比如表7～表9所示。

根據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。相對于不摻陶砂，陶砂摻量達到30%時，擴展度提高10%，坍落度提高10%。而對于力學性能而言，圖4是陶砂摻量對UHPC力學性能影響，由圖可知，陶砂的摻入降低了UHPC的強度，并且陶砂摻量越多強度降低幅度越大。陶砂本身作為多孔材料，內部水分在濕度差應力作用下逐漸釋放出來，實際上擴大了水膠比，降低了混凝土的強度。對比四組試樣收縮數據，見圖5，由圖可以看出，陶砂的摻入較為明顯的改善了UHPC的體積穩定性，這是由于陶砂作為多孔材料，經飽和預濕后其內部孔結構將部分水分吸入，而膠凝漿體中水泥水化反應消耗體系中自由水，導致陶砂與膠凝漿體之間產生水分差，在水分差的作用下飽和預濕陶砂內部孔結構中的水分將逐漸釋放，水分從孔結構向基體中的毛細孔定向移動，膠凝漿體內部得到水分養護，對基體內部因水化反應引起的水分下降起到補償反饋作用，緩解基體的自干燥的作用[8-9]。綜合各項性能，陶砂的摻入量應在10%～20%。

表7 陶砂篩分結果Table 7 Pottery sand screening results

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

表9 試驗配合比Table 9 Experimental mix

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

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

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

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

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

2.3 膨脹劑與陶砂協同提升體積穩定性

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UHPC抗沖磨性能和體積穩定性能的影響，見表11、表12。

表11 試驗配合比Table 11 Experimental mix

表12 試驗結果Table 12 Experimental result

圖7 鈣礬石形成的SEM照片Fig.7 SEM images of ettringite formation

由表11、表12可知，陶砂與膨脹劑同時摻入，混凝土的28 d抗壓強度、抗彎拉強度降到137.2 MPa和29.2 MPa。陶砂體積摻量為20%時，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促進更多的鈣礬石形成，如圖7所示，每個鈣礬石分子生成時，要結合32個水分子，導致鈣礬石組分較原組分體積增大，填充內部孔隙，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法發揮其全部補償收縮的功能。而陶砂內養護作用不僅為水化反應后的膠凝材料繼續提供內部孔結構水，使其低水膠比下依然持續水化改善基體內部微結構，解決UHPC因水泥水化反應后水分減少導致收縮增大的問題。同時陶砂內部孔結構水為UHPC內部未反應完全的膨脹劑提供水份繼續水化反應，水化反應生成的Ca(OH)2不僅產生膨脹效果，還提供堿性環境與基體中的硫鋁酸鈣反應生成鈣礬石，改善了混凝土的體積穩定性[10-11]。同時，觀察分析混凝土內部的微觀結構，由于UHPC水膠比極低，基體內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，改善了混凝土的內部結構，提高膠凝漿體與集料之間的粘結性能，形成致密堆積的結構。具體結構如圖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”，在水泥水化反應結束之前，“低洼”地區會被粉料和后來的膠凝漿體填充，同時陶砂內養護作用極大地提高陶砂周圍膠凝材料的水化程度，因此改善了體積穩定性[12]。

圖8 陶砂界面耦合結構SEM照片Fig.8 SEM image of pottery sand interface coupling structure

圖9 水泥石結構SEM照片Fig.9 SEM image of cement stone structure

3 結 論

(1)在不摻入膨脹劑的條件下，隨著飽水預濕高強陶砂體積摻量提高，UHPC收縮減小，但抗沖磨強度下降，陶砂的體積摻量應控制在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)當陶砂體積摻量為20%時，摻入6%CaO類膨脹劑的混凝土56 d收縮為388 μm/mm，預濕陶砂內養護和膨脹劑補償收縮的協同作用顯著降低UHPC的收縮。