石灰石粉基生態(tài)型超高性能混凝土設(shè)計和性能研究

陳嘉奇 余 睿 張早輝

（1 中山市武漢理工大學(xué)先進(jìn)工程技術(shù)研究院；2 武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，簡稱UHPC)是高強(qiáng)高韌低孔隙率的新型建材，是大型構(gòu)件修補(bǔ)、輕薄建筑建設(shè)和嚴(yán)苛環(huán)境下服役的混凝土構(gòu)件制備的理想材料[1]。然而，UHPC 單位方量用水泥量大（900～1150kg/m3）[2]，明顯增加了其能耗，與當(dāng)前提出的綠色混凝土的概念相悖。因此，設(shè)計制備低水泥用量的生態(tài)型UHPC，降低其碳排放顯得尤為必要。

通過使用粉煤灰、礦粉等摻和料部分取代水泥制備UHPC 是降低水泥用量的重要途徑，國內(nèi)外開展了大量研究：鄧宗才等[3]采用粒化高爐礦渣粉和粉煤灰取代50%水泥制備超高性能混凝土，抗壓強(qiáng)度達(dá)到158MPa；Wu 等[4]研究了低水泥用量超高性能混凝土性能和可持續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，采用礦渣和粉煤灰來替代60%超細(xì)水泥制備超高性能混凝土；Hassan 等[5]對選用礦渣替代40%水泥配制的超高性能混凝土，Shi 等[6]采用礦渣替代水泥，制備超高性能混凝土，同時研究了其工作性能、抗壓強(qiáng)度、水化率和孔隙率，當(dāng)?shù)V渣摻量從10%到20%，其后期最高的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到125MPa；國愛麗等[7]采用粉煤灰和石英砂并摻加鋼纖維，并通過60℃的熱水養(yǎng)護(hù)制備出抗壓強(qiáng)度為160MPa。然而，隨著高品質(zhì)的粉煤灰和礦粉供不應(yīng)求，粉煤灰和礦粉的價格逐年升高。因此，尋求新的廉價易得礦物摻和料制備低能耗的UHPC尤為重要。

石灰石粉是一種資源儲備充足的礦物摻和料，通過使用石灰石粉來制備UHPC，國內(nèi)外已經(jīng)開展研究[8-11]，但利用大摻量的石灰石粉替代水泥來制備UHPC 的研究少，能否大量代替水泥發(fā)揮作用值得研究，因此本文驗(yàn)證大摻量石灰石粉制備生態(tài)型UHPC 的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：湖北華新水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅰ52.5 水泥，28d 抗壓強(qiáng)度53.4MPa，抗折強(qiáng)度8.4MPa；硅灰粒徑范圍在0.1μm～100μm 之間，試驗(yàn)用石灰石粉粒徑范圍在300～325 目。試驗(yàn)用砂分兩種：粒徑范圍分別在0mm～0.6mm、0.6mm～1.25mm 之間的石英砂；減水劑為復(fù)配聚羧酸減水劑，固含量為25%，減水率為40%；拌和用水為潔凈自來水。膠凝材料化學(xué)組成如表1 所示。

1.2 配合比設(shè)計

通過MATLAB 軟件建立Modified Andreasen &Andersen mode，如式⑴和⑵，計算石灰石粉取代60%水泥所得的配合比為UHPC-C3，在此基礎(chǔ)上其他配合比只改石灰石粉摻量。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分組成

表2 UHPC 配合比 （kg/m3）

1.3 試驗(yàn)方法

UHPC 的流變性能試驗(yàn)步驟為：將漿體在60s 內(nèi)剪切速率勻速加到30s-1，然后在60s 內(nèi)將剪切速率從30s-1勻速降到0。

UHPC 的流動性能測試參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419－2005）。

UHPC 的力學(xué)性能測試參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T 17671－1999)。

水化熱參照GB /T 12959－2008《水泥水化熱測定方法》。

采用CCR-Ⅲ無接觸電阻率測定儀測定水化過程的電阻率，如圖1 所示，連續(xù)測試74 小時，讀數(shù)間隔為1分鐘，記錄電阻率數(shù)據(jù)，測試環(huán)境溫度為20℃[11]。

圖1 無電極電阻率測定儀

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 流變性能

圖2 所示為參照組（UHPC-Ref）和不同石灰石粉摻量的UHPC 凈漿的剪切速率-剪切應(yīng)變、剪切速率-表觀粘度曲線。從圖中可知，UHPC 流變特征符合典型的脹流型流體特征，并表現(xiàn)出剪切增稠行為，流變分析采用Herschel-Bulkley 模型，經(jīng)驗(yàn)公式為式⑶。

圖2 不同石灰石粉摻量的凈漿流變曲線

另外Ferraris 和de Larrard 等通過大量研究，推導(dǎo)出計算塑性粘度的經(jīng)驗(yàn)公式為式⑷。

利用兩個方程擬合計算的各基體的屈服應(yīng)力τ0、稠度系數(shù)m、流變行為學(xué)參數(shù)n 以及根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算的塑性粘度μ 如表3 所示。

從表3 中可以看出，一定范圍內(nèi)，加入石灰石粉可以減小漿體的屈服應(yīng)力與塑性粘度，當(dāng)石灰石粉摻量過大時，漿體的屈服應(yīng)力和塑性粘度反而增大。

表3 凈漿擬合流變參數(shù)

2.2 工作性能

石灰石粉摻量對UHPC 流動度影響見圖3。結(jié)果表明，隨著石灰石粉摻量增加，UHPC 流動度先增大后減少，石灰石粉取代40%以內(nèi)的水泥可以提高UHPC 的流動性。沒有摻石灰石的流動度306mm，石灰石粉取代20%水泥UHPC 流動度提高到314mm，石灰石粉取代40%水泥UHPC 流動度提高到309mm，石灰石粉取代60%水泥UHPC流動度下降到296mm。石灰石粉的加入一方面可以降低漿體的塑性粘度，提高漿體的流動度；另外一方面由于石灰石粉自身不規(guī)則的形貌特征，在漿體中會吸附自由水，導(dǎo)致流動度的下降。當(dāng)石灰石粉摻量≤40%時，漿體的塑性粘度減小從而使?jié){體的流動度增大；而當(dāng)石灰石粉摻量達(dá)到60%時，石灰石粉吸收的自由水較多，導(dǎo)致漿體的流動度有較大下降。

圖3 不同石灰石粉摻量對應(yīng)UHPC 的流動度

2.3 力學(xué)性能

石灰石粉摻量對UHPC 在1d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度影響見圖4。結(jié)果表明，隨著石灰石粉摻量增加，同一齡期UHPC 強(qiáng)度逐漸下降。石灰石粉取代20%水泥的UHPC 在1d 強(qiáng)度為50.2MPa，7d 強(qiáng)度為110.2MPa，28d 強(qiáng)度為129.9MPa，與不摻石灰石粉空白組相比，28d 強(qiáng)度下降率為8.0%；石灰石粉取代40%水泥的UHPC 在1d 強(qiáng)度為40.4MPa，7d 強(qiáng)度為101.3MPa，28d 強(qiáng)度為120.6MPa，28d 強(qiáng)度下降率為14.6%；石灰石粉取代60%水泥的UHPC 在1d 強(qiáng)度為32.5MPa，7d 強(qiáng)度為87.2MPa，28d 強(qiáng)度為107.6MPa，28d 強(qiáng)度下降率為23.8%。石灰石粉在硬化漿體中起填充作用，而隨著水泥用量減少，水化產(chǎn)物量減少，整體強(qiáng)度降低。雖然加入石灰石粉后降低了強(qiáng)度，但是UHPC 還是具備優(yōu)異力學(xué)性能，若再摻入鋼纖維或玄武巖纖維增強(qiáng)，材料強(qiáng)度等級會進(jìn)一步提高，達(dá)到超高性能混凝土的性能。

圖4 不同石灰石粉摻量對應(yīng)UHPC 不同齡期抗壓強(qiáng)度

2.4 水化性能

圖5 不同石灰石粉摻量對應(yīng)的UHPC 水化放熱和單位放熱量曲線

不同石灰石粉摻量的UHPC 水化放熱速率和放熱量隨時間變化情況見圖5。結(jié)果表明，石灰石粉摻量越大，水化放熱峰值越低，單位放熱量也越低，且石灰石粉的加入能明顯延遲水化放熱最大峰值的時間。石灰石粉取代20%水泥的UHPC 在80h 的單位放熱量72.4J/g，水化放熱最大峰值的時間為18.6h，石灰石粉取代40%水泥的UHPC 在80h 的單位放熱量64.1J/g，水化放熱最大峰值的時間為18.8h，石灰石粉取代60%水泥的UHPC 在80h 的單位放熱量41.9J/g，水化放熱最大峰值的時間為20.2h。水化放熱速率曲線主要可以分為三個階段：鈣礬石（AFt）形成、C3S 水化以及結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展階段。AFt 形成期主要為水泥熟料C3A 的水化，在石膏的作用下形成鈣礬石，放熱速率快但放熱量不大；C3S 水化階段為水泥熟料中C3S 水化并放出大量的熱，并伴隨C2S 的水化；結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展階段為水泥水化產(chǎn)物的相互聯(lián)結(jié)，并逐漸硬化，而隨著石灰石粉替代水泥，使得C3A、C3S、C2S 含量減少，水化反應(yīng)放熱量也逐漸減少。

不同石灰石粉摻量的UHPC 水化過程電阻率變化見圖6。結(jié)果表明，石灰石粉摻量越大，電阻率突變時間延長，且電阻率突變時間與水化放熱突變時間規(guī)律基本一致，水化10h 后，同一時間點(diǎn)電阻率隨石灰石粉摻量增加而減少。石灰石粉取代20%水泥的UHPC 在74h 電阻率為50.2Ω·m，石灰石粉取代40%水泥的UHPC 在74h電阻率為45.7Ω·m，石灰石粉取代60%水泥的UHPC 在74h 電阻率為33.3Ω·m。電阻率隨時間升高是因?yàn)樗a(chǎn)物增多，石灰石粉摻入，降低早期水化速率，水化產(chǎn)物減少，所以電阻率隨石灰石粉摻量增加降低，且電阻率變化與水化放熱變化規(guī)律相符。

圖6 不同石灰石粉摻量的UHPC 水化電阻率曲線圖

2.5 碳排放的評價

UHPC 由于水泥用量大的特點(diǎn)，導(dǎo)致其耗能和碳排放也相對較大[12]。因此對UHPC 進(jìn)行環(huán)境評價是必要的，通過建立UHPC 的CO2排放量模型，利用公式⑸、⑹，對原材料生產(chǎn)及運(yùn)輸產(chǎn)生CO2排放量進(jìn)行計算并評估。

式中，C0為原材料生產(chǎn)碳排放量；Aij為第i 種原材料生產(chǎn)過程中第j 種能源消耗量；Mi為1m3UHPC 中第i種原材料的用量；Kj為第j 種能源碳排放量系數(shù)；G1為水泥生產(chǎn)過程中材料自身產(chǎn)生的碳排放量；C2為原材料運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)地產(chǎn)生的碳排放量；D 運(yùn)輸直接碳排放量系數(shù)；B 單位運(yùn)輸能耗為第j 種能源的間接碳排放量系數(shù)；Si為第i 種原材料的運(yùn)輸距離[13-17]。

不同石灰石粉摻量的UHPC 碳排放情況見表4，結(jié)果表明，未摻入石灰石粉時UHPC 碳排放量達(dá)352.9kg/m3，隨著石灰石摻量的增加，碳排放量逐漸降低，當(dāng)石灰石粉取代60%水泥時達(dá)最大降幅，為54.1%，每立方米UHPC 可節(jié)約環(huán)境成本22.6 元；摻入量為10%降幅最小為8.3%，每立方米UHPC 可節(jié)約環(huán)境成本18.2元。將碳排量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的綠化面積和綠色植物發(fā)現(xiàn)：各類UHPC 碳排放量基數(shù)較大，僅1m3UHPC 產(chǎn)生碳排放量的所需環(huán)境成本約達(dá)75.3 元，需約78.6㎡綠化面積或18.5 棵樹木一年才能完全吸收。隨著石灰石粉摻量增加，替代一定量的水泥，環(huán)境成本逐漸降低，所需的綠化面積或樹木逐漸減少，最低為47.4㎡或10.2 棵樹木，摻量越大對環(huán)境愈加友好。

3 結(jié)論

⑴隨著石灰石粉摻量的增加，UHPC 漿體的屈服應(yīng)力和塑性粘度先減小后增大，對應(yīng)漿體流動度先增大后減少。

⑵隨著石灰石粉摻量增加，同一齡期UHPC 強(qiáng)度逐漸下降，石灰石粉取代60%水泥28d 強(qiáng)度下降率為23.8%。

表4 m3UHPC 原材料碳排放量與轉(zhuǎn)換

⑶石灰石粉摻量越大，水化放熱峰值越低，單位放熱量也越低，且石灰石粉的加入能明顯延遲水化放熱最大峰值的時間，石灰石粉摻量越大，電阻率突變時間延長，且電阻率突變時間與水化放熱突變時間規(guī)律基本一致。

⑷隨著石灰石粉摻量增加，環(huán)境成本逐漸降低，所需的綠化面積或樹木逐漸減少，最低為47.4㎡或10.2棵樹木，對環(huán)境愈加友好。