淺析細骨料級配和活性材料對UHPC微觀結構的影響

（桂林航天工業學院 廣西·桂林 541004）

0 引言

活性粉末混凝土（Ultra-high-Performance Concrete，簡稱UHPC）將均勻分布的超細顆粒致密體系材料和纖維增強材料進行了有效結合。從微觀角度分析，UHPC可視為細骨料、凝膠和界面、氣孔等多相復合材料，其宏觀力學性能很大程度上受內部微觀結構影響。2003年，周巧琴改變養護條件，利用電鏡試驗探究了UHPC微觀結構與宏觀力學性能的關系。2007年，安明喆等人通過掃描電鏡、EDS微區元素點分析及X-射線衍射等試驗，研究了200MPa級UHPC的微觀機理。2010年，高康通過射線衍射試驗、電鏡試驗和壓汞試驗，分析了UHPC的微觀形貌及孔結構。本文通過電鏡試驗及力學性能試驗，探究了細骨料級配和活性材料對UHPC的微觀結構及增強機理的影響。

1 試驗配合比

目前對于UHPC的配合比并沒有成熟的結論，《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）僅僅規定了水膠比、膠凝材料用量和鋼纖維體積摻量推薦值等。參考規范[4]和鄭文忠的UHPC配比，考慮使用微硅粉、粉煤灰等礦物細粉形成多元凝膠材料體系，基于致密堆積原則初步確定了3組UHPC細骨料級配配合比，如表1所示。

表1：細骨料級配優選配合比

微硅粉又稱硅灰，屬于火山灰質材料，活性及玻璃體含量均很高，在UHPC中主要有三大作用：與Ca(OH)2發生二次水化作用；平均粒徑低于水泥粒徑，較好的填充水泥顆粒間隙；球形顆粒的形態可以明顯提升UHPC漿體的流變性能。粉煤灰又稱飛灰，顆粒多呈球形，表面光滑，主要由實心（或中空）玻璃微珠、莫來石、石英等結晶物質組成，可以明顯提升UHPC漿體的流變性能，具有減水作用，水化緩慢，又稱為“礦物減水劑”。

2 力學性能研究

為了獲得較高的堆積密實度，需要考慮凝膠材料體系及（凝膠材料+細骨料）復合體系的級配。由圖1可知，隨著微硅粉比例下降，配合比1的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度呈下降趨勢，但摻入少量粉煤灰取代，其抗壓、抗拉強度各有優勝，說明粉煤灰的活性作用不遜于微硅粉，能有效提高UHPC強度，但是粉煤灰的球形玻璃體表面比較致密穩定，不易水化，活性作用可能需要較長時間顯現，因此提高效果存在不穩定現象。此外，配合比1減少了石英砂用量，增大了微硅粉用量，水灰比減小，水泥漿體的塑性粘度和極限剪應力會提高，由流變學的原理，拌合物極限剪應力越大流動性越小，因為此時的泥漿粒子距離減小，粒子間的作用力增大。因此配合比2、3為了控制水膠比必須增大減水劑用量才能獲得足夠的流動性，但是試驗證明增大減水劑用量并不能抵消膠凝材料用量減少導致的流動性降低。

圖1：不同級配的基本力學性能

3 微觀結構分析

圖2是觀察倍數為20000時的UHPC微觀結構SEM形貌圖，由圖2（非級配石英砂圖片來源文獻[6]）可知使用級配石英砂的混凝土結構在微觀上的均質性優于非級配石英砂的混凝土結構，孔洞、裂縫等明顯減少。因為級配石英砂能將分散的骨料合理的集結起來，漿體更容易通過骨料之間的空隙滲透連接與骨料產生機械咬合力，形成密實的細骨料與漿體的結合區域；骨料顆粒的減小會減小自身存在的缺陷及水化初期由于化學收縮引起的微裂縫。非級配石英砂混凝土結構的產物主要為大量網絡狀粒子，屬于Ⅱ型C-S-H凝膠，是由許多與Ⅰ型粒子截面大體相同的長條形的粒子相互接觸互相連鎖形成的網狀結構，并摻雜少量細棒狀的鈣礬石形成體系骨架。級配石英砂混凝土結構的C-S-H凝膠則呈現比較大的塊狀體，級配優化促使活性粉末混凝土分步水化，初始水化產物發生“二次水化反應”生成的C-S-H凝膠能進一步促進水化，水化比較完全的產物將有限空間填充并不斷擠壓，最終逐步沉積形成更加致密的內部結構。

圖2：觀察倍數為20000時的微觀結構

4 微觀結構形成及特點分析

UHPC的水化過程會因為多元復合礦物互相激發產生復合凝膠效應。水泥熟料在復合凝膠體系中屬于優先水化物質，生成的初始水化產物Ca(OH)2又會與SiO2發生“二次水化反應”生成C-S-H等膠凝物質，同時Ca(OH)2和C-S-H又會激發其他活性物質水化。C-S-H凝膠能進一步促進水化，還能夠填充在孔隙之間，降低孔隙率，能將各種粒子緊密堆積粘結在一起，提升UHPC微結構的致密性和抗壓強度。

根據微觀結果顯示，可以認為在UHPC的水化硬化與結構形成過程中，致密的膠凝物質包裹著未水化凝膠材料顆粒（水泥及活性摻料）形成基體，細骨料與水化不完全的粉體顆粒形成了級配填充，并與基體緊密相連，基體相得到增強的同時有助于其與骨料相性能匹配，進一步保證了UHPC的均質性、密實性和耐久性。

5 結論

（1）電鏡試驗分析表明，級配石英砂能將分散的骨料合理的集結起來，消除單一骨料與硬化水泥石之間的不均勻性，形成更加致密的塊狀C-S-H凝膠，有效提高活性粉末混凝土的抗壓強度。

（2）活性粉末混凝土的立方體抗壓強度隨微硅粉比例的減少呈下降趨勢，粉煤灰能有效提高活性粉末混凝土強度，但提高效果存在不穩定現象。