飽和面干再生細骨料對超高性能混凝土流動度及強度的影響

陳志武

(福州市交通建設集團有限公司,福州 350002)

0 引 言

隨著社會的進步，越來越多的混凝土工程結構朝著更高強度和更好耐久性的方向發展。1994年Larrard等[1]首次提出超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)概念。UHPC憑借其優異的力學性能和耐久性，吸引了許多學者的興趣[2]。但UHPC成本較高，這限制了其在工程中的廣泛普及。因此，尋找合適的材料降低UHPC制備成本，是如今研究的熱點。

諸多學者尋找合適的原材料替代物來制備UHPC[3-6]。采用河砂替代石英砂制備UHPC，在蒸壓養護條件下，發現隨著河砂替代量的增大，UHPC的抗壓強度雖然降低，但仍能超過150 MPa[7]。河砂是良好的細骨料，河砂UHPC也滿足工程要求，但河砂和礫石等天然骨料是不可再生資源[8]。因此，尋找合適的細骨料替代河砂至關重要。采用再生細骨料替代河砂不僅能降低UHPC成本，也可以消耗大量的建筑廢棄物。已有學者利用了再生細骨料制備UHPC，Jiang等[9]制備了抗壓強度超過150 MPa的再生細骨料UHPC。Zhang等[7]采用再生細骨料替代河砂制備了UHPC，并從微觀結構及界面過渡區兩方面研究其對UHPC力學性能劣化機理的影響，但所采用的再生細骨料是自然狀態(具有較強的吸水性)，未研究飽和面干再生細骨料(已飽水處理，具有較強的返水性)對UHPC宏微觀性能的影響。

本文采用SEM和壓汞測試(MIP)等方法研究飽和面干再生細骨料摻量對再生細骨料UHPC各類界面過渡區長度以及孔結構的影響，揭示再生細骨料摻量對UHPC流動度和強度的影響機理。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用福建建福牌P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥的化學成分見表1。采用廈門威林特牌硅灰，其表觀密度為2 285 kg/m3，堆積密度為204 kg/m3，其化學成分見表2。采用廣州海琦貿易有限公司生產的石英粉，其表觀密度為2 660 kg/m3，SiO2含量大于99%(質量分數)，細度為400目(38 μm)。采用廈門科之杰新材料集團有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，其主要性能指標見表3。砂采用閩江河砂，再生細骨料來自陜西龍鳳石業有限公司破碎的廢舊混凝土，為飽和面干狀態，其技術指標見表4。水采用自來水。鋼纖維采用江西省贛州大業廠生產的長直鋼纖維，其表觀密度為7 800 kg/m3長度為13 mm，直徑為0.2 mm。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學成分Table 1 Chemical composition of Portland cement

表2 硅灰主要化學成分Table 2 Chemical composition of silica fume

表3 聚羧酸高效減水劑技術指標Table 3 Technical indexes of superplasticizer

表4 細骨料的各項技術指標Table 4 Technical indexes of fine aggregates

1.2 配合比

UHPC試驗配合比見表5，其中0、25、50、75和100分別表示飽和面干的再生細骨料等質量取代河砂百分數(下同)。減水劑用量為膠凝材料(水泥+硅灰)用量的2.5%(質量分數，下同),鋼纖維體積摻量為2%,凈水膠比為0.19，其中的水為外加水，不包括飽和面干再生細骨料中的水,總水膠比中的水包括外加水和飽和面干再生細骨料的水。

表5 不同再生細骨料摻量的UHPC配合比Table 5 Mix proportion of UHPC with various recycled fine aggregate content

1.3 試驗方法

(1)混合攪拌：將干料(水泥、硅灰、石英粉、河砂和再生細骨料)混合攪拌1 min；將高效減水劑溶液等分成兩份，分別倒入，每次攪拌3 min；最后倒入鋼纖維再攪拌4 min。

(2)流動度測試：參照標準《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T 2419—2005[10]，測定新拌UHPC流動度，儀器為水泥膠砂流動度測定儀。

(3)成型及養護：將漿體分兩次倒入40 mm×40 mm×160 mm試模，分別振動60次。采用保鮮膜覆蓋養護24 h后拆模，放入標準養護室(溫度為(20±2)℃、相對濕度≥95%)內進行養護。

(4)強度測試：參照《水泥膠砂強度檢驗方法》GB/T 17671—1999[11]測試不同齡期的抗折和抗壓強度，儀器為北京中科路建儀器設備有限公司生產的DYE-2000型電液式壓力機。

(5)界面過渡區長度：采用上海特視精密儀器有限公司生產THSV-1-800M-AXY型自動顯微硬度測量儀，獲得UHPC樣品的局部放大圖片，再對圖片使用AutoCAD進行手繪描邊處理，獲得各類界面過渡區的長度(界面過渡區周長)。

(6)SEM：采用Nova Nano SEM 230型場發射掃描電鏡對試驗組進行觀察分析。

(7)MIP：采用Quantachrome PM 60型壓汞儀，分析UHPC的孔隙結構。

2 結果與討論

2.1 流動度

UHPC流動度實驗結果見圖1。隨著再生細骨料摻量的增大，再生細骨料UHPC流動度降低。Zhang等[7]中采用未經飽水處理的再生細骨料，再生細骨料摻量為100%的UHPC流動度可達181.0 mm。本文采用飽和面干的再生細骨料來配制UHPC，R100組流動度為187.7 mm，與文獻相比流動度提高了3.7%。

圖1 不同摻量的再生細骨料UHPC流動度Fig.1 Fluidity of UHPC with various recyclefine aggregate content

2.2 界面過渡區長度

不同再生細骨料摻量UHPC中各類界面過渡區的長度見圖2。其中，ITZ1為河砂(new sand)與UHPC基體(UHPC matrix)的界面過渡區；ITZ2為舊細骨料(old sand)與舊水泥基體(old cement matrix)間的界面過渡區；ITZ3為舊水泥基體和UHPC基體之間的界面過渡區。從圖2可以看出，未摻再生細骨料的UHPC只存在一種界面過渡區(ITZ1)，而摻再生細骨料UHPC存在更多種類的界面過渡區(ITZ1、ITZ2和ITZ3，分別用白線、黃線和紅線表示，彩色效果見電子版)。

圖2 AutoCAD手動描繪UHPC的各類界面過渡區示意圖Fig.2 Diagram of various interfacial transition zones of UHPC using AutoCAD

根據Zhang等[7]的方法測試樣品的界面過渡區長度。對各組28 d的UHPC樣品取3個不同的局部區域(10 mm×10 mm)分別測量，取三次測量結果的平均值作為該樣品的界面過渡區長度。各類界面過渡區的長度li(i為1、2和3)以及總長度見表6。由表6可知，隨著再生細骨料摻量的增加，UHPC中ITZ1的長度減小，ITZ2、ITZ3的長度和界面過渡區的總長度均增大。再生細骨料中包含舊細骨料和舊水泥基體，其密度低于河砂，所以采用等質量的再生細骨料取代河砂后，UHPC中的再生細骨料體積占比增大，ITZ2和ITZ3長度增大，微裂縫增多，界面過渡區總長度變長。這是UHPC強度劣化的主要因素之一。

表6 不同再生細骨料摻量UHPC中各類界面過渡區的長度Table 6 Length of various interfacial transition zones of UHPC with different recycle fine aggregate content

2.3 微觀形貌

標準養護28 d的UHPC樣品各類界面過渡區(ITZ1、ITZ2、ITZ3和鋼纖維與UHPC基體的界面過渡區)SEM照片見圖3。由圖3(a)可知，河砂和UHPC基體之間的ITZ1非常致密，幾乎沒有裂縫。由圖3(b)可知，在舊細骨料和舊水泥基體之間的ITZ2中，可以明顯看到舊細骨料和舊水泥基體之間裂縫。這是由于再生細骨料是普通混凝土破碎所得，其水灰比高于UHPC，界面過渡區致密性較差[12]。由圖3(c)可知，放大2 000倍的ITZ3有明顯的裂紋，舊水泥漿體和UHPC基體間的結合并不是非常緊密。綜上，與未摻再生細骨料的UHPC相比，再生細骨料的摻入將性能較差的界面過渡區引入了UHPC中，這對UHPC性能有一定影響。由圖3(d)可知，鋼纖維和UHPC粘結非常密實，沒有任何裂紋，說明UHPC中鋼纖維能夠起到較好的承受荷載的作用。

圖3 UHPC中各類界面Fig.3 Various interfacial transition zones in UHPC

2.4 孔結構

采用壓汞法對標準養護28 d和180 d的UHPC樣品進行孔結構測試，表7和圖4為不同再生細骨料摻量UHPC孔結構試驗結果。不同孔徑的孔對UHPC宏觀力學性能的影響有著不同的作用，吳中偉[13]將混凝土中的孔隙根據直徑大小分為四類，即無害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。由表7和圖4可知：隨著齡期的增長，各組UHPC樣品的總孔隙率、多害孔、有害孔、少害孔和無害孔含量都有一定程度的降低；隨著再生細骨料的摻入，相對于R0組，R50和R100組的總孔隙率、多害孔、有害孔、少害孔和無害孔含量都有不同程度的增加。綜上，再生細骨料劣化了UHPC的孔結構，導致其強度劣化。

表7 不同再生細骨料摻量UHPC的孔結構Table 7 Pore structure of UHPC with various recycle fine aggregate content

圖4 不同再生細骨料摻量UHPC的孔徑分布Fig.4 Pore diameter distribution of UHPC with various recycle fine aggregate content

2.5 強 度

不同摻量的再生細骨料UHPC的抗折及抗壓強度分別見圖5和圖6。由圖5可知，隨著養護齡期增長，各組UHPC的抗折強度均提升。隨著再生細骨料摻量的增大，UHPC的抗折強度降低。由圖6可知，隨著養護齡期的增長，各組UHPC的抗壓強度均提升。隨著再生細骨料摻量的增大，UHPC的抗壓強度降低。

圖5 不同摻量的再生細骨料UHPC抗折強度Fig.5 Flexural strength of UHPC with various recyclefine aggregate content

圖6 不同摻量的再生細骨料UHPC抗壓強度Fig.6 Compressive strength of UHPC with various recyclefine aggregate content

Zhang等[7]采用未經飽水處理的再生細骨料，再生細骨料摻量為100%的UHPC，其28 d抗折和抗壓強度分別為19.64 MPa和103.13 MPa。本文采用摻量為100%的飽和面干再生細骨料，其28 d抗折和抗壓強度分別為36.4 MPa和102.4 MPa。通過對比可以發現：由于飽和面干再生細骨料具有返水效果，使界面過渡區的水化更充分，因此具有更高的抗折強度；對于采用再生細骨料的UHPC，雖然總水灰比的增大對抗壓強度不利，但由于再生細骨料的返水，使毛細孔彎液面張力減少，減少了微裂縫產生的概率，這對抗壓強度有利。因此兩者抗壓強度相差不大。再生細骨料摻量為100%的UHPC，在標準養護情況下，其180 d抗折強度為39.7 MPa，180 d的抗壓強度為118.3 MPa，滿足規范《活性粉末混凝土》GB/T 31387—2015中RPC100的要求，在工程中有較廣闊的應用前景。

2.6 機理分析

隨著再生細骨料摻量的增加，再生細骨料UHPC流動度降低，其主要原因為：(1)再生細骨料通常由混凝土、磚、陶瓷和其他材料破碎而成[14]，破碎過程中產生微裂紋，其吸水率較高。本文采用了飽和面干狀態的再生細骨料，隨著再生細骨料的增加，UHPC體系中的總水膠比增加，這對UHPC的流動度無不利影響。(2)在再生細骨料生產過程中，破碎會使顆粒呈銳角等形狀，這使再生細骨料顆粒之間產生較大的摩擦阻力,再生細骨料顆粒表面粗糙，需要更多的水泥漿來包裹，這些均導致UHPC流動度下降[15]。(3)相對于河砂，再生細骨料粗顆粒較多，堆積密度較小，顆粒間的空隙需要更多的水泥漿來填充，這導致UHPC流動度變差。

破碎過程中產生的微裂紋會致導致再生細骨料強度降低,另一方面，在混凝土中摻入再生細骨料，會引入多種界面過渡區，這些均會對硬化混凝土的力學性能產生負面影響[7]。

UHPC抗折強度與鋼纖維摻量、界面過渡區(ITZ1、ITZ2和ITZ3)的致密程度以及UHPC基體的抗拉能力等有關。隨著養護齡期增長，水化更充分，界面過渡區更致密，各組UHPC的抗折強度均提升。隨著再生細骨料摻量的增大，引入的ITZ2和ITZ3的長度增大，微裂縫增多，UHPC的抗折強度降低。

隨著養護齡期的增長，孔結構細化，有害孔和多害孔含量降低，密實度增大，各組UHPC的抗壓強度均提升。隨著再生細骨料摻量的增大，總水膠比增大，UHPC總孔隙率增加，有害孔和多害孔含量增加，密實度降低,此外，再生細骨料的強度低于河砂。因此，隨著再生細骨料摻量的增大，UHPC的抗壓強度降低。

3 結 論

(1)當僅變化飽和面干再生細骨料摻量時，UHPC流動度主要由再生細骨料的顆粒形狀和體系中的總水膠比決定，而顆粒形狀對再生細骨料UHPC流動度的降低起主導作用，因此當再生細骨料摻量增大時，雖然總水膠比增大，但再生細骨料UHPC流動度仍呈降低趨勢。

(2)隨著飽和面干再生細骨料摻量的增加，凈水膠比不變，總水膠比增大，引入了更多薄弱的界面過渡區，ITZ2和ITZ3的長度增大，微裂縫增多，UHPC抗折強度降低,總孔孔隙率增大，有害孔和多害孔含量增加，密實度降低，UHPC的抗壓強度降低。

(3)當再生細骨料摻量為100%時，180 d的UHPC抗折強度和抗壓強度分別為39.7 MPa和118.3 MPa，滿足規范《活性粉末混凝土》GB/T 31387—2015中RPC100的要求，且能大量消耗建筑垃圾、固廢利用、變廢為寶，其經濟和社會效益顯著，在工程中具有較廣闊的應用前景。