輕集料對超高性能混凝土工作和力學性能的影響

張高展， 王宇譞， 葛競成， 楊 軍， 魏 琦

(1.安徽建筑大學 材料與化學工程學院, 安徽 合肥 230601; 2.安徽省先進建筑材料重點實驗室, 安徽 合肥 230022)

超高性能混凝土(UHPC)是一種基于最佳顆粒級配的典型水泥基復合材料，通常情況下其水膠比低于0.25，抗壓強度不低于100MPa，開裂后抗拉強度不低于5MPa[1-3].UHPC一般可分為兩大類，一類是在活性粉末材料、工程復合膠凝材料等DSP(densified with small particles)材料中加入纖維和石英粉等；一類是在DSP材料中加入砂、碎石等粗細集料得到的超高強度UHPC[4].相比普通高性能混凝土，UHPC不僅具有更高的強度，其耐久性能、延性和吸能性能也得到大幅提升[2-3,5]，在預制橋梁、海上平臺、地下空間等土建工程中均顯示出獨特的優越性，是混凝土技術發展的主要方向[6].

然而，UHPC的設計原理決定了其存在收縮大、易開裂的問題.國內外學者從膨脹劑[7]、內養護材料[8-10]、粗集料[11]等角度開展了大量UHPC的減縮抗裂研究.本課題組[12-14]則利用高吸水率、中低強度輕集料對UHPC進行減縮抗裂研究，并取得了良好效果.輕集料內部多孔，預濕后具有顯著的內養護效應，尤其是在低水膠比的UHPC中效果更為顯著，可明顯改善UHPC的體積穩定性.但輕集料孔隙率高、強度低的特點也勢必顯著影響UHPC的工作性能和力學性能，因此有必要探明輕集料顆粒特性的影響.本文基于顆粒最緊密堆積原理來確定膠凝材料組成和輕集料顆粒級配，優化得出輕集料超高性能混凝土(LUHPC)的基準配合比，并研究輕集料的粒形、預吸水率和摻量對LUHPC工作性能和力學性能的影響規律及其機理.

1 試驗

1.1 原材料

P·O 52.5水泥；硅灰，其中的SiO2含量(質量分數，本文涉及的含量、需水量比、膠砂比等除特別說明外均為質量分數或質量比)為96%，比表面積21500m2/kg；粉煤灰微珠，需水量比90%；上述膠凝材料的化學組成見表1.石英砂，表觀密度2600kg/m3；輕集料，800級球形黏土陶粒，筒壓強度5.3MPa，表觀密度1350kg/m3，粒徑范圍0.15～4.75mm，飽和預濕時的吸水率17.6%，碎石形陶粒由其破碎篩分而來；鍍銅鋼纖維，φ0.22×13mm，抗拉強度2850MPa；聚羧酸減水劑，減水率30%.

表1 膠凝材料化學組成

1.2 LUHPC配合比設計與制備

1.2.1配合比設計

基于Aim-Goff三元體系模型[15-17]并經試驗驗證，確定UHPC膠凝材料組成為：m(水泥)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)=1.00∶0.26∶0.12；基于文獻[18-19]關于集料與鋼纖維相互關系理論，確定輕集料最大粒徑為2mm；采用修正Andreasen&Andersen法計算輕集料顆粒級配[20]，其計算方法考慮了最大和最小粒徑的級配，表達式見式(1)：

(1)

式中：p′(d)為粒徑小于d的集料累計質量分數；dmin、dmax分別為集料最小粒徑和最大粒徑；q為分布模量，取值為0.23.

試驗用輕集料粒徑范圍為0.15～2.00mm，則dmin為0.15mm，dmax為2.00mm.依據式(1)計算得輕集料顆粒級配(見表2)，最終確定輕集料的顆粒級配為5個等級，具體為0.15～0.18mm、0.18～0.25mm、0.25～0.425mm、0.425～0.85mm、0.85～2.00mm，質量比為0.05∶0.10∶0.18∶0.27∶0.40.

表2 輕集料顆粒級配

基于上述膠凝材料組成和輕集料顆粒級配，通過調控鋼纖維摻量(體積分數)、膠砂比和外加劑適應性，確定了LUHPC的基準配合比，見表3.

表3 LUHPC基準配合比

1.2.2試件制備與養護

將陶粒裝入網袋后放入水中預濕至需要程度，取出晾至面干，得到預濕陶粒.將按基準配合比稱取的水泥、硅灰、粉煤灰微珠、1/3量的鋼纖維、預濕陶粒倒入混凝土攪拌機中干拌1～3min，待充分攪拌均勻后加入80%水和減水劑繼續攪拌3～6min，獲得均勻流動漿體；然后邊攪拌邊均勻撒入剩余2/3量的鋼纖維、剩余的20%水和減水劑，攪拌3～5min 后裝模成型；在成型試模表面覆蓋保鮮膜后標準養護至規定齡期.力學性能試件均為GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》中規定的標準試件.

1.3 試驗方法

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試LUHPC拌和物的坍落度和擴展度；按照GB/T 31387—2015測試LUHPC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量；利用超景深三維數碼顯微鏡表征LUHPC的界面區三維形態；利用掃描電子顯微鏡表征輕集料表面形貌和界面區二維形貌.

2 結果與討論

2.1 輕集料對LUHPC拌和物工作性能的影響

2.1.1輕集料粒形

輕集料粒形對LUHPC拌和物坍落度和擴展度的影響結果見表4.

表4 碎石形和球形陶粒LUHPC拌和物的工作性能

由表4可知，球形陶粒LUHPC初始和2h的坍落度與擴展度均明顯優于碎石形陶粒LUHPC，而球形陶粒和碎石形陶粒LUHPC的2h坍落度損失率分別為6.8%和7.5%，2h擴展度損失率分別為5.7%和7.1%，說明陶粒粒形對LUHPC拌和物的工作性能影響較明顯.從LUHPC拌和物工作性能考慮，輕集料粒形宜為球形.王德輝[21]、吳波等[22]研究也發現，集料的球形度越大，混凝土的工作性能越好.

2.1.2輕集料預吸水率

輕集料預吸水率對LUHPC拌和物坍落度和擴展度的影響見圖1.

由圖1可見，隨著陶粒預吸水率的增大，LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和擴展度均明顯增大，但增幅逐步降低.此外，陶粒預吸水率越低，LUHPC拌和物工作性能損失越大，利用預吸水率10%陶粒制備的LUHPC拌和物2h坍落度和擴展度損失分別達22%和10%.以上結果表明，輕集料預吸水率是影響LUHPC拌和物工作性能的關鍵因素.提高輕集料預吸水率有利于改善LUHPC拌和物的工作性能，但當預吸水率超過一定值后改善效果有限.輕集料預吸水率明顯低于其飽和吸水率時，輕集料在LUHPC拌和過程中會吸收膠凝漿體中的水分，導致拌和物水膠比降低，工作性能變差[23].而當輕集料預吸水率增大后，其吸收膠凝漿體中水分的能力減弱，尤其是輕集料預吸水率超過13%后，輕集料和膠凝漿體中的水分可能基本達到平衡，對LUHPC拌和物工作性能的影響變小.

圖1 輕集料預吸水率對LUHPC拌和物工作性能的影響

2.1.3輕集料摻量

基于表3基準配合比，以石英砂和預吸水率13%的球形陶粒為集料制備LUHPC，石英砂的顆粒級配與陶粒保持一致.然而，由于陶粒和石英砂表觀密度差別較大，在摻入石英砂時，表3基準配合比中集料的體積分數需保持一致.輕集料摻量(以陶粒體積分數φc表示)對LUHPC拌和物工作性能的影響見圖2.

圖2 輕集料摻量對LUHPC拌和物工作性能的影響

由圖2可見，隨著輕集料摻量的增加，LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和擴展度均呈現先增大后減小的趨勢.由于陶粒呈球形，受到膠凝漿體的黏滯力較小，對LUHPC拌和物起到潤滑作用，會增大拌和物流動性；隨著輕集料摻量的進一步增加，在陶粒自身多孔輕質作用下，將導致拌和物密度下降，自重作用下的流動性減弱.此外，對比LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和擴展度可發現，隨著輕集料摻量的增加，LUHPC拌和物的坍落度和擴展度損失減小，這說明預濕輕集料的摻入減小了LUHPC拌和物的流動性損失，但輕集料摻量超過50%后的減弱效果有限.

2.2 輕集料對LUHPC力學性能的影響

2.2.1輕集料粒形

輕集料粒形對LUHPC力學性能的影響如表5所示.

表5 碎石形和球形陶粒LUHPC的力學性能(28d)

由表5可見，球形陶粒LUHPC的28d抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均大于碎石形陶粒LUHPC，說明陶粒粒形對LUHPC力學性能有明顯影響.Kaplan[24]發現集料形狀指數對混凝土力學性能有較大影響，集料的球形度越大，混凝土力學性能越好；李洋[25]發現預濕球形陶粒會在高強混凝土中形成“拱殼狀”界面區，其特殊的形態能夠均勻分散應力，進而提升混凝土的力學性能.

2.2.2輕集料預吸水率

輕集料預吸水率對LUHPC力學性能的影響如圖3所示.

由圖3可見，隨著陶粒預吸水率的增加，LUHPC的28d抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均呈現出先增大后減小的趨勢，說明陶粒存在最佳預吸水率.Lo等[26]、楊宇婷[27]研究了輕集料預吸水率對輕集料混凝土力學性能的影響，也發現了相似規律.預濕輕集料在混凝土中具有顯著的內養護效應，尤其是在水膠比較低的高性能混凝土中.因此，當輕集料預吸水率增大時，其內養護效果增強，LUHPC內部的孔隙結構和輕集料-水泥石界面區結構得到改善，LUHPC力學性能提升.但當輕集料預吸水率過高時，輕集料在LUHPC拌和物未終凝時即開始釋水，相當于提高了LUHPC的總水膠比，導致其力學性能降低.

圖3 輕集料預吸水率對LUHPC力學性能的影響

2.2.3輕集料摻量

輕集料摻量φc對LUHPC力學性能的影響如圖4所示.

由圖4可見，隨著輕集料摻量的增加，LUHPC的28d抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均呈現出先略增后減小的趨勢，說明輕集料摻量存在一個最佳值.陶粒自身輕質多孔，強度明顯低于石英砂，在LUHPC中摻入陶粒等體積替代石英砂后，其強度理論上應降低.然而，摻入的陶粒為球形，替代石英砂后使LUHPC顆粒堆積密度提高[24]；且陶粒表面較石英砂更為粗糙，增加了集料與水泥石間的機械嚙合作用[28]；此外，陶粒在摻入前預吸了13%的水分，其內養護作用也會改善LUHPC的孔隙結構和界面區結構[25].以上原因均能改善LUHPC的力學性能.因此，輕集料摻量為25%時，LUHPC力學性能略有提升，說明摻入的輕集料正面效應高于負面效應；而輕集料摻量為50%、75%和100%時，LUHPC力學性能降低，說明摻入過多輕集料后對其力學性能帶來的負面效應更大.但是，輕集料摻量為100%時，LUHPC的28d抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量依然優異，分別達到120.1MPa、12.4MPa和56.2GPa，且其表觀密度僅為1983kg/m3，遠低于全石英砂UHPC的表觀密度2423kg/m3.因此，從輕質化UHPC的角度來看，球形輕集料100%取代石英砂是完全可行的.

圖4 輕集料摻量對LUHPC力學性能的影響

2.3 輕集料對LUHPC工作性能和力學性能的影響機理

2.3.1輕集料粒形分析

球形陶粒和碎石形陶粒呈現出完全不同的顆粒形態，球形陶粒具有優異的球形度，而碎石形陶粒為不規則形狀.Goktepe等[29]、王蘊嘉等[30]研究表明，顆粒狀材料的球形度對其堆積密度有顯著影響，孔隙比隨球形度增大而減小，材料的密實程度更高.當LUHPC膠凝漿體包裹2種粒形的輕集料時，球形陶粒四周更易形成潤滑層，產生“滾珠”效應，改善LUHPC拌和物工作性能，而碎石形陶粒之間相互摩擦咬合，需要更多的膠凝漿體在顆粒間形成潤滑層，導致拌和物工作性能變差.此外，球形陶粒帶來的高密實度也會提升硬化LUHPC的力學性能.

另一方面，焦雙健等[31]利用Ansys軟件模擬了單集料混凝土的力學性能，發現隨著集料球形度的增大，集料邊緣的應力降低，球形集料與四邊形集料的最大應力差可達50%；王蘊嘉等[30]分析認為卵石堆石料強度主要取決于卵石集料內部接觸力的各向異性程度，卵石集料球形度越大，接觸力分散越均勻，卵石集料越不容易破碎.這也進一步解釋了球形輕集料LUHPC力學性能優于碎石形輕集料LUHPC的原因.

2.3.2輕集料表面形貌分析

圖5為球形陶粒和石英砂顆粒表面形貌SEM圖.

圖5 球形陶粒和石英砂表面形貌SEM圖

由圖5可見，球形陶粒表面粗糙、凸凹不平，且有不少微孔，而石英砂表面致密.由二者表面形貌分析可知，陶粒的親水性明顯優于石英砂，陶粒與膠凝漿體在LUHPC拌和物中的裹附性和二者在LUHPC硬化體中的界面黏結性均明顯優于石英砂，進而改善了LUHPC的界面.

圖6為LUHPC中球形陶粒-水泥石和石英砂-水泥石界面區的微觀形貌圖.

由圖6可見，球形陶粒與水泥石結合密實，二者結合處沒有明顯的界線，而石英砂與水泥石結合處的界線分明.陶粒表面粗糙多孔，膠凝漿體裹附時會通過表面孔隙滲入其中，混凝土凝結硬化后陶粒-水泥石界面呈嵌鎖狀結構，進而使陶粒-水泥石黏結更為緊密[28].因此，LUHPC中的輕集料由于其表面特性而增強了與水泥石的黏結性，進而削弱了輕集料自身強度不足對LUHPC力學性能帶來的負面影響.

2.3.3輕集料內部結構分析

由圖6(a)可見，陶粒內部存在大量孔隙，預濕后可以吸收較多的水分，進而能夠在LUHPC中充分發揮內養護效應，改善其界面區結構.對比圖6(a)、(b)可明顯看出，石英砂-水泥石界面區疏松多孔，并有明顯的微裂紋存在，而陶粒-水泥石的界面區結構更加密實，與水泥石基體完全融為了一體，界面區已經不再是LUHPC的薄弱環節.隨著LUHPC膠凝漿體凝結硬化進程的發展，LUHPC內部相對濕度迅速下降，為了維持LUHPC內部相對濕度平衡，陶粒會釋放預吸收的水分，促進陶粒周圍膠凝漿體的水化，進而改善界面區的微觀結構和性能.國內外學者的研究表明[32-34]：在高強混凝土中，作為內養護材料的預濕輕集料因釋水而使界面區漿體水化更為充分，使得界面區性能優于水泥石基體，輕集料高強混凝土的性能得以提升.筆者[35-36]曾利用29Si NMR 和顯微硬度計定量表征了輕集料-水泥石界面區的水化程度、C-S-H凝膠聚合度和顯微硬度，發現輕集料-水泥石界面區漿體的水化更為充分，C-S-H凝膠平均分子鏈長增長、聚合度增加，從而提高了界面區的力學性能.

圖6 LUHPC中球形陶粒-水泥石和石英砂-水泥石界面區的微觀形貌圖

此外，當輕集料為球形時，UHPC中輕集料周圍的界面在三維空間呈現為“拱殼狀”(見圖7(b))，因而可均勻分散外來應力，避免應力對UHPC界面區造成破壞，進而進一步緩解了輕集料自身強度不足對UHPC力學性能帶來的負面影響.

圖7 LUHPC中“拱殼狀”界面區

3 結論

(1)提高輕集料的球形度和預吸水率，不僅有益于提升LUHPC拌和物的初始工作性能，而且有益于減小LUHPC拌和物的工作性能損失；增加球形輕集料摻量，LUHPC拌和物的初始工作性能呈現先提升后減弱的趨勢，但LUHPC拌和物工作性能的損失持續減小.

(2)球形輕集料LUHPC的力學性能優于碎石形輕集料LUHPC，且隨著球形輕集料預吸水率和摻量的增大，LUHPC的力學性能均呈現先增大后降低的趨勢；但即使球形輕集料在LUHPC中的摻量為100%時，其力學性能依然優異，且表觀密度遠低于全石英砂UHPC.

(3)輕集料粒形和輕集料預吸水率是影響LUHPC 性能的關鍵因素，其主要通過增大顆粒球形度、改善輕集料-水泥石界面黏結性和預濕內養護來提升LUHPC的工作性能和力學性能.