利用模擬海砂制備超高性能混凝土的性能研究

孫 堅，苗 壯，呂亞軍，席壯民，廖 黨，楊龍賓

(1. 中鐵二十三局集團軌道交通佛山工程有限公司廣州分公司，廣州 510000；2. 河南工業大學，鄭州 450001；3. 華北水利水電大學，鄭州 450000)

隨著我國經濟快速發展，建筑規模不斷擴大，建筑用砂短缺的矛盾日益突出。河砂作為建筑用砂的主要來源，正面臨著嚴重過度開采問題。日趨枯竭的河砂資源，不僅造成河道變更、水土流失等惡劣的環境問題，并導致河砂市場價格節節攀升，建筑成本顯著增加，經濟發展與環境保護的矛盾激化。快速尋找河砂資源的替代品，緩解建筑市場供需矛盾是目前亟須解決的重要課題。

我國有著長達18 000 km的海岸線，擁有豐富的海島資源，海砂儲量為1.6萬億t[1-2]。相比于河砂，海砂儲量豐富、取材便捷，可有效解決河砂開采難度高、環境污染等問題。但海砂中氯鹽成分會腐蝕混凝土中的鋼筋，同時也存在淡化成本高的問題，這些都限制了海砂在建筑工程中的應用。安全經濟地利用資源豐富的未淡化海砂制備混凝土，滿足我國基礎設施建設的要求，是建筑領域迫切解決的問題。

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)具有優異的力學性能(抗壓強度>120 MPa)、致密的孔隙結構和極低的離子滲透性，可以有效隔絕外部空氣、水分、有害離子的入侵，從而為內部鋼筋提供很好的保護，有望廣泛應用于海洋、寒冷區域等惡劣環境中[3]。本研究探求利用未淡化的海砂和模擬海砂制備UHPC的可行性，采用3.5%的NaCl溶液浸泡河砂得到模擬海砂，將模擬海砂和真實海砂替代河砂制備出超高性能混凝土(UHPC)，對不同UHPC的流動度、抗壓強度、氯離子擴散系數進行測試。旨在尋找河砂的最優替代品，緩解目前河砂資源日趨短缺，生態環境污染嚴重等問題。

1 材料與方法

1.1 原材料

本研究選用P·Ⅱ52.5水泥(河南永安水泥有限責任公司)、一級粉煤灰(榮昌盛環保材料廠)、硅灰(洛陽裕民微硅粉有限公司)作為膠凝材料，化學成分見表1。選用洗凈的粒徑范圍分別為0～0.6 mm、0.6～1.18 mm的天然河砂，青島膠州市附近海域未經淡化的天然海砂作為細骨料，基本性能指標見表2。選用江蘇蘇博特公司生產的聚羧酸高效減水劑作為添加劑，減水率為30%，固含量為30%，同時加入史尉克公司生產的長度為13 mm、直徑為0.22 mm的鍍銅微鋼纖維，混合水為鄭州市自來水廠供應的自來水。

表1 膠凝材料的化學成分

表2 河砂與海砂的基本性能

本研究中的模擬海砂是通過將河砂浸泡在模擬海水中制成，模擬海水采用濃度為3.5%的NaCl溶液，各細骨料的氯離子含量依據國家標準《JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》進行測試，測試結果見表3所示。

表3 氯離子含量測試結果

2 配合比設計和試驗

2.1 配合比設計

為使超高性能混凝土發揮最優性能，達到顆粒的緊密堆積是關鍵所在[4]。根據修正后的A&A模型對配合比進行優化設計[5]。首先，根據修正的A&A模型確定目標曲線(公式(1))，然后通過調整混凝土中混合物的比例使其組成的粒徑分布曲線接近目標曲線，獲得最優配合比。各混合物的粒徑分布、目標曲線以及擬合曲線如圖1所示。

圖1 混合物的粒徑分布、目標曲線以及擬合曲線示意

(1)

式中:

D——顆粒粒徑，μm；

P(D)——粒徑小于D的顆粒百分含量；

Dmax——最大粒徑，μm；

Dmin——最小粒徑，μm；

q——分布模量，取值為0.23。

采用0～0.6 mm以及0.6～1.18 mm兩種粒徑的真實海砂和模擬海砂替換河砂，替換比例為50%和100%，所得配合比見表4。

表4 UHPC配合比設計 kg/m3

2.2 試件制備與養護

UHPC試件成型：稱取相應質量的原材料，按照骨料、膠凝材料、鋼纖維的先后順序進行加料，加料完成后先干拌3 min，加入水和添加劑后繼續攪拌6～10 min至拌合物呈現較好的流態性能。試驗研究采用水泥膠砂攪拌機進行攪拌，攪拌完成后成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件。

養護制度：所有UHPC試件都先經過24 h固化后拆模，放入養護室中進行7 d和28 d標準養護。

2.3 流動度測試

根據EN1015-3(無任何震動)進行流動度測試，評價UHPC的工作性能。在試驗過程中，將錐體垂直向上提升，允許混合物自由流動。記錄兩個相互垂直的直徑，計算兩者平均值作為相對流動度。

2.4 力學性能

試樣的抗壓強度測定按《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)進行，將混凝土拌合物澆筑在 40 mm×40 mm×160 mm的模具中，固化24 h后進行脫模養護，試塊在溫度20±1 ℃、濕度95%的條件下進行養護，養護7 d和28 d后，進行測試，每批測試3個樣品求平均值。

2.5 非穩態氯離子電遷移試驗

為了評價不同UHPC試樣的抗氯離子侵蝕性能，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GB/T 50082—2009)》，采用非穩態氯離子快速電遷移試驗(Rapid Chloride Migration Method of Concrete，簡稱 RCM)實現氯離子的快速擴散，其原理是利用外加電場的作用力使試件外部的氯離子向試件內部遷移。使用氯離子擴散系數測定儀(NTB-DAL)進行RCM測定，試件為圓柱體，直徑為100 mm，高度為50 mm。

3 結果與討論

3.1 流動度

模擬海砂和真實海砂替代河砂所制備的UHPC流動度如圖2所示。試驗結果表明，隨著真實海砂摻量增加，UHPC拌合物的流動度略微降低，摻入50%和100%的真實海砂后，流動度相較于基準組(RS)降低了4.21%和9.47%。模擬海砂替代河砂后，流動度沒有發生太大的變化，和基準組幾乎持平。

圖2 UHPC流動度示意

河砂在河水的長期沖刷下，棱角被磨平，顆粒形狀飽滿、圓潤，顆粒間的摩擦阻力較小；海砂顆粒棱角性大，會增加水泥漿體與海砂之間的摩擦力，導致漿體流動需要克服較大的阻力[6]，這可能是造成海砂UHPC流動度下降的原因。此外，有文獻指出海砂中的貝殼含量也會造成流動度的降低[7]，因此基準組具有最好的流動度。模擬海砂與河砂的形態一致，模擬海砂UHPC的流動度和基準組幾乎持平。

3.2 抗壓強度

模擬海砂和真實海砂UHPC 7 d、28 d抗壓強度如圖3所示。模擬海砂UHPC的7 d抗壓強度相較于基準組略有提升，當替換率為50%和100%時，抗壓強度比基準組高出8.86%和11.31%。模擬海砂UHPC的28 d抗壓強度略低于基準組，替換率為50%和100%的模擬海砂28 d抗壓強度降低幅度分別為5.03%和6.85%。

圖3 UHPC 7 d、28 d抗壓強度示意

模擬海砂UHPC早期強度的提高主要是由于氯離子加速水泥水化，在水化初期，摻入適量的氯離子可以起到類似于含氯無機鹽類早強劑的作用[8]，在已有文獻中也發現了類似的結果[9]。28 d時氯離子對強度的促進作用不是特別明顯，有學者指出氯離子的引入會影響水泥水化過程的化學親和力，從而對水泥的水化產生一定的抑制作用，導致UHPC的后期強度有所降低[10]。

真實海砂UHPC的7 d、28 d抗壓強度均比基準組高，這可能是由于海砂具有更優異的粒徑分布，細骨料理化性質穩定，在UHPC中主要起填充作用，合理的粒徑分布有利于UHPC孔隙結構更為致密，提高UHPC的抗壓強度[11]。另一方面，海砂中的氯離子會降低混凝土的后期強度，真實海砂UHPC的抗壓強度取決于兩者的協同作用。

3.3 氯離子擴散性

28 d UHPC氯離子擴散系數如圖4所示。在模擬海砂試驗中，當模擬海砂替換率為50%和100%時，氯離子擴散系數分別為78×10-14m2/s和71×10-14m2/s，相較于基準組降低了20.4%和27.5%。隨著UHPC中氯離子含量的增加，氯離子擴散系數有減小的趨勢，即抗滲性能提高。這與氯離子在UHPC中的存在形式有關，UHPC可以固化大部分的氯離子[12]，形成沒有危害的氯鹽，這些氯鹽在混凝土的孔隙中結晶，使UHPC孔徑變小，孔隙率降低，孔隙連通性下降，因此離子的傳輸受阻，氯離子擴散系數降低。

圖4 UHPC氯離子擴散系數示意

在真實海砂試驗中，當真實海砂替換率為50%和100%時，氯離子擴散系數分別為70×10-14m2/s和66×10-14m2/s，相較于基準組降低了28.5%和32.6%。氯離子擴散系數與UHPC孔隙結構密切相關。隨著真實海砂的摻入，優化了UHPC的孔徑分布，導致更致密的孔隙結構和更高的抗壓強度，因此，相較于基準組，H50和H100的氯離子擴散系數大幅下降，具有更好的抗氯離子滲透性能。總得來看，無論摻量如何，UHPC均表現出了超強的抗氯離子滲透性，大約是普通混凝土抗氯離子滲透能力的100倍以上，這主要歸功于UHPC致密的微觀結構及基體內顯著缺乏自由水[13]。

4 結語

1) 海砂較大的棱角性和貝殼的存在不利于流動度的發展，海砂UHPC流動度略低于基準組，模擬海砂UHPC和基準組的流動度幾乎持平。

2) 由于氯離子能促進水泥早期水化反應，起到類似于早強劑的作用，模擬海砂UHPC組的7 d抗壓強度高于基準組。但28 d時，氯離子的促進作用不明顯， 模擬海砂UHPC的后期強度相較于基準組有所降低。

3) 真實海砂UHPC 7 d和28 d的抗壓強度均高于基準組，合理的粒徑分布促使UHPC孔隙結構更為致密，從而提高UHPC的抗壓強度。

4) UHPC的氯離子擴散系數均保持在一個非常小的范圍，這主要是歸功于UHPC致密的孔隙結構以及基體內缺乏自由水。模擬海砂UHPC和真實海砂UHPC比基準組有更低的氯離子擴散系數，說明合理的粒徑分布和適量氯鹽的存在有利于形成致密的孔隙結構，從而提高UHPC的耐久性。