再生細骨料和超細粉煤灰增強UHPC的力學性能研究*

吳晨潔，王德志,2,3,4，馬志鵬

(1. 寧夏大學 土木和水利工程學院， 銀川 750021；2. 旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心， 銀川 750021；3.寧夏土木工程防震減災工程技術研究中心， 銀川 750021；4. 寧夏節水灌溉與水資源調控功工程技術研究中心，銀川 750021)

0 引 言

1989年美國聯邦公路局以活性粉末混凝土為基準，系統地開展了超高性能混凝土(UHPC)的研究。超高性能混凝土一般指強度≤100 MPa的混凝土，具有較高的力學性能及超強的耐久性能[1-3]，近年來多用于工程承重結構以減少結構的肥梁胖柱等工程問題，超高性能混凝土已成為當下最具有創新性的水泥基工程材料之一[4-5]。

再生細骨料是建筑廢棄垃圾經破碎篩分得到粒徑<5 mm的顆粒材料[6]，超細粉煤灰是燃料燃燒產生的細微固體顆粒物經過研磨得到的比表面積>600m2/kg的細集料[7]。再生細骨料取代天然砂后促進了建筑垃圾資源化利用、保護了生態環境。陳志武[8]、Zhang[9]設計了不同含量飽和面干再生細骨料替代河砂，發現隨著再生細骨料摻量的增加，超高性能混凝土的抗壓強度逐漸下降。褚洪巖[10]發現再生砂、機制砂和風積沙制備的綠色超高性能混凝土與普通河砂UHPC的力學性能基本相當甚至在某些方面更加優良。葛曉麗[11]用廢棄混凝土破碎后的再生砂制備超高性能混凝土，發現最優選擇區間為40%～60%。

孫瑤[12]認為摻入10%超細粉煤灰后混凝土任何齡期的強度都高于其他摻量的。王瑞[13]研究了超細粉煤灰對60、90 d齡期混凝土抗壓強度的影響規律，認為加入30%超細粉煤灰后強度增長最大，而姚韋靖[14]發現超細粉煤灰在高強混凝土中的最優摻量為20%，其力學性能增加最明顯。曹潤倬[15]通過超細粉煤灰取代定量普通粉煤灰，比較了超高性能混凝土的流動性與抗壓強度，認為隨著超細粉煤灰摻量增大，流動性能隨之增大。Gao[16]認為超細粉煤灰可以改善水泥的水化熱反應，減少混凝土的開裂。

本文探究了不同摻量的超細粉煤灰和再生細骨料復摻對超高性能混凝土工作性能、軸心抗壓和軸心抗拉強度的影響規律，利用SEM掃描電鏡對超高性能混凝土試件進行了微觀形貌檢測，從微觀角度探究了超細粉煤灰及再生細骨料對超高性能混凝土微觀結構的影響，建立了摻超細粉煤灰和再生細骨料的超高性能混凝土軸心抗壓強度預測模型。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：選取寧夏賽馬水泥廠生產的P.O 42.5，水泥各項性能見表1。硅灰：寧夏三遠微硅粉公司生產的920硅粉。粉煤灰：寧夏錦鑫環保科技有限公司生產的I級粉煤灰，超細粉煤灰由YXQM-20L行星球磨機干磨4 h得到，比表面積900 m2/kg，粉煤灰粒徑分布如圖1所示。減水劑：選用減水率高于25%的山西格瑞特公司聚羧酸類高性能減水劑。天然細骨料：選取表觀密度與堆積密度分別為2 551、1 506 kg/m3的寧夏本地水洗砂。再生細骨料：采用C40強度等級的建筑樓板破碎篩分，得到表觀密度2 433 kg/m3，堆積密度1 338 kg/m3。鋼纖維：選取致泰鋼纖維生產的平直鋼纖維，長度13 mm，直徑0.18～0.23 mm，抗拉強度>2 860 MPa。水：采用自來水。

表1 水泥的各項指標Table 1 The indicators of cement

圖1 粉煤灰粒徑分布圖Fig 1 Fly ash particle size distribution map

1.2 試驗配合比

本試驗所用水膠比為0.2，鋼纖維摻量均為2.0%(體積分數)，試驗配合比見下表2所示，其中編號R0、R25、R50和R75分別表示再生細骨料取代0、25%、50%和75%的天然河砂；SF0、SF10、SF20和SF30分別表示超細粉煤灰取代0、10%、20%和30%的水泥。

表2 試驗配合比(kg/m3)Table 2 Test the mix (kg/m3)

超細粉煤灰再生細骨料UHPC的攪拌過程：(1)水泥、硅灰、超細粉煤灰、細集料(天然細骨料和再生細骨料)及鋼纖維一起干攪2 min；(2)減水劑加入水中攪拌至均勻，倒3/4混合液加入干拌混合材料攪拌1 min；(3)剩余的混合液一次性加入混合料中攪拌9 min。(4)制備100 mm×100 mm×100 mm立方體和320 mm×60 mm×13 mm啞鈴型UHPC試塊，標準養護28 d測定抗壓強度及抗拉強度。

1.3 試驗方法

根據《活性粉末混凝土(GB/T31387—2015)》推薦的應力加載方式測定超高性能混凝土28 d抗壓強度，根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準(GB/T50081—2019)》推薦的位移加載方式測定超高性能混凝土啞鈴型試件的28 d抗拉強度。

采用等效系數K值[17]表示超細粉煤灰替代水泥的效率，當超細粉煤灰的K值越趨近于1，則說明超細粉煤灰越等同水泥的效果。

(1)

其中:fMA為摻超細粉煤灰UHPC的抗壓強度；fc為未摻超細粉煤灰UHPC的抗壓強度；P為超細粉煤灰代替水泥的百分比。

2 試驗結果與分析

2.1 工作性能

圖2為相同超細粉煤灰摻量，不同再生細骨料取代率對UHPC坍落度及擴展度的影響。隨著再生細骨料的增加，UHPC坍落度和擴展度均呈現下降趨勢。當超細粉煤灰摻量為20%，再生細骨料摻入75%時UHPC的坍落度較未摻的降低13.46%，當超細粉煤灰摻量為10%，再生細骨料摻量75%UHPC的坍落度較未摻再生細骨料降低27.59%。再生細骨料增加超高性能混凝土擴展度降低，與坍落度的變化趨勢一致。再生細骨料摻量<50%時，20%超細粉煤灰摻量的UHPC擴展度最大；當再生細骨料摻量≥50%，10%超細粉煤灰摻量的UHPC擴展度最大。可見摻入再生細骨料后UHPC的坍落度和擴展度均降低，工作性變差；加入超細粉煤灰后可以適當改善其流動性。這是由于再生細骨料表面黏附砂漿含量較多且孔隙率較大，導致再生細骨料摻量為75%的UHPC坍落度降低。

圖2 再生細骨料對UHPC坍落度及擴展度的影響Fig 2 Effects of recycled fine aggregate on slump and extension of UHPC

2.2 抗壓強度

圖3為不同超細粉煤灰摻量、不同再生細骨料取代率對UHPC抗壓強度的影響。隨著再生細骨料的增加，超高性能混凝土的抗壓強度呈現增大的趨勢，再生細骨料摻量為50%的抗壓強度最大，比未摻再生細骨料的SF0R0、SF10R0、SF20R0組分別提高14%、3%、17%。超細粉煤灰摻量為10%時UHPC的強度均高于未摻和摻20%超細粉煤灰組的強度；再生細骨料摻入50%，超細粉煤灰摻量為10%時UHPC強度達到115.36 MPa，強度提高3.15%；超細粉煤灰摻量繼續增加抗壓強度持續降低，20%摻量時降低8.91%，30%摻量時降低18.59%。對于強度而言，可以看出超細粉煤灰摻入10%，再生細骨料UHPC最優替代率為50%。由于再生細骨料經過破碎篩分，骨料表面出現棱角從而增大粗糙程度，將其攪拌至混凝土中后能與UHPC內部水泥凈漿更好地黏結；再生細骨料吸水率大，養護過程中內部儲存的水分通過毛細孔向水泥砂漿中傳輸，水分的補充維持了漿體內部濕度的平衡，硬化水泥漿體的毛細管張力得到有效減小，骨料間更加密集促使UHPC抗壓強度提高[18-19]。

圖3 不同摻量再生細骨料抗壓強度Fig 3 Compressive strength of recycled fine aggregate with different dosage

根據抗壓強度試驗結果，再生細骨料替代率為50%不同超細粉煤灰對UHPC 28 d等效系數k值如圖4所示。超細粉煤灰摻量為10%時等效系數k略大于1，超細粉煤灰摻量增加等效系數降低的變化規律與試驗值一致。

圖4 粉煤灰等效系數 Fig 4 Fly ash equivalent coefficient

2.3 抗拉強度

圖5為再生細骨料取代率對UHPC抗拉強度的影響。未摻超細粉煤灰時，隨著再生細骨料的增加，超高性能混凝土的抗拉強度提高，75%摻量時提高15.49%。當UHPC含有10%和20%超細粉煤灰時，隨著再生細骨料的增加，超高性能混凝土的抗拉強度均呈現先下降后上升的趨勢。75%摻量的再生細骨料、摻入20%超細粉煤灰摻量為的UHPC抗拉強度最大，達到13.06 MPa；75%再生細骨料替代率的UHPC抗拉強度高于25%取代率的，超細粉煤灰摻量為0%、10%、20%組的抗拉強度分別提高11.26%、5.24%、13.07%。就再生細骨料超高性能混凝土的抗拉強度來說，再生細骨料的最優替代率為75%。

圖5 不同摻量再生細骨料抗拉強度Fig 5 Tensile strength of recycled fine aggregate with different dosage

2.4 微觀分析

2.4.1 SEM電鏡掃描微觀圖像

圖6為超高性能混凝土微觀形貌圖像。可以看到，超細粉煤灰已經進行了水化反應，使得C-S-H與AFt在界面區均勻分布，結構總體較為密實，超細粉煤灰起到了火山灰與填充效應；在骨料與界面過渡區未看到明顯的裂縫界面粘結效果較好，從而促進了UHPC的強度。產生該現象的原因是，超細粉煤灰UHPC在水化反應過程消耗更多的Ca(OH)2，生成較多的C-S-H凝膠和鈣礬石，填充了骨料在UHPC內部孔隙，增大了水泥硬化漿體的密實度。從而大大增強了水泥基體的性能。

圖6 超高性能混凝土微觀形貌圖Fig 6 Micro topography of ultra high performance concrete

2.4.2 機理分析

水泥水化反應會生成大量的C-S-H凝膠等水化產物，C3S加快了水泥水化速率，提早形成硬化水泥基材料，保證制品具有較高的強度。在UHPC中加入具有協同作用的超細粉煤灰與硅灰，兩者都存在火山灰與填充效應，硅灰通過吸收水分形成富硅的凝膠聚集包裹未水化的水泥顆粒先與硬化后水泥基材料的Ca(OH)2進行二次水化生成C-S-H凝膠。超細粉煤灰對殘余的Ca(OH)2繼續消耗轉換成C-S-H凝膠體，經過多次水化反應生成大量C-S-H凝膠進一步增加了結構的密實度,提高其力學性能及耐久性能。再生細骨料具有吸釋水性質，降低了界面區水膠比，消除了水膜和分層現象，有效減輕界面區的“邊壁效應”，使得骨料界面過渡區得到增強。

2.5 預測模型

超高性能混凝土作為新型混凝土材料，集料與骨料間的填充粘結能力對其性能有著重要的影響。劉明輝[20]考慮水泥漿作為填充料，存在于兩個緊密骨料間的水泥漿受到較大應力，在相同骨料的體積份數下，大粒徑骨料間的漿體厚度隨之也更大，這些聚集體之間的距離稱為最大漿體厚度(maximum paste thickness, MPT)，因此考慮到水泥-骨料相互作用關系的混凝土強度模型為：

(2)

表達式中：fcm為混凝土基相強度；Rc28為水泥28 d的ISO強度， MPa；Vc為單位立方米混凝土中的水泥體積；Vw為單位立方米混凝土中水的體積；Va為單位立方米混凝土中的空氣體積；MPT為最大漿體厚度，mm，即:

(3)

表達式中:D為骨料最大尺寸，mm；g*等于骨料的堆積密度；g為單位體積混凝土中骨料的體積。

超高性能混凝土采用最緊密堆積設計原理，本實驗利用超細粉煤灰填塞結構內的空隙。因此考慮摻入超細粉煤灰會引起骨料的堆積變化，從而影響漿體的厚度，將超細粉煤灰UHPC強度漿體模型在此基礎上進行修正，定義超細粉煤灰對MPT及骨料結構影響函數Z，則考慮超細粉煤灰摻量的影響的MPT為

(4)

當未摻超細粉煤灰時，Z取值為1，定義Z的函數形式：

Z=1+f(x)

(5)

式中：x為超細粉煤灰含量；f(x)為不同超細粉煤灰含量對UHPC空間結構調整函數。根據試驗結果，可以運用函數較好擬合f(x)在不同超細粉煤灰摻量的關系，如下圖7。

圖7 f(x)函數擬合Fig 7 f(x) function fitting

擬合結果

f(x)=108.7x-13.6233

(6)

整理最大漿體厚度及強度模型：

(7)

(8)

圖8為再生細骨料替代率為50%時，摻入10%到30%超細粉煤灰的強度預測值。隨著超細粉煤灰取代率的增加，超高性能混凝土的強度預測值呈現下降的趨勢，與實測值變化規律一致；摻量為10%時預測模型出現最大峰值，達到116.28 MPa；超高性能混凝土強度預測值與實測值的相對誤差分別為0.79%、4.62%、7.40%。

圖8 超細粉煤灰強度預測Fig 8 Strength prediction of ultrafine fly ash

3 結 論

采用超細粉煤灰代替水泥，再生細骨料代替砂子制備了UHPC，并對其工作性能、抗壓強度、抗拉強度和微觀結構進行了研究，得到以下結論：

(1)再生細骨料取代率越大，摻超細粉煤灰的UHPC坍落度與擴展度均呈現下降趨勢，抗壓強度逐漸增大，50%摻量強度達到最大，抗拉強度呈現先下降后上升的趨勢，最優摻量為75%。

(2)超細粉煤灰摻量增大，超高性能混凝土的坍落度逐漸下降，擴展度逐漸增加,抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，摻量為10%的抗壓強度最大，達到115.36 MPa，摻加20%的超細粉煤灰抗拉強度最大，抗拉最大值為13.06 MPa。

(3)利用等效系數得出超細粉煤灰摻量10%的情況下，接近純水泥效果。通過考慮了超細粉煤灰作用對UHPC的影響，建立了超細粉煤灰強度預測模型，對UHPC強度進行了預測。