硅灰預處理工藝對超高性能混凝土性能的影響

毛 簽，王 峰，葉 舟

(1.中交二航局成都城市建設工程有限公司，成都 610218；2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430074；3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430074)

硅灰是工業煉鐵中產生的一種超細顆粒，其在混凝土中可產生優異的火山灰效應和微納米填充效應，顯著改善混凝土的微觀孔結構并提高密實程度，提升混凝土力學性能和耐久性，成為配制超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)不可或缺的材料。原狀硅灰的松散堆積密度通常在150～250 kg/m3，只有水泥的1/5。為方便運輸及貯存，通常會對原狀硅灰經氣體加壓處理，使其堆積密度至600 kg/m3以上，以降低運輸及貯存成本。

然而，經加密處理后的硅灰顆粒間團聚更為緊密，靜電吸附作用加強，導致硅灰的分散性變差，拌和時間顯著增加。且團聚后的硅灰微粒表面活性會有所下降，導致微納米硅灰顆粒的優異特性喪失[1]。UHPC中硅灰摻量高達15%～30%，以上問題更加突出。加密硅灰的分散性不佳還會顯著延長UHPC的攪拌時間，降低生產功效。

針對現有UHPC材料摻入大摻量硅灰后拌和時間過長、硅灰利用效率不高等問題，對加密硅灰進行預處理。研究不同預處理工藝對UHPC拌和時間和性能的影響，以期對現有UHPC材料生產工藝進行優化。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥為湖北媧石集團生產的PO52.5硅酸鹽水泥；硅灰為四川某廠生產，其二氧化硅含量為96.7%，堆積密度為641 kg/m3；復合礦物摻合料流動度比為109%，活性指數113%；石英砂采用20～120目石英砂；鋼纖維采用12 mm鍍銅平直型鋼纖維，贛州大業生產；UHPC專用高效減水劑，減水率為35%，中交二航武漢港灣新材料公司產。

1.2 試驗配比

基于緊密堆積理論，通過調整膠凝材料組成和骨料組成比例確保達到最密堆積狀態，再結合拌和物的工作性對配合比進行修正優化，水膠比0.17，鋼纖維體積摻量2.5%，試驗配比如表1所示。

表1 試驗配合比

1.3 試驗方法與測試

1.3.1 硅灰預處理方法

采用兩種方法對硅灰進行預處理：1)制漿法：采用拌合水浸泡加密硅灰24 h，使團聚硅灰在水的滲透壓下分散，再將其加入到混凝土中拌和[2]。2)預拌法：調整UHPC的生產工藝，生產時先加入拌和水、外加劑和硅灰，預拌1 min使其充分分散，再加入其他膠材、石英砂及鋼纖維制備UHPC。

1.3.2 試件成型與養護

試件成型及養護過程均參照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》執行。

1.3.3 性能測試

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，測試混凝土擴展度和凝結時間；按照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》中方法，測試混凝土在不同養護制度下各齡期抗壓強度；總拌和時間為粉料開始干混直至形成勻質UHPC拌合物所需時間，濕拌時間為開始加水至拌和物混合均勻具有良好流動性開始加入鋼纖維的時間。

2 結果與分析

2.1 拌和時間

將采用水浸泡分散的硅灰及外加劑預拌的硅灰制備UHPC拌合物，總拌和時間和濕拌時間結果如圖1所示。從圖1可知，采用制漿法工藝處理后，濕拌時間由6 min縮至4 min，降幅達30%以上，總拌和時間則由10 min降至8 min，降幅達20%；采用預拌工藝處理硅灰后，濕拌時間由6 min降至3.5 min，降幅超40%，總拌和時間由10 min縮至7.5 min，拌和時間降低了25%，經預處理工藝后UHPC的拌和效率顯著提升。

微納米硅灰的表面能高，易團聚，混凝土拌和時需先分散硅灰，這使得攪拌和時間大幅延長。經預處理工藝后硅灰已在拌和水中分散均勻，因此可節省較多硅灰機械拌和分散時間。與制漿法相比，預拌法的拌和時間相對更短，效率更高，其對硅灰的分散效果更佳，這是由于制漿法雖能依靠水的滲透壓對硅灰進行解密分散，但硅灰自身并不溶于水，會發生不同程度沉降，硅灰漿液中仍存在需要分散的硅灰顆粒。

2.2 工作性能

將采用水浸泡分散的硅灰及外加劑預拌的硅灰制備UHPC拌合物，并測試其在不同靜置時間下的擴展度，對其工作性能進行評價，結果如圖2所示。相較于未處理的UHPC拌合物，經預處理工藝后的UHPC拌合物初始擴展度由625 mm分別降至615 mm和605 mm，這表明預拌法和制漿法預處理后硅灰需水量增大。這是由于預處理工藝后硅灰之間解聚，顆粒細化，比表面積增大，膠凝材料體系對拌和水需求增大，進而導致初始擴展度的降低[3]。制漿法的初始擴展度相較于預拌法更低，制漿法對硅灰解密的效果更優。

而對于擴展度經時損失，兩種處理方法均能降低工作性能的損失，但變化趨勢均與未經處理的保持一致。究其原因，硅灰預處理過程中硅灰表面已被充分潤濕，避免UHPC拌合物靜置時硅灰吸水造成自由水大量減少的問題。另外，團聚硅灰顆粒在預處理過程中會有不同程度的解聚，硅灰顆粒細化后比表面積增大，膠凝材料體系需水量增大，自由水減小，導致靜止時自由水損失較少，因此擴展度經時損失減小[4]。對比兩種處理工藝，制漿法對擴展度經時損失的改善效果更佳，這表明細化硅灰顆粒對水泥顆粒的屏蔽作用在其中占據主導地位。

2.3 凝結時間

混凝土的凝結時間直接影響脫模時間，關系到工程現場的施工效率。不同處理方法下UHPC的凝結時間如圖3所示。由圖3可以看出，與未處理的相比，預拌法的初凝時間和終凝時間分別縮短了0.5 h和1.5 h，制漿法縮短了1 h和2.5 h，硅灰經預處理后能在一定程度上縮短UHPC漿體的凝結時間。這是因為預處理過程中硅灰顆粒細化，可為水化提供了更多的成核核心，促進水化產物在其表面沉積，并與之發生火山灰反應，加快水化產物的結晶析出，加速水泥的早期水化[5]。而制漿法得到的硅灰細度更小，比表面積更大，與水泥接觸更為充分，這一效果更加明顯，因而宏觀上表現為凝結時間更短。

2.4 力學性能

以水浸泡分散的硅灰及外加劑預拌的硅灰為原料制備UHPC，測試其在28 d齡期時的抗壓強度，結果如圖4所示。從圖4中可知，經預拌和制漿處理工藝后，采用標準條件養護的UHPC強度由131 MPa分別增長至135 MPa、137 MPa，蒸養條件下強度由138 MPa增長至146 MPa、150 MPa，標準養護強度增長了4 MPa、6 MPa，蒸汽養護強度增長了8 MPa、12 MPa。預處理工藝有利于UHPC強度的提升，這一點在蒸養條件下更為顯著。造成這一現象的原因在于，經預處理后的硅灰分散效果更佳，團聚的顆粒細化，對水泥間隙的填充效果更優，能夠充分發揮微集料填充效應，降低孔隙率，使混凝土更加致密。同時由于硅灰顆粒細化后與水化產物接觸面積增大，火山灰效應更強，因此預處理后表現出更加優異的力學性能[6]。而在蒸養條件下，水化速率大幅提升，在測試齡期內水泥即可充分水化，減少了UHPC中膠凝材料因不充分水化而形成的薄弱區域，因而28 d強度較之常溫養護更高。

2.5 生產適應性分析

目前UHPC生產主要有項目現場攪拌生產和工廠化預拌生產兩種模式，現場攪拌生產時需提前計量原材料并預混，再通過噸袋形式運至現場割包使用。而工廠預拌則可利用粉料儲罐儲存水泥硅灰等膠凝材料，正式生產前能夠實現對硅灰的預處理工藝。制漿法效果優于預拌法，但加水制漿法需提前24 h加水浸泡，這對于UHPC的生產組織及質量管控的挑戰嚴峻。預拌法效果雖略低于加水制漿法，與現有生產體系的適配性更佳，更適用于實際應用。同時考慮到預處理工藝縮短拌和時間和凝結時間對攪拌生產及模具周轉效率的提升，經時坍落擴展度損失降低及蒸養強度的改善對工程品質的提升，該研究中的預拌法與工廠預制生產UHPC構件的匹配度更高。

3 結 論

a.預處理工藝可有效提高硅灰的分散效果，減少拌和過程機械分散過程時間，縮短拌和時間20%以上；分散后的硅灰顆粒細度更小，與水泥充分接觸，縮短了凝結時間。

b.硅灰顆粒經預處理后細化，比表面積增大，需水量增大，初始擴展度略有降低，擴展度經時損失得到改善；預拌法和制漿法28 d標準養護強度分別增長了4 MPa、6 MPa，蒸汽養護條件下強度增大8 MPa、12 MPa。

c.預拌法與現有生產體系的適應性更佳，在UHPC構件預制生產中應用前景更好。