膨脹珍珠巖基生態(tài)型超高性能混凝土制備與性能研究

李良偉，耿旗輝，武 迪，侯東帥,2,*，王鑫鵬

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266525)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC)是一種具有極低水膠比(w/b<0.2)[1]，具有超高抗壓強(qiáng)度(>150 MPa)[2]和優(yōu)異耐久性[3]的新型復(fù)合水泥基材料。然而，UHPC中水泥用量大，超過850 kg/m3，每噸水泥二氧化碳排放量653.4 kg，這導(dǎo)致了高能耗和高碳排放的環(huán)保問題[4-5]。此外，作為UHPC骨料的河砂也存在資源短缺問題。

使用低能耗材料如粉煤灰(Fly Ash，簡稱FA)、粒化高爐礦渣(Ground Granulated Blast Furnace Slag，簡稱GGBFS)、石灰石粉(Limestone Powder，簡稱LP)、偏高嶺土(Metakaolin，簡稱MK)以及稻殼灰(Rice Husk Ash，簡稱RHA)代替水泥制備生態(tài)型UHPC是解決UHPC高能耗問題的主要途徑。替換材料的使用不僅能有效降低能耗，往往還能帶來性能的提升；此外，利用廢玻璃砂、珊瑚砂以及機(jī)制砂取代石英砂制備生態(tài)型UHPC也能有效降低UHPC的高能耗問題。然而，上述水泥(石英砂)替換材存在供不應(yīng)求(如高品質(zhì)FA)、地域性限制(如稻殼灰)、質(zhì)量不穩(wěn)定(如機(jī)制砂)等問題，一定程度限制了生態(tài)型UHPC的設(shè)計和應(yīng)用。

膨脹珍珠巖(Expanded Perlite，簡稱EP)是一種廣泛易得的建筑材料(全球每年大約生產(chǎn)253萬t)，EP具有低能耗、潛在火山灰等優(yōu)點，將EP作為輔助膠凝材料或者骨料制備低能耗的水泥基材料的研究已廣泛開展[6-7]，但利用其作為UHPC原材料的研究尚不充分。在前期研究中[8]系統(tǒng)探索了膨脹珍珠巖填料和膨脹珍珠巖骨料分別取代水泥和石英砂對UHPC的性能影響，結(jié)果表明使用EP作為輔助膠凝材料或者骨料有效降低了UHPC的能耗，同時保持了優(yōu)異的工作、機(jī)械和耐久性能。基于前期研究，本文旨在探究EP復(fù)摻對UHPC宏觀性能的影響機(jī)制，對其工作性能、力學(xué)性能、耐久性能和環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)評價，以探究EP復(fù)摻制備更具生態(tài)效益UHPC的可行性。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：由青島山鋁水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，平均粒徑為10 μm。硅灰：由成都東南星提供，SiO2含量為94.65%，平均粒徑為200 nm。砂：最大粒徑為0.6 mm的石英砂。膨脹珍珠巖：由青州市歡騰花卉苗木銷售中心提供，EP填料的平均粒徑范圍為0～0.075 mm，飽和面干吸水率為4%，表觀密度為1740 kg/m3；EP骨料的平均粒徑范圍為0.075～0.6 mm，壓碎指標(biāo)值為66%，飽和面干吸水率為50%，表觀密度為1140 kg/m3，EP骨料和EP填料的顆粒形貌如圖1所示。減水劑：由江蘇南京蘇博特生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，固含量20%，減水率為30%。鋼纖維：鍍銅短直鋼纖維，長度為13 mm，直徑為0.2 mm，抗拉強(qiáng)度為2200 MPa。水：拌和用水為潔凈的自來水。試驗中所用原材料的化學(xué)組成見表1。

圖1 EP顆粒形貌

表1 原材料的化學(xué)組成 %

1.2 配合比設(shè)計

基于之前研究結(jié)果，對于EPF30—EPF60，隨著EPF摻量增加，碳排放量從580.4 kg/m3降低到454.8 kg/m3；對于EPA50—EPA100，隨著EPA摻量增加，碳排放量從701.6 kg/m3降低到696.9 kg/m3。基于此，本文考慮將EPF和EPA同時摻加，并得到最終配合比，如表2所示。

表2 膨脹珍珠巖基生態(tài)型UHPC配合比 kg/m3

1.3 試塊制備及養(yǎng)護(hù)

試塊的制備流程：首先將膠凝材料和石英砂干拌均勻(EP填料體積取代水泥，添加順序按照水泥進(jìn)行；EP骨料體積取代石英砂，添加順序按照石英砂進(jìn)行)，加入水和減水劑，慢攪(轉(zhuǎn)速(140±5) r/min)至形成漿體(Ns)后，快攪((280±10) r/min)60 s，再緩慢均勻地加入鋼纖維，最后將制備的漿體澆入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的模具中。具體攪拌流程如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行脫模處理，然后將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2) ℃，濕度95%)中分別養(yǎng)護(hù)1，3，7和28 d。

圖2 攪拌流程

1.4 試驗方法

按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)和《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)分別進(jìn)行流動度和抗折、抗壓強(qiáng)度試驗，測定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1，3，7和28 d后4種齡期下的強(qiáng)度值；按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行耐久性試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動度

EP填料和EP骨料摻量對超高性能混凝土流動度和需水量的影響如圖3所示。對于未摻加鋼纖維的試塊而言，當(dāng)流動度為190 mm左右時，各組需水量隨EP骨料和EP填料摻量的增加而逐漸增加，最大需水量(335 g)的組別為EPF60A100；對于摻加鋼纖維的各組別而言，流動度的范圍為175～180 mm，需水量的變化規(guī)律與未摻加鋼纖維組相一致，最大需水量(341 g)的組別為EPF60A100+。具體而言，當(dāng)EPF30A50和EPF60A100組試塊的流動度分別為192和190 mm時，需水量分別為245和335 g，較基準(zhǔn)組(Ref.)分別增加了36.1%和86.1%；當(dāng)EPF30A50+和EPF60A100+組試塊的流動度分別為180和175 mm時，需水量分別為248和341 g，較基準(zhǔn)組(Ref.+)分別增加了36.3%和87.4%。一方面，由于鋼纖維的加入使得漿體流動度變差，同時需水量也增加；另一方面，由于EP骨料的“多孔”結(jié)構(gòu)特性使其具有吸水性，EP骨料的大量摻加增加了基體內(nèi)部吸附水含量[9]。

2.2 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

圖4為不同EP填料和EP骨料摻量在不同養(yǎng)護(hù)齡期下對試塊抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：相比于基準(zhǔn)組而言，EP的摻加明顯降低了試塊的抗折強(qiáng)度，EPF60A100試塊的28 d抗折強(qiáng)度為11.8 MPa，與基準(zhǔn)組(Ref.)相比，降低了44.3%。這是由于EP骨料自身強(qiáng)度較低引起的[9]。

與基準(zhǔn)組(Ref.)相比，EP骨料和EP填料的摻加使得各養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度下降。其中，EPF30A50和EPF60A100試件的3 d抗壓強(qiáng)度分別為51.3和18.9 MPa，相比于基準(zhǔn)組(Ref.)分別下降了36.8%和76.7%，這主要是因為EP填料的稀釋效應(yīng)使基體內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物減少，水泥石強(qiáng)度較低，從而使得試塊的抗壓強(qiáng)度降低。隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，EPF30A50和EPF60A100試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，其中，EPF30A50試塊28 d抗壓強(qiáng)度為111.8 MPa，EPF60A100試塊28 d抗壓強(qiáng)度為70.0 MPa。這主要是因為EP能夠產(chǎn)生火山灰效應(yīng)，EP填料后期的火山灰活性促性了基體的二次水化，使得水泥石強(qiáng)度增加，從而使得基體的抗壓強(qiáng)度得到提高；除此之外，EP是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的輕骨料，這種多孔結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生稀釋水效應(yīng)，在基體內(nèi)部可以發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，使未水化水泥進(jìn)一步水化，提高水泥石強(qiáng)度，從而使得基體的抗壓強(qiáng)度得到提高。

隨著鋼纖維的摻加，抗壓強(qiáng)度較未摻加鋼纖維組均有了一定的提升，但摻有EP的試塊抗壓強(qiáng)度低于未摻加的(Ref.)。其中，EPF30A50+試塊的1 d抗壓強(qiáng)度為33.8 MPa，與基準(zhǔn)組(Ref.+)1 d抗壓強(qiáng)度相比下降了39.1%；EPF60A100+試塊的1 d抗壓強(qiáng)度為8.8 MPa，與基準(zhǔn)組1 d抗壓強(qiáng)度相比下降了84.1%，這主要是由于EP填料的稀釋效應(yīng)引起的。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸增加，下降幅度逐漸變小。EPF30A50+試塊的28 d抗壓強(qiáng)度為161.8 MPa，與基準(zhǔn)組(Ref.+)28 d抗壓強(qiáng)度相比下降了10.3%，EPF60A100+試塊的28 d抗壓強(qiáng)度為82.1 MPa，與基準(zhǔn)組28 d抗壓強(qiáng)度相比下降了54.5%，這是由于EP填料的摻量過多，EP填料的稀釋效應(yīng)增強(qiáng)使得鋼纖維大量沉降，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅下降[10]。

2.3 耐久性能評價

不同EP填料和EP骨料摻量對試塊的耐久性影響如圖5所示。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各組氯離子滲透深度逐漸降低，表明試塊的抗氯離子滲透性能逐漸提升，但EP填料和EP骨料的摻加大幅度降低了試塊的早期(7 d)耐久性能。其中，EPF30A50和EPF60A100試件的7 d電通量值分別為671和1512 C，與基準(zhǔn)組(Ref.)試塊電通量相比分別提高了469和1310 C；EPF30A50和EPF60A100試塊的氯離子滲透深度分別為7.8和10.6 mm，與基準(zhǔn)組的氯離子滲透深度相比提高了5.6和8.4 mm。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，EP填料的火山灰效應(yīng)以及EP骨料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用促進(jìn)了基體進(jìn)一步水化，使基體結(jié)構(gòu)變得更加致密，從而使得試塊的抗氯離子滲透性能逐漸提高。其中，EPF30A50試塊28 d的電通量值為56 C，氯離子滲透深度為0 mm；EPF60A100試塊28 d的電通量值204 C，氯離子滲透深度為3.8 mm，與EPF30A50相比，EPF60A100試塊的耐久性能略有降低。這主要是因為EP骨料是一種具有“多孔”結(jié)構(gòu)的骨料，EP骨料的大量摻加使得試塊內(nèi)部存在大量的孔道，為氯離子的浸入提供了可能，從而使得EPF60A100試塊耐久性能降低。

2.4 環(huán)境影響評價

EP骨料和EP填料分別替代傳統(tǒng)UHPC中的石英砂和水泥，可以制備出生態(tài)型UHPC。摻加鋼纖維對碳排放量有一定的影響，本文所制備的生態(tài)型UHPC所用到各原材料的單位CO2排放量以及總的CO2排放量分別如表3和表4所示。選用摻加鋼纖維的組別與其他學(xué)者所制備的生態(tài)型UHPC中CO2排放量進(jìn)行對比來評價其對環(huán)境的影響，此外還對比評價了28 d抗壓強(qiáng)度，如圖6所示。

表3 生態(tài)型UHPC的GWP值

表4 生態(tài)型UHPC碳排放計算 kg/m3

由表4可知，基準(zhǔn)組試塊的碳排放值為706.1 kg/m3，隨著EP填料和EP骨料的摻加，所制備試塊(EPF30A50+)的碳排放量為575.8 kg/m3，與基準(zhǔn)組(Ref.+)試塊的碳排放量相比下降了18.5%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，所制備試塊的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到161.8 MPa，與基準(zhǔn)組(180.4 MPa)相比下降了10.3%。因此，本文所制備的生態(tài)型UHPC兼具超高的抗壓強(qiáng)度和較低的碳排放量。由圖6可知，本研究所制備的生態(tài)型UHPC(EPF30A50+)較其他學(xué)者的[12-17]更具有優(yōu)勢，具體來說，28 d抗壓強(qiáng)度高于本課題所制備的EPF30A50+試塊的分別是HABEL等[13]制備的UHPC(28 d抗壓強(qiáng)度175 MPa)以及MAKITA等[17]所制備的UHPC(28 d抗壓強(qiáng)度222 MPa)，但其碳排放量均高于1200 kg/m3，這意味著本研究EPF30A50+與其他學(xué)者的相比，在保持較高力學(xué)性能的同時對環(huán)境具有較低的影響。

3 結(jié)論

1) 在流動度保持不變的情況下，EP填料和EP骨料摻入會增加體系的需水量，這與EP自身多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)；

2) EP填料和EP骨料摻入會顯著降低UHPC的早期力學(xué)性能和耐久性能，這主要與EP填料的稀釋效應(yīng)和EP骨料自身低強(qiáng)度有關(guān)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，摻加30%的EP填料和50%EP骨料制備的生態(tài)型UHPC表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，當(dāng)EP填料和EP骨料摻量分別為60%和100%時，UHPC的力學(xué)性能和耐久性能明顯降低；

3) 對于摻有鋼纖維的組別而言，當(dāng)EP填料和EP骨料摻量分別為30%和50%時，能夠制備出流動度為180 mm，28 d抗壓強(qiáng)度為161.8 MPa，抗折強(qiáng)度為38.1 MPa，碳排放量為575.8 kg/m3的生態(tài)型UHPC。因此，EPF30A50+配比作為EP基生態(tài)型UHPC的制備以及工程應(yīng)用最為合適。