原材料對超高性能混凝土性能影響研究綜述

姚耀

（上海浦興路橋建設(shè)工程有限公司，上海市201210）

0　引言

作為一種以毫米級顆粒（骨料）、微米級顆粒（水泥、粉煤灰、礦粉）填充料和纖維為原材料的特殊混凝土—超高性能混凝土（英文簡稱UH PC），既具有超高的抗壓強度（抗壓強度超過150 MPa），突出的斷裂、韌性、耐磨、抗腐蝕、抗?jié)B透等性能，又展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。然而，UH PC諸項指標(biāo)之所以能遠(yuǎn)超常規(guī)混凝土，離不開骨料、水泥、粉煤灰、礦粉等原材料的貢獻(xiàn)作用，這也使得原材料研究已成為該領(lǐng)域科研人員關(guān)注的重要方向。

近年來，國內(nèi)關(guān)于UH PC原材料的研究成果較多，但缺少系統(tǒng)性地梳理與分析。為此，本文從骨料、水泥、碳酸鈣和纖維等幾種原材料出發(fā)，較為全面和系統(tǒng)地梳理與分析國內(nèi)關(guān)于原材料對UH PC性能影響的研究成果，以為該技術(shù)的研究、開發(fā)與推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1　骨料

一般采用堅硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的石英砂作為UH PC的骨料，然而近年來出于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性考慮，相關(guān)研究著重于用河砂、礦渣、黃砂等部分取代或全部取代石英砂用作UH PC的骨料。

1.1　河砂骨料

用細(xì)河砂取代石英砂，以水泥、硅灰、超細(xì)粉煤灰和鋼渣粉為膠凝材料，同時摻入鋼纖維，經(jīng)90℃熱水養(yǎng)護(hù)制備UH PC的抗壓強度可以達(dá)到152 MPa[1]；用河砂作為骨料，用水泥、硅灰和礦粉做膠凝材料，經(jīng)飽和氫氧化鈣溶液養(yǎng)護(hù)后的混凝土可以達(dá)到UH PC性能要求[2]。

1.2　礦渣骨料

用礦渣取代50%的石英粉，摻入鋼纖維，采用最大粒徑為600 μm的石英砂，經(jīng)60℃熱養(yǎng)護(hù)3d制備的UH PC，其抗壓強度高達(dá)160 MPa[3]；用鐵礦尾砂取代石英砂且經(jīng)95℃熱水養(yǎng)護(hù)后制備的UH PC，其抗壓強度達(dá)到了155.3 MPa[4]；當(dāng)用鐵礦石殘渣作為骨料的摻量不超過40%時，標(biāo)養(yǎng)90d后混凝土試件的強度和不摻鐵礦石的UH PC試件強度相當(dāng)[5]。

1.3　黃砂骨料

用天然黃砂作為骨料，以復(fù)合超細(xì)輔助性膠凝材料、水泥和硅灰為凝膠材料，采用三種養(yǎng)護(hù)制度（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)）制備混凝土的抗壓強度超過200 MPa[6]，遠(yuǎn)超過UH PC定義要求的抗壓強度，即不小于150 MPa。

2　水泥與礦粉

2.1　水泥

2.2　礦粉

將納米級 CaCO3、Si O2、Ti O2、Al2O3等材料引入UH PC可大幅度改善其相關(guān)性能。用水化熱分析、XRD、MIP和納米壓痕等多種微觀分析測試手段對引入納米Si O2和納米CaCO3的UH PC水化進(jìn)程及微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[9]，研究結(jié)果表明這兩種納米材料在UH PC中發(fā)揮了填充增強和晶核的功能，可進(jìn)一步提升其各項力學(xué)性能。采用靜、動態(tài)壓縮和劈裂測試的試驗結(jié)果表明，引入 CaCO3、Si O2、Ti O2、Al2O3等不同種類和含量的納米材料后，UH PC的動態(tài)強度隨著應(yīng)變率的增大而增強（UH PC為應(yīng)變率敏感性材料），納米材料種類對UH PC動態(tài)強度的影響不明顯，但對其動態(tài)增長因子影響比較顯著，納米材料含量對其動態(tài)強度和動態(tài)增長因子影響明顯，適宜的摻量能夠更有效地改善UH PC的動態(tài)力學(xué)性能[10]。

3　纖維

纖維成分、類型、摻量、組合方式及分布方式等都對UH PC的性能有著不同程度的改善效果。

3.1　普通鋼纖維

通過研究鋼纖維體積摻量與UH PC抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維體積摻量的增加，UH PC的各項指標(biāo)均都有不同程度的提高，劈裂抗拉強度在鋼纖維體積摻量為1.0%～1.5%時增長最快，抗折強度在鋼纖維體積摻量為1.0%～2.5%時增長最快[11]；還有研究發(fā)現(xiàn)大長徑比鋼纖維對UH PC動態(tài)強度增強效果更好，不同鋼纖維摻量對UH PC的動態(tài)抗壓性能影響顯著，但對其動態(tài)增長因子影響較小[12]。

3.2　異型鋼纖維

通過測試摻異形鋼纖維的UH PC的直接拉伸性能和彎曲韌性，并觀測鋼纖維的拔出通道和拔斷截面[13]，發(fā)現(xiàn)異型鋼纖維對UH PC有著較好的增強增韌效果，且對應(yīng)試件的直接拉伸強度、斷裂能及裂后承載力均有大幅提高；異型鋼纖維摻量越大，對直接拉伸強度、斷裂能及裂后承載力提高的幅度越顯著；與隨機分布相比，沿拉應(yīng)力方向有序分布異形鋼纖維更有利于UH PC的增強增韌；在相同摻量下，波紋型鋼纖維比端鉤型鋼纖維的增強增韌效果更佳，其拔出通道更加曲折，還存在被拉直的現(xiàn)象。

3.3　鋼纖維與合成纖維

采用三點彎曲梁的斷裂試驗測定長鋼纖維、短鋼纖維、粗合成纖維及聚乙烯醇纖維等四種纖維和不同摻量下各UH PC試件[14]。測試結(jié)果表明：在小變形時，UH PC韌性取決于鋼纖維的摻率；粗合成纖維主要在中等變形和大變形階段發(fā)揮其增韌效用。纖維種類和摻量對UH PC工作性和彎拉性能影響的研究結(jié)果表明，UH PC的抗壓強度隨聚乙烯醇纖維的摻量增大而顯著降低，鋼纖維和聚乙烯醇纖維均能改善UH PC的彎拉性能，鋼纖維與聚乙烯醇纖維在改善UH PC彎拉性能上具有良好的協(xié)同效應(yīng)[15]。

3.4　改性鋼纖維

研究不同質(zhì)量摻量下磷酸鋅（ZnPh）改性及未改性鋼纖維對UH PC單軸拉伸性能的影響。其研究結(jié)果表明，在相同摻量鋼纖維條件下，ZnPh改性鋼纖維UH PC的極限抗拉強度和軸拉韌性比均大于未改性鋼纖維UH PC；ZnPh改性鋼纖維與UH PC基體間更加致密的界面性能、纖維表面更多的水化產(chǎn)物黏附和“溝壑”[16]。

4　結(jié)語

有關(guān)UH PC原材料的研究除了集中于上述幾種材料外，還有關(guān)于輔助性材料的研究，如：減水劑、膨脹劑[17]。通過對相關(guān)研究成果的梳理與分析，可以得出如下總結(jié)：不同種類和用量的骨料、水泥、礦粉和纖維等原材料在UH PC中主要發(fā)揮著改善性能、減少消耗、降低成本的作用。這些研究成果的理論指導(dǎo)價值和意義固然重大，但大多局限于實驗研究，缺乏對應(yīng)的工程應(yīng)用研究與實踐支撐，應(yīng)用于工程后的抗疲勞、耐候性等性能指標(biāo)無法獲取。因此，關(guān)于原材料對UH PC性能影響的大量研究成果仍須經(jīng)后續(xù)工程應(yīng)用試驗的驗證。

參考文獻(xiàn)：