基于最緊密堆積密度下白云石砂在UHPC 中的應(yīng)用研究

胡 泊，揭曉東,郭 遠(yuǎn)

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

1 研究背景

混凝土作為世界范圍內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)需求量最大的材料，在其近百年來大范圍的使用過程中，普通混凝土（C15～C60）相對于鋼鐵、木材、高分子材料等建筑材料具有原材料來源廣泛、制備工藝簡單、損耗率低等優(yōu)點(diǎn)，由于其本身存在的諸多如剛度小、耐久性較差、自重大等問題，且其主要原材料水泥，生產(chǎn)過程中對不可再生資源：礦山、煤炭的大量消耗，同時(shí)排放大量的CO2。更高強(qiáng)度，高耐久性的混凝土在工程中實(shí)際應(yīng)用可以有效減少結(jié)構(gòu)體積，降低構(gòu)件自重，提高結(jié)構(gòu)壽命，UHPC 的概念正是在這一背景下1994 年由Larrard 提出［1］,UHPC 相對于普通混凝土在耐久性能、力學(xué)性能方面有著顯著的優(yōu)勢，也可以作為工程維護(hù)與加固的修補(bǔ)材料，目前在部分工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。

目前UHPC 的配合比設(shè)計(jì)理論依據(jù)主要來源于丹麥波特蘭水泥混凝土試驗(yàn)室的Bache 提出的DSP 材料概念，即高致密水泥基均勻體系材料，（Densitified system containing homogeneously arranged ultrafine particles,DSP）［2-3］，目前通用性較強(qiáng)的UHPC配合比主要使用水泥、粉煤灰、硅灰等膠凝材料，以及石英砂作為骨料，引入高性能聚羧酸減水劑以滿足0.2 以內(nèi)的水膠比要求，同時(shí)加入一定體積的鋼纖維以解決傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度越高脆性越大的問題。UHPC 目前單體材料使用量最大的是石英砂，但石英砂對人體危害也是較大的，石英砂微粉可懸浮于空氣中，作業(yè)人員長期吸入含石英砂的粉塵會罹患硅肺病，且用于UHPC 的石英砂售價(jià)在650 元/噸以上。尋找一種能夠替代石英砂以用于UHPC 的材料對于降低UHPC 的高制造成本以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的作業(yè)工人都是有積極意義的。

江西高安礦產(chǎn)資源豐富，以高嶺土、石灰?guī)r、白云巖為主，其中白云巖主要的礦物組成部分為白云石，其主要化學(xué)成分為CaMg（CO3）2，晶體屬三方晶系的碳酸鹽礦物，晶體結(jié)構(gòu)與方解石類似，晶形為菱面體，高安所產(chǎn)白云石，方解石含量在5%以內(nèi)，純度較高。

白云石可以作為煉鋼時(shí)用的轉(zhuǎn)化爐的耐火內(nèi)層、造渣劑、水泥原料、玻璃熔劑、窯業(yè)、肥料、建筑與裝飾用石材、油漆、殺蟲劑與醫(yī)藥等各種用途。可用于建材、陶瓷、玻璃和耐火材料、化工以及農(nóng)業(yè)、環(huán)保、節(jié)能等領(lǐng)域［4］。因其本身有完善的工業(yè)使用途徑，已經(jīng)形成了完善的加工產(chǎn)業(yè)鏈，白云石系列產(chǎn)品涵蓋從10 目至80 目的白云石砂到140 目至1600 目的超細(xì)粉，有較好的顆粒梯度分布的成熟產(chǎn)品線，從UHPC 的材料密實(shí)堆積基理來說，白云石砂通過合理的配比達(dá)到密實(shí)堆積后，有應(yīng)用于UHPC 的理論基礎(chǔ)，且白云石砂市場售價(jià)約550 元/噸，按UHPC 中砂常規(guī)用量1～1.1 噸/立方米計(jì)算，約有110 元左右的單方差價(jià)。

2.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥

本試驗(yàn)采用江西萬年青股份有限公司生產(chǎn)的萬年青牌P.O52.5 水泥，其主要成分和物理性能見表1 和表2。

表1 水泥化學(xué)成分 %

表2 物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰

試驗(yàn)用粉煤灰為湖北某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，其主要指標(biāo)與測試結(jié)果見表3

表3 粉煤灰主要指標(biāo)與測試結(jié)果

（3）硅灰

試驗(yàn)采用江西上高某公司生產(chǎn)的硅灰其主要指標(biāo)：比表面積為1700m2/kg，表觀密度為2180kg/m3。

（4）石英砂

試驗(yàn)采用江西宜春某公司生產(chǎn)的40 目到70 目的三級配石英砂。

（5）減水劑

因UHPC 含粉量高且水膠比低，常規(guī)減水劑難以滿足配合比所需，且聚羧酸天然的引氣效果在高粘度的UHPC 拌合物中難以排出，故使用了江西迪特科技有限公司生產(chǎn)的UHPC 專用高性能減水劑，其通過醚酯共聚的合成工藝和針對性的加入聚醚改性有機(jī)硅消泡劑使得其在滿足UHPC 拌合物工作性能的同時(shí)有效降低含氣量。含固量為22%，摻量1.2%時(shí)減水率為34%。

（6）鋼纖維

試驗(yàn)采用贛州大業(yè)金屬纖維公司生產(chǎn)的鍍銅平直型鋼纖維，其主要指標(biāo)見表4

表4 鋼纖維主要指標(biāo)及型貌

2.2 試驗(yàn)方案

因白云石砂本身硬度較低，壓碎值指標(biāo)較高，所以國內(nèi)學(xué)者對白云石砂在UHPC 中的應(yīng)用研究基本還處于空白階段，但考慮到白云石砂有完善的產(chǎn)業(yè)鏈，有豐富的連續(xù)級配產(chǎn)品，可供UHPC 基體填充的級配區(qū)間選擇性較多，故本文通過UHPC常用的三級配石英砂曲線，通過EMMA 砂石堆積計(jì)算軟件初步擬合出相近的白云石砂二級配及三級配的配合比。

白云石砂的篩分析試驗(yàn)依據(jù)JGJ 52-2006 《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中6.1 砂的篩分析試驗(yàn)方法，白云石砂的顆粒級配如下表5 所示。

表5 白云石砂顆粒級配

根據(jù)白云石砂的顆粒級配分布情況通過EMMA 軟件擬合出的堆積密度最大的摻配比例為40 目：60 目為0.9:1.1;40 目：60 目：80 目為0.8：0.9 :1.1。為驗(yàn)證軟件擬合數(shù)據(jù)，通過堆積密度試驗(yàn)來優(yōu)選出實(shí)際的最佳堆積密度的白云石砂配比，白云石砂的不同摻配比例詳見表6。

表6 白云石砂摻配比例

不同配比下的白云石砂堆積密度詳見圖1。

圖1 不同配比下的白云石砂堆積密度

由圖1 所示，白云石砂在40 目、60 目、80 目以0.8:1.5:0.7的摻配比例下堆積密度為最大，為盡可能減少其他組分對于UHPC 密實(shí)結(jié)構(gòu)的影響，通過在試驗(yàn)編號為9 號的摻配比例下達(dá)到了密實(shí)堆積的白云石砂作為變量，與基準(zhǔn)石英砂UHPC 進(jìn)行對比試驗(yàn)，同時(shí)我們挑選了試驗(yàn)編號為2、7 的兩組堆積密度最小的配比，作為對比試驗(yàn)試以驗(yàn)證白云石砂密實(shí)堆積程度對UHPC 力學(xué)性能的影響，配比如下表7 所示。

表7 UHPC 配合比 kg/m3

依據(jù)表7 配合比稱取材料后使用強(qiáng)力攪拌機(jī)攪拌后成型試件，成型后按T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法 》中5.2.4 條要求，立即在試模表面覆蓋塑料薄膜，靜置24h 后脫模，將脫模后的實(shí)際放入蒸養(yǎng)箱，以不超過15℃/h 的速率升溫至90℃±1℃，恒溫48h 后以不大于15℃/h 的速率降溫至20℃±5℃。

3 結(jié)果與分析

力學(xué)性能試驗(yàn)方法依據(jù)T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法 》5.4 條與GBT 50081-2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,試驗(yàn)結(jié)果如下表8所示。

表8 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表8 與圖2 可知，通過EMMA 軟件擬合計(jì)算、密實(shí)堆積試驗(yàn)得出了最佳摻配比例的白云石砂替代石英砂在UHPC 中，抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)樣，抗折強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)樣。根據(jù)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法 》中4.3 與4.4 條，其石英砂樣與白云石砂樣抗拉性能符合UT07 等級要求，抗壓性能符合UC150 等級要求。而B 與C 兩組試驗(yàn)所用白云石砂配比密實(shí)程度較差，其抗壓、抗折與抗拉強(qiáng)度均有不同程度明顯下降，這也說明骨料是否最緊密堆積對其配置UHPC 的力學(xué)性能的有著直接的影響。雖然白云石砂的摩氏硬度只有3.5～4左右，且壓碎值較高，但其通過軟件擬合的良好顆粒分布可充分發(fā)揮填充效應(yīng)，對UHPC 整體強(qiáng)度影響微乎其微，在UHPC的整體強(qiáng)度中，抗壓強(qiáng)度主要靠細(xì)顆粒與水泥石晶體的范德華力產(chǎn)生，而鋼纖維的加入使得UHPC 高強(qiáng)帶來的脆性問題得以解決，使得UHPC 由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性材料，從而大大提高其抗折、抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)論

密實(shí)堆積的白云石砂用于UHPC 基本可保持石英砂同等的力學(xué)性能，在性能基本一致的前提下，其材料較低的成本則可為UHPC 降低約105 元左右的單方成本，經(jīng)濟(jì)效益頗為可觀，且在UHPC 應(yīng)用推廣中，高昂的材料成本也一定程度上制約了UHPC 的大規(guī)模應(yīng)用，主要材料的廉價(jià)替代物對UHPC 的應(yīng)用推廣有一定的價(jià)值?？紤]到白云石材料本身的低硬度與高壓碎值，有待于對白云石砂制UHPC 的長期性能和耐久性能做進(jìn)一步的深入研究，目前其用于非結(jié)構(gòu)部位及裝飾用途是較為穩(wěn)妥的選擇。