骨料級配對超高性能混凝土強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

商曉陽，劉潤清，李永華，鮑恩達(dá)

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)以其強(qiáng)度高、服役年限長等特性，近年來已在鐵道、橋梁、水電站等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-7]。其配置原理為通過降低水膠比、剔除粗骨料、優(yōu)化細(xì)骨料級配并摻入高活性組分等多種方式完善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以提升力學(xué)與耐久性能[8]。

砂作為混凝土組分之一，已被證實(shí)與混凝土工作性、耐久性及力學(xué)性能有密不可分的聯(lián)系[9-11]。與制備普通混凝土所用的河砂、機(jī)制砂不同的是，石英砂通常被用作制備UHPC的細(xì)骨料，其具有顆粒圓潤、硬度較高且雜質(zhì)較少等優(yōu)點(diǎn)，但因其價(jià)格相對昂貴，所以目前對UHPC骨料的研究主要集中于尋求成本相對低廉的替代骨料制備UHPC并研究其性能[12-14]。已有研究表明，骨料級配同樣對UHPC各項(xiàng)性能有顯著影響：姚瑤[15]選用≤0.16mm、0.16～0.315mm、0.315～0.63mm三種粒級石英砂，以逐級填充的方式，確定了石英砂致密堆積時(shí)各粒級石英砂的比例，發(fā)現(xiàn)UHPC抗壓強(qiáng)度與石英砂堆積密度變化趨勢相同。李金臻[16]以細(xì)度模數(shù)為指標(biāo)發(fā)現(xiàn)石英砂級配對UHPC工作性、強(qiáng)度與干縮都會造成影響，石英砂細(xì)度模數(shù)越大，UHPC拌合物流動(dòng)度越好，成型后的強(qiáng)度越高，干燥收縮值越小。張榮華等[17]認(rèn)為利用致密堆積的骨料與基于Dinger-Funk方程設(shè)計(jì)得到的膠凝材料配比，再選用合適的砂膠比，可制備出力學(xué)性能更優(yōu)越的UHPC。

綜上，目前關(guān)于骨料級配的研究主要探討其對UHPC一般性能的影響，而對UHPC孔結(jié)構(gòu)的影響未作深入研究。因此，本文采用三種不同粒級的細(xì)骨料，以人工調(diào)配的方式，設(shè)計(jì)出制備UHPC常用的0.16～0.63mm、0.16～1.25mm兩種粒徑區(qū)間的細(xì)骨料，并通過調(diào)整摻配比例的方式，使兩種粒徑區(qū)間的細(xì)骨料致密化，研究骨料級配對骨料堆積密度及所配制的UHPC強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并采用熱力學(xué)分形模型對不同骨料級配下的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，建立宏觀抗壓強(qiáng)度與微觀孔結(jié)構(gòu)關(guān)系模型。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5級普通硅酸鹽水泥，沈陽冀東水泥有限公司；硅灰：鞏義市元亨凈水材料廠；礦渣粉：S95級礦渣粉，鞏義市元亨凈水材料廠；石英砂：鄭州卓凡環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的三種不同粒級石英砂，SiO2含量大于99.3%，粒徑區(qū)間分別為0.315～1.25mm、0.315～0.63mm、0.16～0.63mm；外加劑：西卡牌540P型號粉狀聚羧酸高效減水劑，上海臣啟化工科技有限公司；水：飲用水。

水泥、硅灰及礦渣粉化學(xué)成分見表1所示。

表1 水泥、硅灰和礦渣粉化學(xué)成分表 wt%

石英砂篩分情況見表2所示。

表2 石英砂累計(jì)篩余百分率 wt%

1.2 成型及養(yǎng)護(hù)方式

先將稱量好的減水劑溶解于水中配制成溶液，將水泥等膠凝材料按照配合比稱量后倒入攪拌鍋干攪1min，加入石英砂繼續(xù)干攪30s，然后將減水劑溶液緩慢倒入攪拌鍋，慢攪3min，再快攪3min，采用40mm×40mm×160mm三聯(lián)模具裝料，振搗臺振搗120s成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度為20℃±2℃，相對濕度≥95%RH)中覆膜養(yǎng)護(hù)，成型后拆模，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至7d和28d齡期待測。

1.3 骨料級配與配合比設(shè)計(jì)

UHPC通常采用0.16～0.63mm或0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料，因此采用人工調(diào)配的方式，選用細(xì)砂與特細(xì)砂進(jìn)行混合配制成0.16～0.63mm連續(xù)級配石英砂；中砂與特細(xì)砂進(jìn)行混合配制成0.16～1.25mm連續(xù)級配石英砂。對于每種摻配方式，選擇特細(xì)砂的摻量為20%、40%、60%、80%四種水平，以研究不同粒徑區(qū)間的石英砂所能達(dá)到的最大堆積密度。UHPC配合比見表3所示。

表3 UHPC配合比 kg·m-3

1.4 測試及表征方法

1.4.1 骨料堆積密度測試方法

骨料堆積密度按照GB/T 14684—2011《建筑用砂》進(jìn)行測定。

1.4.2 抗壓強(qiáng)度測試方法

抗壓強(qiáng)度測試按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行。

1.4.3 孔結(jié)構(gòu)測試及表征方法

對試塊中間部位進(jìn)行破碎處理，選取部分破碎試樣，烘干至恒重，利用上海將來實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的AutoPore IV9500型全自動(dòng)壓汞儀進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測定。

分形維數(shù)是表述物體復(fù)雜程度的參數(shù)，其數(shù)值越大，表明形體越復(fù)雜。為進(jìn)一步表征不同級配下UHPC孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，建立UHPC微觀孔結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)抗壓強(qiáng)度之間的聯(lián)系，基于熱力學(xué)分形模型計(jì)算得到不同骨料級配下UHPC的孔體積分形維數(shù)[18-19]，其公式為

(1)

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 骨料級配對堆積密度的影響

對于不同摻配方式，特細(xì)砂摻量對骨料堆積密度的影響如圖1所示。

圖1 特細(xì)砂摻量對骨料堆積密度的影響

由圖1可知，隨著特細(xì)砂摻量增大，兩種連續(xù)級配骨料的堆積密度都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，并且在特細(xì)砂摻量為40%時(shí)，兩種粒徑區(qū)間的骨料均形成致密堆積，此時(shí)0.16～0.63mm連續(xù)級配骨料堆積密度為1537.25kg/m3；而0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料堆積密度為1624.58kg/m3。這說明采用0.16～1.25mm連續(xù)級配石英砂可得到更高的骨料堆積密度。此后，當(dāng)特細(xì)砂摻量增加至80%，0.16～1.25mm骨料堆積密度下降至1559.13kg/m3；0.16～0.63mm骨料堆積密度下降至1528.60kg/m3。分析其原因，可能是形成致密堆積后，骨料間空隙小于摻入顆粒粒徑，使得之后摻入的細(xì)顆粒無法填充到空隙中去，反而產(chǎn)生粒子干涉效應(yīng)[20-21]，破壞致密堆積結(jié)構(gòu)，致使骨料堆積密度下降。

2.2 骨料級配對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

將不同級配的骨料按照同一配合比配制UHPC，養(yǎng)護(hù)成型后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。骨料級配對UHPC不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響見圖2所示。

圖2 骨料級配對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，0.16～0.63mm連續(xù)級配骨料制備的UHPC，7d最高抗壓強(qiáng)度為87.2MPa，28d最高抗壓強(qiáng)度為113.8MPa；0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料制備的UHPC，7d最高抗壓強(qiáng)度為92.4MPa，28d最高抗壓強(qiáng)度為116.8MPa，相比0.16～0.63mm骨料制備的UHPC同齡期抗壓強(qiáng)度分別提升5.96%與2.64%。這說明采用0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料制備出的UHPC具有更優(yōu)異的力學(xué)性能表現(xiàn)，此外，對于兩種粒徑區(qū)間骨料制備的UHPC，其7d與28d的抗壓強(qiáng)度都隨特細(xì)砂摻量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這與骨料堆積密度隨特細(xì)砂摻量的變化趨勢基本一致，說明采用堆積密度較高的骨料可提升UHPC強(qiáng)度。

2.3 骨料級配對UHPC孔結(jié)構(gòu)的影響

為探究骨料級配對UHPC微觀孔結(jié)構(gòu)的影響，將養(yǎng)護(hù)齡期為28d的不同級配的試塊破碎、烘干后進(jìn)行壓汞測試，得到不同級配下UHPC的微觀孔隙率，如圖3所示。依據(jù)吳中偉院士的孔徑劃分法[22]，按孔徑對強(qiáng)度的影響程度，將孔隙分為四大類，即無害孔(<20nm)、少害孔(20～100nm)、有害孔(100～200nm)與多害孔(>200nm)，得到不同級配下UHPC的孔徑分布情況，如表4所示。

圖3 骨料級配對UHPC孔結(jié)構(gòu)的影響

表4 骨料級配對孔徑分布的影響

由圖3與表4可知，對于同一連續(xù)級配區(qū)間骨料制備的UHPC，隨著特細(xì)砂摻量的增加，不僅孔隙率降低，而且有害、多害孔所占比例減小，少害、無害孔占比增大，這說明孔結(jié)構(gòu)得到了改善；但特細(xì)砂摻量過大，反而會導(dǎo)致孔隙率升高，有害孔與多害孔比例增大，劣化孔結(jié)構(gòu)。對比兩種連續(xù)級配區(qū)間制備的UHPC孔徑分布情況，發(fā)現(xiàn)與采用0.16～0.63mm連續(xù)級配骨料制備的UHPC相比，0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料制備的UHPC，其孔隙率與有害、多害孔比例較低，這說明良好的骨料級配可降低UHPC的微觀孔隙率，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出宏觀力學(xué)性能的優(yōu)異性。

2.4 孔結(jié)構(gòu)表征

表5為不同級配下UHPC的孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與相關(guān)系數(shù)。由表5可知，各樣品的R2均大于0.99，說明UHPC孔結(jié)構(gòu)的分形特征非常明顯；對于同一連續(xù)級配區(qū)間，隨著特細(xì)砂摻量的增加，分形維數(shù)D先增大后減小，即孔結(jié)構(gòu)先趨于復(fù)雜而后規(guī)則化，這與表4中骨料級配對孔徑分布的影響規(guī)律基本一致。

表5 分形維數(shù)與相關(guān)系數(shù)

混凝土常用的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)有孔隙率、孔比表面積、最可幾孔徑、平均孔徑與中值孔徑等?？紫堵手笜悠穬?nèi)部孔隙體積占樣品總體積的百分比，是描述混凝土孔結(jié)構(gòu)中最常用的一項(xiàng)指標(biāo)。圖4為分形維數(shù)與孔隙率的關(guān)系。

圖4 分形維數(shù)與孔隙率的關(guān)系

由圖4可知，分形維數(shù)與孔隙率呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.8437，分形維數(shù)越大，孔隙率越低。這說明較低的孔隙率通常伴隨著更復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)，隨著分形維數(shù)的增大，UHPC內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，大孔隙被細(xì)化為小孔隙，小孔隙被填充密實(shí)，在一定程度上降低了孔隙率。

孔比表面積是描述單位質(zhì)量樣品內(nèi)部所有孔隙的表面積之和。當(dāng)孔隙率一定時(shí)，細(xì)小孔隙越多，孔比表面積越大。圖5為分形維數(shù)與孔比表面積的關(guān)系。

圖5 分形維數(shù)與孔比表面積的關(guān)系

由圖5可知，分形維數(shù)與孔比表面積呈良好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2為0.8926，在分形維數(shù)由2.9154增加至2.9945時(shí)，孔比表面積也隨之同比增長約72.04%。這說明孔比表面積的大小可通過分形維數(shù)進(jìn)行表征，分形維數(shù)的值越大，表明孔隙中細(xì)小孔隙所占比例提高，則孔比表面積隨之增大，孔結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性進(jìn)一步加強(qiáng)。

最可幾孔徑是指孔結(jié)構(gòu)中分布最多或出現(xiàn)概率最大的孔徑。圖6為分形維數(shù)與最可幾孔徑的關(guān)系。

圖6 分形維數(shù)與最可幾孔徑的關(guān)系

由圖6可知，分形維數(shù)與最可幾孔徑呈良好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.8685，隨著分形維數(shù)的增大，最可幾孔徑逐漸減小，說明更為細(xì)小的孔隙在結(jié)構(gòu)中分布比重更大或出現(xiàn)概率更高，側(cè)面反映了孔結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜的變化趨勢。

平均孔徑是表征孔徑平均大小的參數(shù)。圖7為分形維數(shù)與平均孔徑的關(guān)系。

圖7 分形維數(shù)與平均孔徑的關(guān)系

由圖7可知，分形維數(shù)與平均孔徑呈良好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.8383，隨著分形維數(shù)的增大，平均孔徑呈逐漸下降趨勢，即孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加時(shí)，大孔徑孔隙所占比例降低，從而在一定程度上降低了平均孔徑，孔隙細(xì)化，孔結(jié)構(gòu)得到改善。

中值孔徑表示累計(jì)孔體積為總計(jì)孔體積50%時(shí)所對應(yīng)的孔徑。圖8為分形維數(shù)與中值孔徑的關(guān)系。

圖8 分形維數(shù)與中值孔徑的關(guān)系

由圖8可知，分形維數(shù)與中值孔徑呈良好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.7786，中值孔徑隨分形維數(shù)的增大逐漸降低，這和分形維數(shù)與最可幾孔徑、平均孔徑等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)表現(xiàn)出的關(guān)系基本一致。分形維數(shù)增大時(shí)，中值孔徑減小，細(xì)小孔隙比例增大，孔結(jié)構(gòu)愈加不規(guī)則。對比分形維數(shù)與各項(xiàng)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與孔比表面積相關(guān)程度最高，與中值孔徑相關(guān)程度最低；分析其原因，可能是由于孔結(jié)構(gòu)中每一個(gè)孔徑的變化都會對孔比表面積造成影響，而中值孔徑只能粗略描述總計(jì)孔體積50%時(shí)所對應(yīng)的孔徑值，對孔徑變化的敏感性稍弱，因此相關(guān)系數(shù)略低。

綜上，分形維數(shù)作為一項(xiàng)綜合指標(biāo)，可較好地表征孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，因此可采用分形維數(shù)建立UHPC微觀孔結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)抗壓強(qiáng)度的聯(lián)系。圖9為分形維數(shù)與UHPC 28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖。

圖9 分形維數(shù)與UHPC 28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖9可知，分形維數(shù)與抗壓強(qiáng)度呈良好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.8854。根據(jù)擬合關(guān)系式y(tǒng)=80.4257x-125.2424，UHPC抗壓強(qiáng)度隨分形維數(shù)的增大而增大，即孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，抗壓強(qiáng)度越高。

3 結(jié)論

針對兩種粒徑區(qū)間的骨料，研究了骨料級配對骨料堆積密度、UHPC抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響，得出結(jié)論如下。

(1)0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料相較于0.16～0.63mm連續(xù)級配骨料，在形成致密堆積時(shí)擁有更高的堆積密度。

(2)相比于0.16～0.63mm連續(xù)級配骨料，采用0.16～1.25mm連續(xù)級配骨料制備的UHPC抗壓強(qiáng)度更高，對于同一連續(xù)級配區(qū)間制備的UHPC，其抗壓強(qiáng)度與骨料堆積密度變化規(guī)律基本一致。

(3)良好的骨料級配可降低UHPC的微觀孔隙率，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出宏觀力學(xué)性能的優(yōu)異性。

(4)UHPC孔結(jié)構(gòu)具有明顯的分形特征，孔結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)都可用孔體積分形維數(shù)很好地表征，相關(guān)系數(shù)均大于0.77，可作為評價(jià)孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的參數(shù)，分形維數(shù)隨孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜化而逐漸增大，且分形維數(shù)與UHPC抗壓強(qiáng)度呈良好的正相關(guān)關(guān)系，孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高，抗壓強(qiáng)度越大。