鋼渣微粉生態(tài)型超高性能混凝土力學(xué)性能影響因素分析

唐咸遠(yuǎn)，馬杰靈，羅 杰，何濱冰，陸澄劍

(1.桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，桂林 541004；2.廣西智慧交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004； 3.桂林市永固混凝土有限責(zé)任公司，桂林 541100)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一種具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐久性的新型水泥基復(fù)合材料，在對(duì)混凝土有特殊要求的工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用增勢(shì)較快[1-3]。但UHPC原材料復(fù)雜多樣且配制難度大，導(dǎo)致工程造價(jià)較高，嚴(yán)重影響了其推廣應(yīng)用。近幾年我國(guó)鋼材產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，2021年粗鋼產(chǎn)量超過(guò)10億噸，但目前鋼鐵工業(yè)廢渣(鋼渣)的利用率僅為40%左右[4]。如能將鋼渣經(jīng)過(guò)加工處理后應(yīng)用于研制生態(tài)型超高性能混凝土，可有利于提高工業(yè)廢料的有效利用，變廢為寶，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

為降低超高性能混凝土的制備成本，一些研究者提出將工農(nóng)業(yè)廢渣經(jīng)合理加工后摻入U(xiǎn)HPC[5-8]。在摻加鋼渣粉的UHPC研究方面, 鄒敏等[9]介紹了鋼渣的物化特性和凝膠性能，認(rèn)為摻入適量鋼渣粉可有效改善水泥基材料的性能；祖慶賀等[10]通過(guò)將粒度區(qū)間較粗的鋼渣微粉作為摻合料配制UHPC，研究了鋼渣粗粒度區(qū)間對(duì)UHPC性能的影響；馮元等[11]利用D-最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以低水泥用量、高鋼渣粉利用率制備鋼渣粉UHPC，表明鋼渣粉的加入可增強(qiáng)UHPC的工作性能且隨鋼渣粉摻量的增加抗壓強(qiáng)度存在最優(yōu)值；杜衡[12]利用鋼渣粉替代部分水泥來(lái)制備UHPC，通過(guò)研究其工作性能、力學(xué)性能和微觀構(gòu)造，分析了鋼渣粉替代率和水膠比對(duì)UHPC的影響；本研究團(tuán)隊(duì)[13]通過(guò)開(kāi)展鋼渣微粉替代石英粉配制UHPC的性能影響試驗(yàn)，證明了鋼渣微粉替代石英粉配制UHPC的可行性。目前大多數(shù)研究多考慮鋼渣微粉這一單因素對(duì)UHPC的影響，較少關(guān)注多種不同原材料摻量組合的改變對(duì)鋼渣微粉UHPC力學(xué)性能的共同作用。

本文在改進(jìn)的Andreasen & Andersen模型基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變硅灰、鋼渣微粉、河砂和鋼纖維摻量來(lái)制備UHPC，測(cè)試其主要力學(xué)性能，并在極差分析的基礎(chǔ)上，研究這四種不同原材料摻量變化對(duì)鋼渣微粉UHPC各項(xiàng)性能指標(biāo)的顯著影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：水泥選用袋裝P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；硅灰為SiO2質(zhì)量含量大于93%的灰色粉末硅灰；鋼渣微粉采用干法加工制得，先將鋼渣多次破碎，經(jīng)過(guò)超強(qiáng)磁滾筒磁選后進(jìn)入干磨機(jī)干磨，再向其中加入質(zhì)量18%的II級(jí)粉煤灰再次磨細(xì)得到鋼渣微粉，其游離氧化鈣(f-CaO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)1%。

其他材料：河砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.70；鋼纖維選擇直徑為0.22 mm、長(zhǎng)度為13 mm、抗拉強(qiáng)度為2 500 MPa的平直型鍍銅鋼纖維；減水劑為聚羧酸高效減水劑母液，減水率大于30%；拌和用水為自來(lái)水。

試驗(yàn)主要原材料的基本特性及化學(xué)成分如表1所示。

表1 主要原材料特性及化學(xué)成分Table 1 Main material properties and chemical composition of raw materials

1.2 原材料級(jí)配及微觀分析

天然河砂按建筑用砂進(jìn)行篩分，硅灰、鋼渣微粉、水泥等膠凝材料采用負(fù)壓篩分，級(jí)配篩分曲線如圖1所示。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)硅灰、鋼渣微粉進(jìn)行微觀分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在掃描電子顯微鏡下，硅灰晶體顆粒較小，在制備過(guò)程中加入硅灰可填充大顆粒材料間的孔隙，改善孔隙尺寸分布，對(duì)于混凝土強(qiáng)度的提高有積極作用，同時(shí)還可以降低水化漿體的滲透性。而鋼渣微粉顆粒分布不規(guī)則，沒(méi)有特定的形態(tài)，從圖中可以清晰地看到礦物結(jié)晶晶體，晶體表面較為光滑平整，其RO相(鋼渣微粉中熔有以FeO、MgO為主及MnO等其他二價(jià)的金屬氧化物形成的廣泛固溶體)結(jié)晶程度較好，表明鋼渣微粉的活性較低，不易與水發(fā)生反應(yīng)。

圖1 原材料累計(jì)篩分曲線Fig.1 Cumulative raw material sieving curves

圖2 硅灰、鋼渣微粉的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of silica fume and steel slag power

1.3 基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依據(jù)最緊密堆積理論進(jìn)行基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)，由于在眾多基于最緊密堆積理論的UHPC配合比設(shè)計(jì)模型中，改進(jìn)的Andreasen & Andersen模型(modified andreasen and andersen model， MAAM)具有考慮顆粒粒徑分布的優(yōu)勢(shì)，更為準(zhǔn)確有效[14]，故采用此方法對(duì)鋼渣微粉UHPC的基礎(chǔ)配合比進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：P(D)為顆粒粒徑小于D的累計(jì)篩余百分比，%；D為顆粒粒徑，μm；Dmax、Dmin分布為體系中的最大、最小粒徑，μm；q為粒徑分布模數(shù)，本文q取0.24。

利用python軟件對(duì)式(1)進(jìn)行建模分析，根據(jù)圖1中不同原材料的顆粒分布曲線及MAAM目標(biāo)曲線，采用最小二乘法對(duì)原料配比進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)調(diào)整每種材料比例盡可能讓堆積曲線接近目標(biāo)曲線，算得鋼渣微粉UHPC基礎(chǔ)配合比詳見(jiàn)表2，固定水膠比為0.18，按此基礎(chǔ)配合比制備的鋼渣微粉UHPC 28 d立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到147.5 MPa。

表2 鋼渣微粉UHPC基礎(chǔ)配合比Table 2 Steel slag power UHPC basic mix proportion

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究硅灰(A)、鋼渣微粉(B)、河砂(C)、鋼纖維(D)四種主要原材料因素?fù)搅繉?duì)鋼渣微粉超高性能混凝土力學(xué)性能的影響。每個(gè)因素設(shè)定三個(gè)水平，由于全面試驗(yàn)需要做34=81次試驗(yàn)，故采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)減少試驗(yàn)次數(shù)[15]。將L組作為基礎(chǔ)配合比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行因素水平的增減，根據(jù)L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表共配了9組配合比。因素與水平設(shè)定如表3所示，正交試驗(yàn)方案詳見(jiàn)表4。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factor level table for orthogonal tests

表4 正交試驗(yàn)方案Table 4 Orthogonal test scheme

1.5 制備、養(yǎng)護(hù)及性能測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)根據(jù)配合比計(jì)算各組分材料并將其稱量備用。攪拌時(shí)，首先將所有干粉投入混凝土攪拌機(jī)中攪拌約3 min，隨后將稱量好的水及減水劑均勻加入，攪拌8 min后加入鋼纖維，再攪拌2 min完成UHPC拌合物的制備[16]。

試件在溫度為(20±5) ℃、相對(duì)濕度>50%的室內(nèi)靜置1 d后拆模編號(hào)，隨后立即進(jìn)行(90±5) ℃高溫養(yǎng)護(hù)2 d，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，當(dāng)達(dá)到測(cè)試齡期(7、28 d)時(shí)取出進(jìn)行測(cè)試。立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試采用100 mm×100 mm×100 mm尺寸的試塊，軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量測(cè)試采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，抗折強(qiáng)度測(cè)試采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，試驗(yàn)嚴(yán)格按力學(xué)性能試驗(yàn)要求進(jìn)行測(cè)試[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析

將鋼渣微粉超高性能混凝土試件的主要力學(xué)性能正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果列至表5。分析表5可知，不同配合比鋼渣微粉UHPC 28 d立方體抗壓強(qiáng)度相差較大且較基礎(chǔ)組(L)均有不同程度的降低。其中T3組強(qiáng)度最低，28 d抗壓強(qiáng)度僅為105.8 MPa，相較于基礎(chǔ)組(L)強(qiáng)度下降28.3%；T7組強(qiáng)度下降最小，較基礎(chǔ)組(L)下降4.9%。證明原材料配比對(duì)鋼渣微粉UHPC影響較大，因粒徑不同的原材料無(wú)法達(dá)到內(nèi)部的最大密實(shí)堆積，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度差距較大。

不同配合比鋼渣微粉UHPC 7 d立方體抗壓強(qiáng)度均達(dá)到90.0 MPa以上，28 d立方體抗壓強(qiáng)度均達(dá)到100.0 MPa以上，7、28 d立方體抗壓強(qiáng)度比值穩(wěn)定在0.85～0.90，均值為0.88，可見(jiàn)經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)的鋼渣微粉UHPC能在前期形成較高且穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度，采用鋼渣微粉配制生態(tài)型UHPC是可行的。

鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度均達(dá)到70.0 MPa以上,劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到8.00 MPa以上,抗折強(qiáng)度均達(dá)到11.0 MPa以上，28 d靜力受壓彈性模量均達(dá)到40.0 GPa以上，可見(jiàn)鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度較高，具有較好的抗裂能力和抗折能力，其彈性模量也較高，表明鋼渣微粉UHPC具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

表5 鋼渣微粉UHPC主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Main mechanical properties test results of steel slag powder UHPC

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度分析

立方體抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的主要性能指標(biāo)，表6為四種材料因素對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度影響的極差分析。由表6可知，鋼渣微粉UHPC 7、28 d立方抗壓強(qiáng)度R值大小排序均為：RD>RC>RB>RA,表明各因素對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響程度從主到次依次為：D(鋼纖維)、C(河砂)、B(鋼渣微粉)、A(硅灰)。其中鋼纖維極差(RD)值最大，7、28 d的R值分別為17.5、23.1 MPa，這說(shuō)明鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響顯著。RB、RC值7 d時(shí)分別為11.5、12.3 MPa，28 d時(shí)分別為15.5、15.8 MPa，兩者相差不大，表明河砂和鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響較大且影響程度相當(dāng)。硅灰摻量7、28 d的R值各僅為8.9、8.4 MPa，可見(jiàn)硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響最小。

表6 立方體抗壓強(qiáng)度極差分析Table 6 Analysis of range in cube compressive strength

圖3 因素水平與28 d立方體抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖Fig.3 Trend of factor levels and 28 d cubic compressive strength

為得到立方體抗壓強(qiáng)度隨因素、水平的變化規(guī)律，將因素水平作為橫坐標(biāo)，以28 d立方體抗壓強(qiáng)度平均值ki為縱坐標(biāo)，繪制因素與指標(biāo)的趨勢(shì)圖，如圖3所示。

由圖3可知：鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度隨硅灰、河砂及鋼纖維摻量的增加先增大后減小，說(shuō)明適量增加硅灰、河砂和鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC試塊的抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用；而隨著鋼渣微粉摻量的增加，UHPC試塊28 d立方體抗壓強(qiáng)度明顯下降，表明在原有摻量的基礎(chǔ)上再增加鋼渣微粉反而不利于強(qiáng)度的提升，故不宜添加過(guò)多的鋼渣微粉。鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響最大，摻入1.5%體積摻量的鋼纖維28 d立方體抗壓強(qiáng)度較未摻加鋼纖維提高了21.1%，體積摻量變化率(鋼纖維體積摻量每變化1%，強(qiáng)度改變值與原強(qiáng)度值之比)為14.0%；體積摻量2.0%相較于1.5%抗壓強(qiáng)度降低了11.6%，體積摻量變化率高達(dá)23.3%，抗壓強(qiáng)度變化明顯，影響顯著。

同樣，硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響甚微，硅灰摻量從基礎(chǔ)配合比的90%增加到110%，摻量強(qiáng)度變化率(摻量每變化10%，強(qiáng)度改變值與原強(qiáng)度值之比)僅為3.6%，從110%增加到130%摻量強(qiáng)度變化率僅為1.9%，變化不明顯。河砂和鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響較小，當(dāng)河砂摻量從基礎(chǔ)配合比的90%增加到110%時(shí)，28 d立方體抗壓強(qiáng)度提高了14.1%，摻量強(qiáng)度變化率為7.0%，繼續(xù)摻加河砂，抗壓強(qiáng)度降低且影響變緩，摻量從基礎(chǔ)配合比的110%增加到130%時(shí)，摻量強(qiáng)度變化率為3.5%；鋼渣微粉摻量從基礎(chǔ)配合比的90%增加到130%時(shí)，摻量強(qiáng)度變化率為3.0%。

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度分析

混凝土抗壓強(qiáng)度與試件形狀有關(guān)，采用棱柱體較立方體能更好反映混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗壓能力，將鋼渣微粉UHPC不同因素對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度影響的極差計(jì)算列至表7。分析表7可知，鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度R值的大小排序?yàn)椋篟D>RB>RC>RA,表明各因素對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D(鋼纖維)、B(鋼渣微粉)、C(河砂)、A(硅灰)。其中鋼纖維極差(RD)值最大，達(dá)到28.5 MPa，表明鋼纖維摻量對(duì)UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度影響顯著，與立方體抗壓強(qiáng)度一致。RB值達(dá)到17.9 MPa，可見(jiàn)鋼渣微粉對(duì)UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度影響較大。RC值、RA值較小，分別為14.0、12.5 MPa，表明河砂、硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度影響較小。

表7 軸心抗壓強(qiáng)度極差分析Table 7 Analysis of range in axial compressive strength

為分析四種原材料摻量變化對(duì)鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，將材料摻量作為橫坐標(biāo)，以28 d軸心抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，得出各因素?fù)搅颗c軸心抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖, 如圖4所示。

分析圖4可知，鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度隨硅灰、河砂及鋼纖維摻量的增加先增大后減小，隨鋼渣微粉摻量的增加逐漸降低，這與立方體抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，表明可在鋼渣微粉UHPC中適量增加硅灰、河砂和鋼纖維摻量，適當(dāng)減少鋼渣微粉摻量來(lái)提高抗壓強(qiáng)度。硅灰及河砂摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度影響較小，硅灰摻量從342 kg·m-3增加至418 kg·m-3過(guò)程中，每增加10 kg硅灰，軸心抗壓強(qiáng)度平均增加值僅為1.6 MPa，強(qiáng)度提高甚微，再增加摻量抗壓強(qiáng)度變化不大且略有降低，河砂摻量從684 kg·m-3增加至836 kg·m-3過(guò)程中，軸心抗壓強(qiáng)度逐漸增大，每增加50 kg河砂，軸心抗壓強(qiáng)度平均增加值僅為3.6 MPa，強(qiáng)度提高較小，再增加其摻量強(qiáng)度變化不大反而略有下降。

圖4 各因素?fù)搅颗c軸心抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖Fig.4 Variation trend of axial compressive strength and each factor content

同時(shí)，鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC軸心抗壓強(qiáng)度影響較大，鋼渣微粉摻量從126 kg·m-3增加到182 kg·m-3的過(guò)程中，鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度逐漸下降，強(qiáng)度降低了17.9 MPa,強(qiáng)度下降明顯。鋼纖維對(duì)鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，摻入1.5%體積摻量鋼纖維的試塊28 d軸心抗壓強(qiáng)度相較于未摻加鋼纖維提高了35.6%；體積摻量2.0%相較于1.5%強(qiáng)度降低了22.7%，軸心抗壓強(qiáng)度變化特別顯著。

2.4 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)于抗開(kāi)裂性具有重要意義，鋼渣微粉UHPC抗拉強(qiáng)度采用立方體劈裂抗拉試驗(yàn)測(cè)定，不同因素水平對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響的極差分析見(jiàn)表8。分析表8可知，鋼渣微粉UHPC 28 d劈裂抗拉強(qiáng)度R值的大小排序?yàn)椋篟D>RB>RC>RA,表明各因素對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D(鋼纖維)、B(鋼渣微粉)、C(河砂)、A(硅灰)，與28 d軸心抗壓強(qiáng)度影響因素排序一致。其中鋼纖維極差(RD)值最大，高達(dá)5.90 MPa，表明鋼纖維摻量對(duì)UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響顯著。RB值為4.30 MPa，說(shuō)明鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大。RC、RA值較小，分別為1.80、1.40 MPa，可知河砂、硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小。

表8 劈裂抗拉強(qiáng)度極差分析Table 8 Analysis of range in splitting tensile strength

為分析四種原材料摻量變化對(duì)鋼渣微粉UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，將各因素?fù)搅颗c劈裂抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖繪制如圖5所示。

由圖5可知：鋼渣微粉UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度隨硅灰、鋼纖維摻量的增加先增大后減小，隨鋼渣微粉摻量的增加先減小后增大，隨河砂摻量的增加逐漸增大，可見(jiàn)在鋼渣微粉UHPC中適量增加硅灰、鋼纖維和河砂的摻量，減少鋼渣微粉的摻量可提高劈裂抗拉強(qiáng)度。硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小，摻量從342 kg·m-3增加到418 kg·m-3時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了1.40 MPa，10 kg摻量強(qiáng)度變化率(摻量每變化10 kg，強(qiáng)度改變值與原強(qiáng)度值之比)僅為1.5%，當(dāng)繼續(xù)增加硅灰摻量至494 kg·m-3時(shí)抗壓強(qiáng)度反而下降了0.50 MPa。

鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，摻量從126 kg·m-3增加到154 kg·m-3后，劈裂抗拉強(qiáng)度下降了4.30 MPa，強(qiáng)度下降率為29.5%，10 kg摻量強(qiáng)度變化率達(dá)到10.5%，強(qiáng)度變化明顯。再增加摻量，劈裂抗拉強(qiáng)度有所提升，增加至182 kg·m-3后，劈裂抗拉強(qiáng)度相較于154 kg·m-3提高了2.00 MPa，但相較于126 kg·m-3摻量強(qiáng)度還有所下降。河砂摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小，且隨著河砂摻量的增加劈裂抗拉強(qiáng)度緩慢增大，當(dāng)摻量從684 kg·m-3增加至988 kg·m-3，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了1.80 MPa，100 kg摻量強(qiáng)度變化率(摻量每變化100 kg，強(qiáng)度改變值與原強(qiáng)度值之比)僅為5.1%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高甚微，表明河砂對(duì)UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，但增強(qiáng)效果不明顯。

圖5 各因素?fù)搅颗c劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖Fig.5 Variation trend of splitting tensile strength and each factor content

鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度影響較為顯著，摻加鋼纖維后的UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提升，摻加1.5%體積摻量鋼纖維的UHPC試塊相較于不摻加鋼纖維試塊劈裂抗拉強(qiáng)度提高率高達(dá)67.8%。這說(shuō)明鋼纖維起到了阻礙裂縫發(fā)展的作用，摻加鋼纖維后的鋼渣微粉UHPC具有較好的韌性，在一定程度上改善了UHPC脆性較大的缺點(diǎn)。

2.5 抗折強(qiáng)度分析

抗折強(qiáng)度是混凝土的一項(xiàng)重要力學(xué)性能指標(biāo)，其大小是否滿足設(shè)計(jì)要求將直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量及其使用壽命，將鋼渣微粉UHPC不同因素對(duì)抗折強(qiáng)度影響的極差計(jì)算整理至表9。由表9可知，鋼渣微粉UHPC 28 d抗折強(qiáng)度R值的大小排序?yàn)椋篟D>RC>RB>RA,表明各因素對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D(鋼纖維)、C(河砂)、B(鋼渣微粉)、A(硅灰)。其中鋼纖維的極差(RD)值最大,達(dá)到4.4 MPa，這說(shuō)明鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度影響顯著。河砂和鋼渣微粉摻量的影響程度次之且較大，極差值分別為3.6、2.7 MPa，硅灰摻量對(duì)UHPC的抗折強(qiáng)度影響甚微，極差(RA)值僅為0.9 MPa。

為分析四種原材料摻量變化對(duì)鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，將各因素?fù)搅颗c抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖繪制如圖6所示。

對(duì)比圖6可以看出,鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度隨硅灰、河砂、鋼纖維摻量的增加先增大后減小，隨鋼渣微粉摻量的增加先減小后增大。表明可在鋼渣微粉UHPC中適量增加硅灰、河砂和鋼纖維摻量、適當(dāng)減少鋼渣微粉摻量來(lái)提高抗折強(qiáng)度。硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度影響甚微，摻量從342 kg·m-3增加到418 kg·m-3時(shí)，抗折強(qiáng)度僅提高了6.1%，再繼續(xù)增加摻量至494 kg·m-3后，抗折強(qiáng)度略有降低，強(qiáng)度下降率僅為3.8%。

表9 抗折強(qiáng)度極差分析Table 9 Analysis of range in flexural strength

圖6 各因素?fù)搅颗c抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖Fig.6 Variation trend of flexural strength and each factor content

同時(shí)，鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度影響較小，摻量從126 kg·m-3增加到154 kg·m-3后，抗折強(qiáng)度降低了2.7 MPa，再增加摻量抗折強(qiáng)度略有提升，但變化不明顯。河砂摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度影響較大，摻量從684 kg·m-3增加至836 kg·m-3后抗折強(qiáng)度提高了26.8%,再增加摻量抗折強(qiáng)度反而下降，當(dāng)繼續(xù)增加摻量到988 kg·m-3時(shí)，抗折強(qiáng)度下降了12.9%，強(qiáng)度變化較明顯。鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度影響明顯，鋼纖維體積摻量為1.5%時(shí)抗折強(qiáng)度最大，相較于不摻加鋼纖維及體積摻量為2%時(shí)強(qiáng)度分別提高了33.3%、22.2%?？梢?jiàn)鋼纖維在鋼渣微粉UHPC中發(fā)揮了良好的橋接作用，能有效阻止試塊的突然斷裂，使得試塊破壞后仍然具有一定的抗折強(qiáng)度，在一定程度上彌補(bǔ)了UHPC脆性斷裂的缺點(diǎn)。

2.6 彈性模量分析

超高性能混凝土彈性模量與超高性能混凝土強(qiáng)度密切相關(guān)，將鋼渣微粉UHPC不同因素對(duì)抗折強(qiáng)度影響的極差計(jì)算整理如表10所列。分析表10可得出，鋼渣微粉UHPC 28 d彈性模量R值的大小排序?yàn)镽D>RC>RB>RA，表明各因素對(duì)UHPC彈性模量的影響程度由主到次依次為：D(鋼纖維)、C(河砂)、B(鋼渣微粉)、A(硅灰)。其中鋼纖維的極差(RD)值最大,達(dá)到6.7 GPa，說(shuō)明鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC彈性模量影響顯著。河砂、鋼渣微粉、硅灰摻量的影響程度也較大，極差值分別為4.5、4.3、4.1 GPa。

表10 彈性模量極差分析Table 10 Analysis of range in elasticity modulus

2.7 最佳配合比確定

根據(jù)硅灰、鋼渣微粉、河砂和鋼纖維四種原材料摻量在UHPC各項(xiàng)性能指標(biāo)下的變化趨勢(shì)，挑選各材料因素ki值中最大值所對(duì)應(yīng)摻量組成優(yōu)方案，采用綜合平衡法[18]分析各項(xiàng)性能指標(biāo)下的優(yōu)方案，從而確定最佳配合比為A2B1C2D2，最佳配合比方案詳見(jiàn)表11。

表11 最佳配合比方案Table 11 Optimum mix proportion scheme

為驗(yàn)證四種原材料因素?fù)搅孔兓厔?shì)的合理性，按照最佳配合比方案制備鋼渣微粉UHPC，對(duì)其進(jìn)行坍落度、擴(kuò)展度試驗(yàn)及28 d的力學(xué)性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表12。

表12 優(yōu)方案性能測(cè)試結(jié)果Table 12 Performance test results

由表12可知，利用最佳配合比方案制備的鋼渣微粉UHPC各項(xiàng)力學(xué)性能相較于正交試驗(yàn)組均有提升，也具有良好的工作性能與力學(xué)性能，說(shuō)明前述各原材料因素?fù)搅吭诟黜?xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)下的變化趨勢(shì)是可靠的。

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)組不同配合比鋼渣微粉UHPC 7 d立方體抗壓強(qiáng)度均大于90.0 MPa,28 d立方體抗壓強(qiáng)度均大于100.0 MPa，28 d軸心抗壓強(qiáng)度均大于70.0 MPa，說(shuō)明其抗壓強(qiáng)度較高并能在早期形成。

2)鋼渣微粉UHPC的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到8.00 MPa以上,抗折強(qiáng)度均達(dá)到11.0 MPa以上，靜力受壓彈性模量均達(dá)到40.0 GPa以上，表明其具有較好的抗裂能力和抗折能力，且具有較高的彈性模量。

3)鋼纖維體積摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC的各項(xiàng)力學(xué)性能影響最為顯著，河砂、鋼渣微粉摻量影響程度較大，硅灰摻量影響程度較小。

4)立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量指標(biāo)下的顯著性影響順序?yàn)椋轰摾w維>河砂>鋼渣微粉>硅灰，軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)下的顯著性影響順序?yàn)椋轰摾w維>鋼渣微粉>河砂>硅灰。

5)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度隨硅灰、河砂及鋼纖維摻量的增加先增大后減小，隨鋼渣微粉摻量的增加逐漸降低。劈裂抗拉強(qiáng)度隨硅灰、鋼纖維摻量的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)，但隨鋼渣微粉摻量的增加則先減小后增大，隨河砂摻量的增加逐漸增大；抗折強(qiáng)度均隨硅灰、河砂、鋼纖維摻量的增加先增大后減小，隨鋼渣微粉摻量的增加先減小后增大。