含碎石超高性能混凝土配制及其影響因素分析

李長(zhǎng)吉，孫俊豐

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

UHPC 作為一種新型材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，纖維的摻入使UHPC 的彎拉強(qiáng)度得到了極大地提高，因此UHPC 在建筑行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。但是UHPC 高昂的造價(jià)限制了其應(yīng)用范圍，目前市場(chǎng)上的UHPC 產(chǎn)品基本不含碎石，如果能在UHPC 中加入一定比例的碎石，并且使其能夠保持原有的優(yōu)異性能，則可以極大地降低UHPC 的成本。本研究通過(guò)在UHPC 中以等量取代（膠凝材料+細(xì)集料）的方式摻入碎石，研究碎石在不同用量條件下對(duì)UHPC 工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，為含碎石UHPC 更好地應(yīng)用于實(shí)際工程提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

1） 活性粉料：采用江蘇蘇博特生產(chǎn)的超高性能混凝土用活性粉料。

2） 細(xì)骨料：采用江蘇地區(qū)石英砂粒徑范圍為0.16～1.25 mm，二氧化硅含量98.4%。

3） 碎石：秦皇島地區(qū)5～10 mm 輝綠巖碎石，含泥0.5%，泥塊0.1%，針片狀顆粒4.1%，壓碎值5.7%，表觀密度2 720 kg/m3，堆積密度1 510 kg/m3。

4） 外加劑：江蘇蘇博特生產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，減水率33%，氯離子含量0.01%，堿含量1.4%，泌水率比34%，初凝時(shí)間差140 min，終凝時(shí)間差160 min，7 d 抗壓強(qiáng)度比136%，28 d 抗壓強(qiáng)度比131%。

5） 水：自來(lái)水。

6） 纖維：采用江蘇蘇博特生產(chǎn)的合成纖維和鋼纖維。

1.2 配合比

參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[1]中的相關(guān)要求，選定本次配合比用水膠比為0.18，碎石含量以碎石占活性粉料和細(xì)集料總量計(jì)選定含量為0、20%、40%、70%、100%。合成纖維和鋼纖維含量根據(jù)材料質(zhì)量和特性選定能摻量分別為2.1%和13.6%。試驗(yàn)用配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)用配合比Table 1 Test mix proportions

1.3 試驗(yàn)方法

按照表1 中的配合比稱量試拌用原材料質(zhì)量，用攪拌機(jī)試拌。攪拌完成后進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)試，并成型試塊。成型完畢后在試模表面覆蓋塑料薄膜防止水分蒸發(fā)，靜置24 h 后拆模，把試塊放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試塊到期后按照文獻(xiàn)[2-4]試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊到齡期后分別測(cè)定其抗壓、彎拉和軸心抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果見表2。

表2 UHPC 物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 UHPC physical and mechanical performance test results

2.1 碎石含量和纖維種類對(duì)新拌UHPC 流動(dòng)性的影響

由表2 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著碎石的增加，混凝土的流動(dòng)性逐漸呈下降趨勢(shì)，當(dāng)碎石含量大于70%后混凝土的流動(dòng)性急劇減小。這是由于混凝土混合料接近于賓漢姆體，其流變性質(zhì)符合賓漢姆體流變方程[5]，即混凝土的流變性質(zhì)由剪切應(yīng)力和黏度系數(shù)決定。碎石含量的增加使得新拌混凝土的剪切應(yīng)力增大，同時(shí)碎石含量的增加使得碎石的比表面積增大而砂漿體積減少導(dǎo)致碎石表面的砂漿厚度減小，從而導(dǎo)致混凝土拌合物的黏度系數(shù)增大，最終導(dǎo)致坍落度值的減小。

由表2 和圖1 可以看出，摻入合成纖維的混凝土拌合物的流動(dòng)性要高于摻入鋼纖維的混凝土，這是由于鋼纖維的硬度要大于合成纖維，在混凝土漿體體系中所產(chǎn)生的阻力也要大于合成纖維，造成混凝土拌合物的黏度增大，因此在相同碎石含量的情況下?lián)胶铣衫w維混凝土的流動(dòng)性要大于摻鋼纖維的混凝土。

圖1 不同碎石含量-坍落度曲線Fig.1 Curve of slump with different crushed stone content

2.2 碎石含量和纖維種類對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響

1） 圖2、圖3 分別為（合成纖維、鋼纖維）不同碎石含量-抗壓強(qiáng)度曲線。由表2 和圖2、圖3可以看出，無(wú)論是摻合成纖維還是鋼纖維UHPC隨著碎石含量的增加其7 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度先增大后減小。同時(shí)由擬合曲線可以看出其7 d 和28 d 強(qiáng)度變化規(guī)律均符合二次曲線擬合方程，其線性相關(guān)系數(shù)均大于0.95 以上。根據(jù)擬合方程可以計(jì)算出對(duì)于合成纖維7 d 抗壓強(qiáng)度的最佳含量為33.4%，28 d 抗壓強(qiáng)度的最佳含量為43%；鋼纖維7 d 抗壓強(qiáng)度的最佳含量為18.7%，28 d 抗壓強(qiáng)度的最佳含量為38.6%。同時(shí)由表2 可以看出，摻鋼纖維的UHPC 的強(qiáng)度普遍高于摻合成纖維的UHPC，7 d 平均強(qiáng)度提高13.8%，28 d 平均強(qiáng)度提高21.7%。

圖2 不同碎石含量-抗壓強(qiáng)度曲線（合成纖維）Fig.2 Curve of compressive strength with different crushed stone content(Synthetic fiber)

圖3 不同碎石含量-抗壓強(qiáng)度曲線（鋼纖維）Fig.3 Curve of compressive strength with different crushed stone content(Steel fiber)

2） 圖4 為不同碎石含量-7 d 與28 d 抗壓強(qiáng)度比曲線。由圖4 可知，無(wú)論是摻合成纖維還是鋼纖維其7 d 與28 d 抗壓強(qiáng)度比均隨著碎石含量的增大而逐漸降低。由圖4 還可以看出，對(duì)于UHPC 其早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，尤其是摻合成纖維的混凝土，當(dāng)碎石含量為0 時(shí)抗壓強(qiáng)度比最高為97.0%，當(dāng)碎石含量為100%時(shí)抗壓強(qiáng)度比最低為92.5%。并且摻合成纖維混凝土的7 d 與28 d 抗壓強(qiáng)度比普遍高于摻鋼纖維的混凝土，高約10%。

圖4 不同碎石含量-7 d 與28 d 抗壓強(qiáng)度比曲線Fig.4 Curve of compressive strength ratio of 7 d to 28 d with different crushed stone content

3） 圖5 為不同碎石含量-28 d 軸心抗壓強(qiáng)度曲線。由圖5 中曲線可以看出，無(wú)論是摻合成纖維還是鋼纖維UHPC，其28 d 軸心抗壓強(qiáng)度均隨著碎石含量的增大表現(xiàn)出先變大后減小的規(guī)律，其強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律符合二次擬合曲線方程。由方程可以計(jì)算出摻鋼纖維UHPC 碎石的最佳含量為49.7%，摻合成纖維UHPC 碎石的最佳含量為49.2%。同時(shí)摻鋼纖維UHPC 比摻合成纖維UHPC的28 d 軸心抗壓強(qiáng)度普遍增加約16.3%。

圖5 不同碎石含量-28 d 軸心抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Curve of axial compressive strength at 28 d with different crushed stone content

4） 圖6、圖7 分別為（合成纖維、鋼纖維）不同碎石含量-彎拉強(qiáng)度曲線。由圖6 可知摻合成纖維UHPC 的7 d 和28 d 彎拉強(qiáng)度均隨著碎石含量的增加表現(xiàn)出先變大后減小的現(xiàn)象。當(dāng)碎石含量為20%時(shí)，7 d 彎拉強(qiáng)度最高，當(dāng)碎石含量為40%時(shí)，28 d 彎拉強(qiáng)度最高。由圖7 可知摻鋼纖維UHPC 的7 d 和28 d 彎拉強(qiáng)度在碎石含量為0時(shí)最大，隨著碎石含量的增大其7 d 和28 d 的彎拉強(qiáng)度略微變小，但波動(dòng)幅度不大。

圖6 不同碎石含量-彎拉強(qiáng)度曲線（合成纖維）Fig.6 Curve of flexural tensile strength with different crushed stone content(Synthetic fiber)

圖7 不同碎石含量-彎拉強(qiáng)度曲線（鋼纖維）Fig.7 Curve of flexural tensile strength with different crushed stone content(Steel fiber)

UHPC 抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度隨碎石含量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的主要原因是：碎石最大粒徑只有10 mm，比表面積大，表面粗糙，增加了漿體與骨料界面過(guò)渡區(qū)的黏結(jié)能力；同時(shí)摻入一定量的碎石可以在UHPC 體系內(nèi)部形成骨架，使得UHPC 內(nèi)部顆粒之間的嵌擠作用增強(qiáng)，提高了UHPC 整體的抗壓性能。但是碎石含量過(guò)大，UHPC 流動(dòng)性大大降低，結(jié)果表明當(dāng)碎石含量從0 增大到70%時(shí)，UHPC 的擴(kuò)展度由820 mm降低到394 mm，這就會(huì)導(dǎo)致硬化UHPC 內(nèi)部缺陷增多，抗壓性能下降。摻鋼纖維的UHPC 抗壓性能高于摻合成纖維UHPC，是由于鋼纖維自身抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于合成纖維，對(duì)于UHPC 抗壓性能有一定的增幅作用，同時(shí)鋼纖維與UHPC 內(nèi)部漿體的錨固作用要大于合成纖維，由于上述兩方面因素的疊加作用導(dǎo)致?lián)戒摾w維的UHPC 的抗壓性能高于摻合成纖維的UHPC。

摻合成纖維UHPC 的彎拉強(qiáng)度隨碎石含量的增大先升高后降低是由于：當(dāng)碎石含量在0～40%時(shí)，由于碎石相對(duì)較少，UHPC 漿體較多，合成纖維能夠較為均勻地分散于漿體內(nèi)部，纖維的抗拉強(qiáng)度能夠充分得到利用。碎石的摻入能夠在UHPC 內(nèi)部形成骨架結(jié)構(gòu)，試塊在彎拉破壞過(guò)程中，骨料的存在阻礙了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，使混凝土的彎拉強(qiáng)度得到提高。而當(dāng)碎石含量大于40%時(shí)，UHPC 的流動(dòng)性急劇下降，同時(shí)漿體體積減少導(dǎo)致纖維不能在UHPC 內(nèi)部均勻的分散，在試驗(yàn)試拌過(guò)程中發(fā)現(xiàn)纖維存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，這樣會(huì)使纖維對(duì)彎拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用大大降低。正是由于上述2 個(gè)因素的相互作用和影響，使得摻合成纖維UHPC 彎拉強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。鋼纖維與合成纖維相比不宜分散，碎石的加入使得鋼纖維分散變得更加困難，碎石加入對(duì)彎拉強(qiáng)度增強(qiáng)作用小于鋼纖維分散不均勻使自身彎拉強(qiáng)度不能得到充分利用所帶來(lái)的影響，因此摻鋼纖維UHPC 的彎拉強(qiáng)度從一開始就表現(xiàn)出隨骨料加入而降低的現(xiàn)象。

2.3 碎石含量對(duì)UHPC 彈性模量的影響

表3 為UHPC 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果。圖8 為不同碎石含量-彈性模量曲線。由表3 和圖8 可知隨著碎石含量的增大，混凝土的彈性模量逐漸降低。摻合成纖維UHPC 當(dāng)碎石含量為20%、40%、70%、100%時(shí)，彈性模量較無(wú)碎石UHPC 彈性模量分別降低了4.0%、7.4%、22.5%、29.7%；摻鋼纖維UHPC 當(dāng)碎石含量為20%、40%、70%、100%時(shí)，彈性模量較無(wú)碎石UHPC 彈性模量分別降低了34.9%、45.4%、53.6%、54.9%，摻鋼纖維UHPC 彈性模量的降低幅度遠(yuǎn)大于摻合成纖維UHPC。這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)[6]所得隨碎石含量的增加UHPC 彈性模量逐漸增大結(jié)論正好相反。主要原因是本試驗(yàn)所用碎石母巖的彈性模量小于活性粉料和石英砂所組成的砂漿的彈性模量。

圖8 不同碎石含量-彈性模量曲線Fig.8 Curve of elastic modulus with different crushed stone content

表3 UHPC 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果Table 3 UHPC elastic modulus test results

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，混凝土的彈性模量可用式（1）表示：

式中：Ec為復(fù)合材料彈性模量，即混凝土彈性模量；Em為基體相彈性模量，即砂漿彈性模量；Ep為粒子相彈性模量，即碎石彈性模量；Vp為粒子相體積率，即碎石體積率；Vm為基體相體積率，即砂漿體積率。

硬化混凝土結(jié)構(gòu)有砂漿、碎石和內(nèi)部孔隙組成，在不考慮內(nèi)部孔隙的情況下，碎石體積率和砂漿體積率滿足式（2）：

將式（2）帶入式（1）得：

由式（3）可以得到，當(dāng)碎石母巖的彈性模量小于UHPC 中砂漿的彈性模量時(shí)，即Ep-Em＜0，隨著碎石含量的增加，碎石在UHPC 中占有的體積率VP增大，UHPC 彈性模量Ec減小。

式（3）并沒(méi)有考慮硬化混凝土內(nèi)部孔隙對(duì)彈性模量的影響，如考慮孔隙的影響，因?yàn)榭紫兜膹椥阅Ａ繛?，因此孔隙率越高混凝土的彈性模量越小。由于摻鋼纖維的UHPC 的流動(dòng)性小于摻合成纖維的UHPC 的流動(dòng)性，會(huì)造成成型試塊后摻鋼纖維UHPC 的內(nèi)部孔隙要大于摻合成纖維UHPC，這也是摻鋼纖維UHPC 彈性模量下降幅度要大于摻合成纖維UHPC 的原因。

2.4 碎石含量對(duì)UHPC 電通量的影響

由于鋼纖維為導(dǎo)電介質(zhì)，因此本文僅對(duì)摻合成纖維的UHPC 進(jìn)行電通量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同碎石含量-電通量曲線Fig.9 Curve of electric flux with different crushed stone content

由圖9 可知，隨著碎石含量的增大摻合成纖維UHPC 電通量逐漸增大。當(dāng)碎石含量為0～40%時(shí)，電通量增長(zhǎng)曲線比較平緩增長(zhǎng)幅度不大；當(dāng)碎石含量大于40%時(shí)，電通量曲線急劇升高。當(dāng)碎石含量為20%、40%、70%、100%時(shí)，UHPC的電通量分別增長(zhǎng)了21.2%、55.3%、278.9%、427.1%。但是與普通混凝土相比UHPC 的電通量大大地降低了，也就是說(shuō)UHPC 的抗氯離子滲透性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。

UHPC 與普通混凝土相比膠凝材料用量更多，水膠比更低，且摻入纖維。因此，UHPC 的微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在低水膠比的情況下，UHPC 中存在著相當(dāng)比例的未水化水泥顆粒，未水化顆粒強(qiáng)度高而致密填充內(nèi)部孔隙，使UHPC 更加密實(shí)。龍廣成等[8]認(rèn)為UHPC 孔隙率低，總孔隙率約2%，孔徑主要集中于2～3 nm。UHPC 優(yōu)異的抗氯離子滲透性能與其低孔隙率密切相關(guān)，孔隙率越低抗氯離子滲透性能越好。對(duì)于未摻碎石的UHPC，彭艷周[9]依據(jù)吳忠偉院士提出的“中心質(zhì)假說(shuō)”認(rèn)為石英砂粒和纖維以及未水化水泥、粉煤灰、礦渣粉、硅灰顆粒等與水泥漿體緊密黏結(jié)。水化產(chǎn)物中Ca（OH）2量很少而C-S-H 等凝膠產(chǎn)物較多，它們混合在一起使得未摻碎石的UHPC 結(jié)構(gòu)均衡密實(shí)，界面效應(yīng)相互疊加，從而使得UHPC 具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性能。由于碎石的吸水作用使得碎石表面形成一層水膜，從而在硬化的混凝土中留下細(xì)小的縫隙，這些細(xì)小的縫隙使得UHPC的抗氯離子滲透性減弱。碎石的含量越多，碎石的比表面積越大，在硬化混凝土中產(chǎn)生的細(xì)小縫隙就會(huì)越多，這就導(dǎo)致了UHPC 抗氯離子滲透性能隨著碎石含量的增多而逐漸減小。當(dāng)碎石含量大于40%，UHPC 的流動(dòng)性急劇下降，使得此情況下的UHPC 不易振搗密實(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生較多的孔隙，此孔隙尺寸的量級(jí)要大于水泥水化和集料表面的縫隙，因此使得UHPC 的抗氯離子滲透性能急劇降低。

3 結(jié)語(yǔ)

1） UHPC 的流動(dòng)性隨碎石含量的增加而降低，當(dāng)碎石含量大于70%時(shí)，UHPC 流動(dòng)性急劇降低。

2） 隨碎石含量的增加UHPC 的抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度先增大后減小，其變化規(guī)律符合二次曲線擬合方程。摻合成纖維最佳碎石含量為43.0%，摻鋼纖維碎石最佳含量為38.6%，摻鋼纖維UHPC 其抗壓性能均優(yōu)于摻合成纖維。

3） 摻合成纖維UHPC 彎拉強(qiáng)度隨碎石含量的增大先升高后降低，含量為40%時(shí)彎拉強(qiáng)度最高；摻鋼纖維UHPC 碎石含量為0 時(shí)彎拉強(qiáng)度最大。

4） UHPC 彈性模量隨碎石含量的增加而逐漸降低，可能原因是由于所用碎石母巖的彈性模量小于活性粉料和石英砂所組成的砂漿的彈性模量。摻鋼纖維UHPC 彈性模量的降低幅度遠(yuǎn)大于合成纖維。

5） 隨著碎石含量的增加UHPC 電通量逐漸增大，碎石含量為20%、40%、70%、100%時(shí)UHPC電通量分別增長(zhǎng)了21.2%、55.3%、278.9%、427.1%。雖然碎石的摻入降低了UHPC 的抗氯離子滲透性能，但其結(jié)果仍遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。

6） 活性粉料和石英砂的成本遠(yuǎn)高于碎石的成本，因此在UHPC 中摻入碎石可大幅降低UHPC的成本，當(dāng)碎石摻量為40%左右時(shí)，雖然UHPC的流動(dòng)性和耐久性能會(huì)有一定程度的降低，但其試驗(yàn)結(jié)果仍能滿足施工和結(jié)構(gòu)耐久性的要求，并且其力學(xué)性能較之未摻碎石的UHPC 還有一定程度的提高，綜合以上分析，UHPC 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中建議摻入40%左右的優(yōu)質(zhì)碎石。