玄武巖纖維超高性能混凝土力學性能試驗*

張吉松， 趙穎華

(大連海事大學 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026)

超高性能混凝土(UHPC)與普通混凝土相比，具有超高的抗壓強度、較好的耐久性能和極低的孔隙率.通常情況下，超高性能混凝土為獲得較高的強度，在配合比設計中采用較低的水膠比，同時剔除了粗骨料，因此，每生產1 m3超高性能混凝土需要800～1 100 kg水泥，是普通混凝土水泥需求量的3～4倍.目前，水泥的生產和混凝土的制作所排放的二氧化碳占到了世界總體碳排放的5%～7%.如此巨大的水泥使用量加劇了生態環境的惡化，在某種程度上背離了我國節能減排和低碳可持續的基本原則.因此，如何在大幅度減少水泥用量的前提下，能夠生產出具備相同質量的超高性能混凝土，還能保障我國城市化建設工程對混凝土巨大用量的需求，是我國科研工作者面臨的一個重要課題[1-3].

Ghafari等[4]利用950 kg/m3水泥和250 kg/m3硅灰制備超高性能混凝土；El-Dieb[5]采用775 kg/m3水泥和135 kg/m3硅灰配制超高性能纖維混凝土；Hassan等[6]對選用657 kg/m3水泥、418 kg/m3礦渣和119 kg/m3硅灰配制的超高性能混凝土進行力學性能分析；Aldahdooh等[7]采用638 kg/m3水泥制備超高性能混凝土獲得120 MPa的抗壓強度；Yu等[8]為獲得抗壓強度為105 MPa的超高性能混凝土采用了620 kg/m3水泥.

盡管有大量學者對降低水泥用量做了相關研究，也有部分學者對粉煤灰和硅灰混摻做了相關研究，但由于超高性能混凝土自身的特點有別于普通混凝土，仍然需要給出力學性能最優的摻和比例.同時，添加玄武巖纖維并以大摻量粉煤灰和硅灰作為替代水泥的材料制備超高性能混凝土卻鮮有報道.

因此，本文研究的目的是最大限度減少在超高性能混凝土中水泥的用量，采用粉煤灰和硅灰作為替代水泥的主要材料，給出力學性能最優的摻和比例；在試件中加入玄武巖纖維，檢驗其對超高性能混凝土力學性能的貢獻程度，同時給出適用于超高性能混凝土玄武巖纖維的最佳摻量.

1 原材料和試驗設計

1.1 原材料

本文試驗采用大連小野田52.5硅酸鹽水泥(符合GB175-2007).砂采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂，粒徑范圍為0～2 mm(D10=320 μm，D50=930 μm，D90=1 600 μm).高效減水劑采用青島虹夏生產的聚羧酸減水劑，白色粉末狀，減水率為30%.玄武巖纖維長度為12 mm，彈性模量為93～110 GPa，抗拉強度為4 100～4 800 MPa.粉煤灰和硅灰作為替代水泥的主要材料，其微觀形態如圖1所示，其物理和化學性能如表1所示.

圖1 粉煤灰和硅灰SEM圖片Fig.1 SEM images of fly ash and silica fume 表1 原材料性能Tab.1 Properties of raw materials

材料密度(kg·m-3)D10μmD50μmD90μm比表面積(m2·g-1)CaO%SiO2%Al2O3%Fe2O3%SO3%K2O%Na2O%LOI%水泥31002.0214.5044.90.3561.8020.265.143.361.970.530.222.28粉煤灰25501.8513.9064.50.411.6352.4237.325.530.891.520.530.75硅灰21600.090.3512.121.70-91.210.410.320.65--1.03

1.2 配合比設計和試件制備

配合比的設計如表2所示.以試件FA30SF10為例，FA30表示30%的水泥被粉煤灰替代，SF10表示10%的水泥被硅灰替代，以此類推，共設計4組試件，同時每組試件均添加玄武巖纖維，含量分別為0%、0.1%、0.2%和0.3%.

JJ-5型水泥砂漿攪拌機用于超高性能混凝土的攪拌.先將所有粉末狀原材料和砂干拌均勻，然后在慢速攪拌(140 rpm)過程中逐漸加入水，直到加入總用水量75%，慢速攪拌1 min，再逐步加入其余25%的水和減水劑，當混凝土進入粘稠狀態后，加入纖維，快速攪拌(285 rpm)1.5 min，攪拌完成.將混合料澆筑在40 mm×40 mm×160 mm的模具中振動1 min，24 h后拆模，放入標準養護室進行養護((20±2) ℃，RH>90%).

表2 配合比設計Tab.2 Design for mixture proportion

1.3 試件測試方法

試件經過養護時間7、28、90和365 d后，根據BS EN 196-1[9]進行力學性能測試，抗彎試件的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，跨距為100 mm，加載速度為50 N/s，每組3個試件，取其平均值；對抗彎破壞后產生的兩部分進行抗壓試驗，加載速度為2 400 N/s，每組6個試件，取其平均值.SEM分析采用德國蔡司掃描電鏡，在硬化后的試件上切割出10 mm×10 mm×10 mm的樣品，在酒精中浸泡24 h停止水化并烘干，在測試的表面噴金后進行觀察，每個樣品放大倍數從5千倍至5萬倍共拍攝4張圖片.孔徑分布測試采用美國ASAP 2020全自動比表面積及中孔/微孔分析儀，測試前將樣品取出1.7～2.5 g的塊體進行測試，直接讀出試驗數據.

2 試驗結果與分析

2.1 和易性分析

為了使每一組試件的擴展度控制在250～280 mm之間，得到每一組試件所需的減水劑用量如圖2所示.

圖2 減水劑用量Fig.2 Superplastisizer dosage

由圖2可知，隨著粉煤灰和硅灰添量的增加，減水劑的需求量逐漸增加，其主要原因為：

1) 粉煤灰從微觀形態上看其形狀較不規則，呈現多邊形形態，在一定程度上影響其流動性，因此需要更多的水或減水劑保持流動狀態.

2) 硅灰的粒徑較小，同時其顆粒的微觀形態為球形，雖然可以在某種程度上起到潤滑的作用，但由于其添量較大，總的平均比表面積增加較大，也需要較多的水或減水劑使其具有良好的分散性能.

3) 拌合物總體的需水量取決于其混雜材料總的比表面積.本試驗采用的硅灰、粉煤灰和水泥的比表面積分別為21.7、0.41和0.35 m2/g，當采用30%粉煤灰+10%硅灰時，其總的換算比表面積為2.50 m2/g.而當采用30%粉煤灰+20%硅灰時，其總的換算比表面積為4.64 m2/g.

2.2 抗折性能分析

試件在養護7、28、90和365 d后的抗折強度如圖3所示.

圖3 各齡期抗折強度Fig.3 Flexural strength at different ages

由圖3可知，用粉煤灰替代水泥30%以后，其抗折性能有所下降；但在此基礎上添加硅灰，其抗折性能先上升后下降.在所有粉煤灰和硅灰混雜的試件中，C3(30%粉煤灰+10%硅灰)各齡期抗折強度最高，其365 d的抗折強度為19.8 MPa，而此時C1(參考試件)的抗折強度為20.1 MPa.需要注意的是，C4(30%粉煤灰+20%硅灰)各齡期抗折強度最低，說明硅灰的最佳替代摻量為20%以下.

此外，添加玄武巖纖維的試件其28 d的抗折強度如圖4所示.

圖4 含纖維試件28 d抗折強度Fig.4 Flexural strength of samples with fibers at 28th day

由圖4可知，摻加玄武巖纖維的試件對其抗折強度的貢獻不是十分明顯.對于每組試件，摻加0.1%玄武巖纖維的試件抗折強度最高；隨著纖維含量增加至0.2%或0.3%，其抗折能力與素混凝土試件相比類似，在某些時候甚至有下降的趨勢，其主要原因為適當的纖維添加比例可以增加混凝土的密實度，而過多的纖維添加使其孔隙率增大，導致其抗折強度提高不明顯或者略有下降.

2.3 抗壓性能分析

試件在養護7、28、90和365 d后的抗壓強度如圖5所示.

圖5 各齡期抗壓強度Fig.5 Compressive strength at different ages

由圖5可知，水泥替代試件C2、C3、C4的28 d抗壓強度整體上均與C1接近.其中，C3的28 d抗壓強度為113 MPa，而此時C1的28 d抗壓強度為114 MPa；從整體上看，抗壓強度增長的總體趨勢類似于抗折強度，但C4試件的抗壓強度與抗折強度不同，其后期強度增加較大，未出現明顯低于其他試件的情況.

一般情況下，混凝土中膠凝材料的CaO/SiO2比率對強度有較大影響，根據文獻[10]，其強度最優的比率約為1.3.本文試驗中從C1至C4的CaO/SiO2比率依次為2.46、1.21、1.02和0.71.然而，由圖5可知，C2各齡期的抗壓強度并不高，均低于同齡期其他試件的抗壓強度.因此，在今后預測混凝土的抗壓強度時，除了需要考慮膠凝材料的CaO/SiO2的比率以外，還要綜合考慮其他因素，例如混合材料的Al/Si或Ca/(Si+Al)等的比率.

添加玄武巖纖維的試件其28 d的抗折強度如圖6所示.

圖6 含纖維試件28 d抗壓強度Fig.6 Compressive strength of samples with fibers at 28th day

由圖6可知，添加玄武巖纖維試件的抗壓強度增長趨勢類似于抗折試件.摻加0.1%的玄武巖纖維試件的抗折強度高于添加0.2%和0.3%纖維和素混凝土試件.由此可知，對于超高性能混凝土，0.1%的玄武巖纖維是力學性能較優的摻量.

為了驗證某種材料替代水泥的效率，可以用等效系數k值來表示.某種材料的k值越接近于1，代表其越等同于水泥的效果.將某種材料的用量乘以k值即為相應的水泥用量.因此，k值可以表示為

k=1+(fMA/fc-1)/p

(1)

式中：fMA為添加替代材料后試件的抗壓強度；fc為未添加替代材料試件的抗壓強度；p為替代水泥的百分比.根據文獻[11-12]，硅灰的水泥等效系數k值為2.0～2.3，粉煤灰的水泥等效系數k值為0.4.然而，這些k值僅僅考慮一種替代材料，含有2種及以上替代材料的等效系數k值未見報道.因此，根據本文試驗結果，計算出了以粉煤灰為基礎，含有硅灰混雜的等效系數k值，結果如表3所示.

表3 替代材料的等效系數Tab.3 Equivalent factors for alternative materials

由表3可知，各齡期k值最高的組為C3，即30%粉煤灰+10%硅灰組，變化范圍為0.99～1.02；其次為C4和C2組.可以看出在這些組中，盡管替代水泥的比率已經高達40%～50%，但其抗壓強度十分接近于參照試件(即未含有替代材料的試件)，甚至某些情況下高于參照試件，其力學性能在可以接受的范圍內，但節省下的水泥用量和減少的碳排放量是可觀的.

2.4 微觀結構分析

試件的微觀結構采用SEM電鏡掃描和ASAP 2020測試孔徑分布.SEM掃描后的圖片如圖7所示.

圖7 試件SEM圖片Fig.7 SEM images of samples

由圖7a可以看出，未替代水泥試件C1微觀結構較為密實，同時肉眼可見的孔洞很少，因此其力學性能較為優秀；由圖7b可以看出，該組因添加大量粉煤灰后有局部微小孔洞，微觀結構不如圖7a密實，其力學性能表現一般；由圖7c可以看出，該組呈現大塊狀基體，微觀結構也較為密實，在替代水泥所有組中的抗壓強度最接近參考試件，其28 d的抗壓強度為113 MPa，十分接近參照試件C1的114 MPa；由圖7d可以看出，該組有肉眼可見的大孔洞，同時其基體相對沒有圖7a、c密實，直接導致其抗折和抗壓強度較低，因此其總體的抗折和抗壓強度在所有替代水泥試件中處于較低水平，其365 d的抗折強度為16.9 MPa，低于參照試件C1的20.05 MPa.

根據文獻[13-15]，BJH方法是一種量化微孔的有效方法，其原理為

Dp=2(Rp+Tlayer)

(2)

Tlayer=3.54[-5.00/ln(p/p0)]0.333

(3)

式中：Dp為孔徑；Rp為孔徑的比表面積；Tlayer為吸附層的厚度；p/p0為相對壓力.

表4給出了經過ASAP 2020測試的孔徑分布數據.由表4可知，添加替代材料的超高性能混凝土的孔隙體積較低，整體上比較密實；同時，每組試件的總孔隙體積與其抗壓強度吻合度較高，即抗壓強度最高的試件具有最低的孔隙體積和面積.以C3為例，其365 d抗壓強度fcu為135 MPa，其總孔隙體積為0.005 6 cm3/g.因此，BJH方法可以有效地量化超高性能混凝土的孔徑分布.

3 結 論

本文為最大限度降低超高性能混凝土中的水泥用量，采用粉煤灰和硅灰為替代水泥材料，以不同比例混雜，并添加了玄武巖纖維，研究了其和易性、力學性能和微觀結構，得出的結論如下：

1) 用30%的粉煤灰替代水泥后超高性能混凝土的抗折和抗壓性能均有所下降，然而在此基礎上，添加一定比例的硅灰可以補充其力學性能上的損失，達到未替代水泥試件的水平.

2) 用30%粉煤灰+10%硅灰替代水泥的試件，其抗壓和抗折強度最高，并且最接近于參照試件.抗壓強度最優的配合比例為：30%粉煤灰+10%硅灰(365 d的k值為1.00)，或30%粉煤灰+20%硅灰(365 d的k值為0.99).

3) 在超高性能混凝土中摻加玄武巖纖維并不能顯著提高其力學性能.然而，摻加0.1%玄武巖纖維試件的抗折強度和抗壓強度，高于摻加0.2%、0.3%纖維和素混凝土試件的相應強度.

表4 試件孔徑分布Tab.4 Pore size distribution of samples

4) SEM形態和孔徑分布測試與抗壓強度的測試結果吻合較好.抗壓強度較高的試件具有較密實的微觀形態和較低的孔隙體積.BJH方法可以有效地量化超高性能混凝土的孔徑分布，作為輔助分析的手段.

5) 在今后選擇水泥的替代材料時，除了需要考慮混凝土中替代材料總體的CaO/SiO2的比率，還要綜合考慮其他因素，例如Al的貢獻程度，Al/Si或Ca/(Si+Al)的比率等因素作為參考.