稻殼灰與混雜纖維對超高性能混凝土的影響作用研究

高 義

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）由法國學者于20世紀80年代提出，因其具有超高強度、超高密實、高耐久、高抗裂等突出優點受到土木工程師的廣泛關注[1]。UHPC抗壓強度通常高于120 MPa，遠高于傳統混凝土材料[2]。鋼纖維的大量使用賦予UHPC優異的韌性和斷裂能，極大地提高了混凝土結構在極限環境下的結構可靠性。UHPC基體中存在大量未完全水化的水泥熟料顆粒，在開裂時可以繼續水化產生自修復效應[3]。UHPC線密度較低，能有效縮減結構尺寸，降低自重，節省材料使用量，具有減少能耗和降低碳排放的優點。目前，UHPC在混凝土結構（尤其在公路橋梁方面）加固、構件連接處、幕墻與裝飾品以及鋼橋面鋪裝方面有大量應用，不僅產生顯著的經濟效益，同時符合“可持續工程”與“綠色工程”的發展理念[4-5]。

組成材料中大量采用的硅灰和鋼纖維極大地增加了UHPC成本[6]。對此，國內外學者通過優化材料組成設計方法，采用大摻量工業固廢（粉煤灰、礦渣等）制備UHPC，在減少UHPC成本的同時也造成其性能出現一定程度的降低[7]。稻殼灰是稻殼的焚燒殘余物，含有大量無定形SiO2以及微納級孔，可作為輔助膠凝材料用于水泥基材料，提高其力學性能和耐久性[8]。大量研究表明，鋼纖維仍是UHPC中不可或缺的組成材料，僅采用有機纖維或多種纖維混雜的方式難以達到UHPC的性能要求。本文基于常規UHPC組成，采用稻殼灰取代部分硅灰，輔以聚丙烯纖維、玄武巖纖維混雜鋼纖維制備UHPC，通過測試拌和物流動度、抗壓/抗折強度、斷裂能、電通量等評價稻殼灰與混雜纖維對UHPC的影響規律，以期為降低UHPC材料成本與提升性能提供新思路。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

膠凝材料包括水泥、粉煤灰、礦渣、硅灰與稻殼灰。水泥（OPC）：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），技術指標符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》，表觀密度為3.10 g/cm3。粉煤灰（FA）：Ⅰ級粉煤灰，技術指標符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，表觀密度為2.35 g/cm3；礦渣（GGBS）：灰白色粉末，技術指標符合GB/T 18406—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》，表觀密度為2.86 g/cm3；硅灰（SF）：灰色粉末，平均粒徑為0.5 μm，比表面積為17 800 m2/kg，表觀密度為2.10 g/cm3；稻殼灰（RHA）：黑色粉末，經低燒研磨篩分，主要成分為無定形SiO2。膠凝材料各組分的化學組成如表1所示，各材料粒徑分布如圖1所示。

表1 各膠凝組分氧化物組成

圖1 水泥、粉煤灰與礦渣的顆粒粒徑分布

UHPC對骨料有較高要求，故選用石英砂（QS），且采用3種不同級配（20～40目、40～80目、80～120目，10目約為1.5 mm）按質量比1∶1∶1混合而成。試驗用減水劑為液態早強型高效聚羧酸減水劑（SP）。試驗使用3種纖維，分別是鋼纖維（ST），長徑比60，即長度為12 mm，直徑為0.2 mm，各技術指標符合JG/T 3064—1999《鋼纖維混凝土》；聚丙烯纖維（PP），長度為15 mm，直徑為25 μm，拉伸強度為500～800 MPa，密度為0.91 g/cm3，各技術指標符合GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》；玄武巖纖維（BS），長度為12 mm，直徑為15 μm，彈性模量為95～105 GPa，密度為2.65 g/cm3，是一種環保型無機纖維且價格低廉，各技術指標符合GB/T 38111—2019《玄武巖纖維分類分級及代號》。

1.2 試驗方法

1.2.1 UHPC制備

根據最緊密堆積理論設計UHPC配合比，具體配比如表2所示。采用稻殼灰替代20%和40%的硅灰，膠砂比固定為1∶1，水膠比固定為0.17，鋼纖維固定摻量為2%（體積比），聚丙烯纖維、玄武巖纖維的摻量分別為0.75%和1.5%（體積比）。

表2 試驗配比

UHPC拌和物制備分為3個步驟。首先，將膠凝材料、骨料等粉體材料放入攪拌鍋內，干拌1.5～2 min，使粉體材料混合均勻；隨后，將稱量的水和減水劑緩慢加入攪拌鍋中，濕拌2～3 min至砂漿拌和物均勻；最后，將不同纖維勻速地加入砂漿拌和物內，繼續攪拌3～5 min。將UHPC拌和物倒入事先備好的三聯鋼模具中（40 mm×40 mm×160 mm），振搗密實，并進行養護。

1.2.2 性能測試

1）流動度：依據GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》，采用跳桌法進行UHPC拌和物流動度測試，測量長短邊直徑，取3次測量數據的平均值，即為流動度值。

2）抗壓/抗折強度：依據GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法》，采用萬能試驗機進行加載，加載速度控制在1 mm/min（抗折強度測試）和5 kN/s（抗壓強度測試），取3個測量值（誤差不大于15%）的平均值為抗折強度數據值。

3）動態彈性模量：依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，制備100 mm×100 mm×300 mm的UHPC棱柱體試件，使用動彈儀測試時需將傳感器緊貼試件表面，動彈儀可以自動計算試件動態彈性模量。

4）起裂強度/撓度：依據日本JSCE SF4規范，制備100 mm×100 mm×400 mm的UHPC棱柱體試件，測試UHPC的四點彎曲性能。為提高試件平整度，需將澆筑面進行打磨拋光，UHPC試件不同位置上的厚度偏差控制在±0.02 mm。從荷載-撓度曲線能獲得多項數據，本文主要采用起裂強度和起裂撓度。

5）體積穩定性：依據JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》，制備25 mm×25 mm×280 mm的三聯模試件，測試其初始長度，隨后將試件置入干縮試驗室（20 ℃±2 ℃，相對濕度60%±5%）養護特定齡期后采用比長儀測試其變形值。干縮率可以通過式（1）進行計算：

6）氯離子擴散系數：依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，制備直徑為100 mm±1 mm、高度為50 mm±2 mm的圓柱體試件，采用快速氯離子遷移系數法（RCM法）測試UHPC的28 d氯離子擴散系數。

2 結果與分析

2.1 流動度

各配比的流動度如圖2所示。可以看出，對比試樣UHPC拌和物具有較高的流動度，達210 mm；一定量（20%）稻殼灰取代硅灰時，UHPC流動度出現小幅增大，而當稻殼灰取代硅灰的量達40%時，UHPC流動度降低，這說明適量稻殼灰對UHPC流動性具有改善作用。主要原因是不同細度的礦物摻合料復合使用時，顆粒間可以相互補充，可以使材料體系粒徑分布更加合理，適量稻殼灰可能使原本填充在顆粒間的水分釋放為自由水，起到改善UHPC流動性的效果；而當稻殼灰摻量較大時，其較高的比表面積與多孔結構會吸附更多的自由水，導致UHPC的流動性變差。當聚丙烯纖維和玄武巖纖維摻量較低時，對UHPC流動度幾乎沒有不良影響，而當混雜纖維摻量繼續增大時，UHPC流動度出現較大幅度的降低。聚丙烯纖維和玄武巖纖維分散性比較差，摻量較大時容易在UHPC拌和物中發生團聚，阻礙了拌和物顆粒的運移，進而降低流動度。

2.2 抗壓/抗折強度與動態彈性模量

測試不同配比UHPC的28 d抗壓與抗折強度如圖3所示。可以看出，在試驗研究的稻殼灰取代量范圍內，UHPC抗壓與抗折強度隨稻殼灰取代量增加而增大，稻殼灰取代40%硅灰時，試樣的抗壓與抗折強度相較對比樣分別高出7.6%和6.8%。值得注意的是，當稻殼灰取代20%硅灰時，試樣抗壓與抗折強度均有明顯增大，而當稻殼灰取代量從20%增至40%時，強度并未呈現顯著增長。與普通混凝土力學性能和水泥熟料水化程度密切相關不同，基于最緊密堆積理論設計的UHPC力學性能主要取決于顆粒級配與堆積密實度。

圖2 各配比UHPC的流動度值

圖3 各配比UHPC的28 d抗壓與抗折強度

本研究采用的稻殼灰平均粒徑在3.8 μm左右，介于硅灰與礦粉/粉煤灰之間，一定量的稻殼灰使UHPC顆粒體系級配更好、密實度更高，進而提高其力學性能。摻入一定量的聚丙烯纖維后，UHPC抗壓、抗折強度均有明顯降低，摻入1.5%聚丙烯纖維的試樣CP2抗壓與抗折強度較不摻聚丙烯纖維的試樣CR1分別低12.3%和22.3%。聚丙烯纖維密度、模量均較低，摻入UHPC后，幾乎相當于在UHPC體系中引入等量的有害孔；再者，聚丙烯纖維與基體界面黏結性能遠不如鋼纖維與基體界面性能[9]。

另一個有趣的現象是，試驗測試的2個玄武巖纖維摻量下UHPC試樣的抗壓強度出現較明顯的降低，但抗折強度降低并不顯著[10]。玄武巖纖維是無機礦物纖維，其化學組成、密度與UHPC基體相近，玄武巖纖維的引入可以看做填料，但這一線形的填料影響了原有顆粒的級配和體系密實度，造成抗壓強度降低；同時玄武巖纖維與基體界面相容性更好，黏結更強，減輕了混雜纖維對UHPC抗折強度的降低效應。

圖4、圖5分別給出了各配比UHPC的28 d動態彈性模量以動態彈性模量同抗壓/抗折強度的關系。可知，適量稻殼灰的摻入一定程度上增大了UHPC動態彈性模量；摻入聚丙烯纖維后，UHPC動態彈性模量出現較大幅度的降低，試樣CP2（含1.5%聚丙烯纖維）的28 d動態彈性模量比試樣CR1降低12.9%；摻入玄武巖纖維后，UHPC動態彈性模量僅小幅降低，可見玄武巖纖維對UHPC動態彈性模量的影響類似于其對抗壓強度的作用效應。此外，相較于對比樣、CR體系，混雜纖維的UHPC試樣動態彈性模量數據的誤差更大。根據水泥基材料動態彈性模量測試原理，材料的諧振頻率決定動態彈性模量數值，而這與材料的密度相關，即動態彈性模量反映水泥基材料的密實度。

圖4 各配比UHPC的28 d動態彈性模量

圖5 28 d動態彈性模量與抗壓/抗折強度的關系

如前所述，一定量的稻殼灰摻入后在其他材料顆粒體系中起到填充作用并改善UHPC密實度，動態彈性模量的增大也驗證了這一推論。而當低彈模的聚丙烯纖維摻入后，其不能在UHPC中起到增韌、增強的作用，并且與基體形成的界面區薄弱，均為導致CP系列彈性模量降低的原因。目前，關于動態彈性模量與混凝土靜態力學性能關系的研究已比較成熟[11]。圖5對動態彈性模量-抗壓強度與動態彈性模量-抗折強度之間的關系分別進行了線性擬合，可以看出，動態彈性模量與抗壓強度、抗折強度分別具有較好的正相關；摻入稻殼灰改性、2種纖維混雜使用并未改變這一規律。這說明對于使用稻殼灰與混雜纖維的UHPC，仍能采用無損測試動態彈性模量的方法預測其靜態力學性能。

2.3 起裂特性

水泥基材料起裂特性包括其在四點抗彎測試下的起裂強度和起裂撓度，不同UHPC試樣的起裂強度和起裂撓度如圖6所示。可以看出，稻殼灰小幅增大了UHPC的起裂強度，但對起裂撓度幾乎沒有影響；聚丙烯纖維的摻入顯著降低了UHPC的起裂強度，但同時增大了其起裂撓度；玄武巖纖維的引入小幅降低了UHPC的起裂強度并顯著增大了起裂撓度。水泥基材料的起裂強度和起裂撓度反映了材料抵抗初始開裂的能力，數值越大說明材料抵抗初始開裂的能力越強。UHPC起裂強度與其自身強度有關，CP系列較低的抗折強度也導致了相應較低的起裂強度；CB系列UHPC的起裂強度降低與CR系列起裂強度升高也是同理。雖然聚丙烯纖維與玄武巖纖維的力學性能遠不如鋼纖維，但二者在UHPC中不僅能夠傳遞應力，還能吸收能量，進而增大UHPC的起裂撓度。

圖6 各配比UHPC的起裂強度和起裂撓度

2.4 耐久性

圖7給出了不同配比UHPC隨齡期的收縮變形規律。可以看出，稻殼灰的使用顯著降低了UHPC的各齡期收縮變形，稻殼灰取代40%硅灰的CR2試樣的7 d和90 d收縮為同齡期CON試樣的69.3%和82.6%，可見稻殼灰對UHPC早期收縮變形的改善作用優于后期，這一現象在CR1試樣中亦較為顯著。水泥基材料收縮主要來自水化后產物總體積減小產生的化學減縮以及中后期水分由內部向外界遷移引起的干燥收縮[12]。

圖7 各配比UHPC收縮變形隨齡期的變化規律

稻殼灰表面有大量微孔，可以在攪拌過程中吸收部分自由水，隨水化反應的持續進行，當基體中濕度降低時，稻殼灰微孔中吸附的水分得以重新釋放，進一步調節UHPC的內部濕度，起到類似于內養護的作用，大幅改善了UHPC的早期收縮；再者，稻殼灰增大了UHPC的密實度、細化孔結構，降低了其內部孔隙的連通性，增大了水分遷移的難度，進而改善其中后期體積穩定性[13]。聚丙烯纖維與玄武巖纖維摻入后，UHPC的收縮變形有不同程度的降低，且降低程度與纖維摻量有關。

同樣的，混雜纖維對UHPC早期變形的改善作用優于中長期變形。在水化早期，UHPC力學性能較低，聚丙烯纖維與玄武巖嵌入水化產物簇，增大水化產物簇-纖維局部抵抗變形的能力，能夠在一定程度上改善化學減縮引起的變形效應；而在水化中后期，UHPC微結構構筑基本完成后，聚丙烯纖維和玄武巖纖維在硬化體中互相交織，增大了內部水分向外部遷移的路徑長度，進而改善其體積穩定性。

盡管UHPC具有極佳的耐久性（抗凍融循環、抗碳化、抗氯離子滲透等），但由于其較高的收縮變形量，氯離子擴散系數對評價UHPC耐久性仍具有一定的參考價值[14]。采用RCM（快速氯離子遷移系數）法測試了不同配比UHPC的28 d氯離子擴散系數，測試結果如圖8所示。可以看出，UHPC的氯離子擴散系數僅為10-14級別，遠小于普通混凝土的10-12。摻入稻殼比較顯著地降低了UHPC的氯離子擴散系數，這與稻殼灰增大UHPC的密實度、改善孔結構有關，這一現象也對應了前文力學性能的測試結果。聚丙烯纖維增大了UHPC的氯離子擴散系數，但增大幅度并不顯著。

有學者對動態彈性模量與氯離子滲透系數之間的關系進行了研究，結果顯示二者呈良好的線性規律，繪制本研究的動態彈性模量與氯離子滲透系數關系，如圖9所示，圖中線性關系較差（相關系數僅為0.44）。這說明，線性關系用來描述混雜纖維UHPC動態彈性模量與氯離子滲透系數之間的關系并不可靠。其主要原因在于，一定量的聚丙烯纖維雖顯著降低了UHPC的動態彈性模量，但對其氯離子滲透系數影響較小。這可能是由于聚丙烯纖維的存在使氯離子滲透的路徑變得更加復雜，一定程度降低了氯離子擴散系數。

圖8 各配比UHPC的28 d氯離子擴散系數

圖9 氯離子擴散系數與動態彈性模量的關系

3 結語

1）適量稻殼灰取代硅灰能小幅改善UHPC流動性，增大其抗壓、抗折強度以及動態彈性模量，同時提高起裂強度、提升耐久性，但對UHPC起裂撓度影響較小。稻殼灰粒徑介于硅灰與粉煤灰/礦渣之間且表面多孔，能形成更優的顆粒級配同時具有一定的內養護作用，因而一定量稻殼灰是制備UHPC的適宜材料。

2）聚丙烯纖維盡管能一定程度地改善UHPC體積穩定性、提高其起裂撓度，但明顯地降低了UHPC的工作性能、力學性能。主要原因是聚丙烯纖維與UHPC基體、鋼纖維性能差距較大，相當于在UHPC中引入薄弱點，不能起到增強、增韌的作用。

3）作為混雜纖維組成用于UHPC時，玄武巖纖維與聚丙烯纖維的作用規律相似，但前者性能優于后者。原因是玄武巖纖維力學性能指標與UHPC基體接近且為無機礦物纖維，在UHPC中起到填料作用；玄武巖纖維與UHPC基體相容性更好，纖維與基體界面性能更佳。