機制砂超高性能混凝土的基本性能及優化研究

張 瀟

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110000；2.公路橋梁診治技術交通運輸行業研發中心，沈陽 110000)

超高性能混凝土(UHPC)是一種新型水泥基材料，與普通混凝土不同，UHPC由大摻量的膠凝材料、高效減水劑及高強短細鋼纖維組成，在保證其工作性能的前提下降低水膠比、減小孔隙率和增加密實性，因此具有超高強度、高韌性和優異耐久性，滿足現代工程對建筑材料的更高需求[1-4]。

機制砂作為石英砂、河砂的替代品，已在混凝土行業廣泛應用。采用機制砂部分或完全替代UHPC中石英砂、河砂，不僅可以降低材料成本，也符合國家混凝土行業可持續的發展方向，也是UHPC未來發展的必然趨勢。機制砂是利用碎石或河道卵石經機械破碎并篩分而制成，表面粗糙，且有棱角，并含有一定的石粉含量，所以機制砂的摻入會對UHPC的流動性能、力學性能及耐久性能有著重要的影響[5,6]。

因此，該文在前期UHPC的研究基礎上，探索機制砂替代石英砂不同比例(0、25%、50%、75%及100%)對UHPC工作性能、力學性能、耐久性能等基本性能的影響，且該文進一步通過研究消泡劑最佳摻量，制備出經濟型的免蒸養機制砂UHPC。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1)膠凝材料：水泥采用大連小野田水泥有限公司生產的PO52.5 R普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1；硅灰為上海埃肯公司生產，灰色粉末，比表面積為19 800 m2/kg，密度為2.02 g/cm3；粉煤灰為遼寧某公司生產，灰白色粉末，比表面積548 m2/kg。

表1 水泥物理性能

2)細集料：石英砂采用20～40目石英砂， 機制砂采用0～1.18 mm和1.18～2.36 mm兩種粒徑按6∶4配制而成。

3)減水劑：采用武漢某公司生產的聚羧酸減水劑，固含量40%。

4)鋼纖維：采用上海某公司生產的端鉤型鋼纖維，長度14 mm，直徑0.22 mm。

5)消泡劑：采用德國明凌P803消泡劑。

1.2 制備方法

將稱量好的膠凝材料、細集料、消泡劑等投入干混機中干攪 2 min，制成 UHPC 干粉料，再邊攪拌邊均勻加入稱量好的水及減水劑，攪拌3 min后加入鋼纖維，然后繼續攪拌直至拌和物具有良好的流動性。UHPC拌合后裝入試模，試塊表面及時覆蓋塑料薄膜并將試件移入溫度為(20±2)℃室內養護24 h后拆模，拆模之后水養至測試齡期。

1.3 試驗方法

UHPC的工作性能試驗參照GB /T50081—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》試驗方法進行；UHPC的抗壓強度參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》試驗方法進行，其試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗折強度參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》試驗方法進行，其試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm試件；UHPC的抗氯離子滲透性能及抗凍融性能參照GB /T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》試驗方法進行。

2 試驗結果與討論

2.1 機制砂不同摻量對UHPC工作性能的影響

為了更好地探究機制砂不同摻量對UHPC工作性能、力學性能、耐久性能的影響，試驗具體配比設計見表2，其中水膠比為0.18，膠凝材料用量為1 150 kg/m3，鋼纖維體積摻量為2%，減水劑摻量為2%。編號A0～A4分別為機制砂摻量分別為0、25%、50%、75%、100%的UHPC配合比。

表2 UHPC配合比 /(kg·m-3)

圖1為機制砂不同摻量UHPC 的擴展度試驗結果，由圖可知，編號A0、A1、A2、A3及A4的擴展度分別為720 mm、745 mm、795 mm、775 mm、755 mm，從試驗數據可以得出隨著機制砂摻量的增加，UHPC的擴展度先升高后降低。機制砂摻量50%時，UHPC的擴展度最大，相比于不含機制砂的UHPC試樣A0，A2試樣擴展度提高了10.4%。擴展度先升高后降低的主要原因為機制砂中含有一定量的石粉，石粉的需水量低，且具有微集料作用，相應的減少UHPC用水量，所以摻入一定量的機制砂后UHPC的擴展度增加；但機制砂超過一定比例后，機制砂相比于石英砂表面粗糙、多棱角，其在UHPC漿體中流動阻力變大，從而降低UHPC的流動性。

2.2 機制砂不同摻量對UHPC力學性能的影響

該試驗具體配比設計見表2，機制砂不同摻量的UHPC 28 d抗壓、抗折強度試驗結果見表3。

表3 不同機制砂摻量UHPC試驗結果

從表3可以看出，隨著機制砂摻量增加，UHPC 的抗壓和抗折強度呈現出先上升后下降的趨勢，A0、A1、A2、A3的28 d抗壓強度分別131.3 MPa、136.5 MPa、144.8 MPa、133.1 MPa、128.0 MPa，其中機制砂摻量50%時，UHPC抗壓強度達到最大值；A0、A1、A2、A3的28 d抗折強度分別為25.5 MPa、27.0 MPa、28.3 MPa、23.7 MPa、22.1 MPa，同樣機制砂摻量50%時，UHPC抗折強度達到最大值。機制砂對UHPC力學性能產生影響的原因為：1)機制砂顆粒的表面粗糙和不規則， 增加了UHPC漿體與機制砂之間的粘結力，從而提高UHPC的力學性能；2)摻入一定量的機制砂后，石粉具有微集料效應，優化UHPC的顆粒級配，且一定量的機制砂會使UHPC的流動性增加，UHPC漿體形成更為致密的微觀結構；但隨著機制砂摻量的進一步增加，UHPC 拌合物工作性能變差，導致成型不密實，內部缺陷增加，所以UHPC的抗壓抗折強度呈下降趨勢。

2.3 機制砂不同摻量對UHPC耐久性能的影響

優異的耐久性是UHPC區別于普通混凝土的一項重要特征，該文主要研究UHPC的抗氯離子滲透性能及抗凍融性能。抗氯離子滲透性能采用電通量法，抗凍融性能采用快凍法，試驗具體配比設計見表2，其試驗結果見表4。

從表4中看出隨著機制砂的摻量增加，電通量先減少后增加。機制砂摻量達到25%時，UHPC的電通量最小為155 C；機制砂摻量達到100%，UHPC的電通量也僅為237 C。產生這種現象的原因為一定量機制砂的摻可以提高UHPC 的擴展度，減少內部缺陷產生；機制砂顆粒間的緊密堆積使得混凝土內部的孔隙減少；機制砂的粗糙表面特性，使其與漿體有更強的粘結力，從而使UHPC的抗氯離子性能更加優異。

表4 不同機制砂摻量UHPC的耐久性能試驗結果

從表4中同樣看出隨著機制砂摻量的增加，經過500次凍融循環后試件的質量損失率相差不大，A0、A1、A2、A3的質量損失率分別為0.15%、0.19%、0.22%、0.16%、0.27%，且所有試件表面完好，無任何剝落情況。原因為UHPC體系中膠凝材料含量大，且較低的水膠比導致UHPC內部結構致密，使其具有較大的抗凍脹壓力的能力，所以機制砂的摻量對其抗凍融性能影響較小。

根據機制砂不同摻量UHPC的工作性能、力學性能及耐久性能測試結果，結合UHPC的經濟性能，機制砂的最佳摻量為50%。

2.4 機制砂UHPC性能優化

機制砂UHPC中膠凝材料含量較高，減水劑摻量較大，導致攪拌成型時拌合物中氣泡含量較大，因此可引入消泡劑進一步增加混凝土基體密實性，提高其力學性能。試驗具體配比設計見表5，其中B1、B2、B3、B4、B5的消泡劑摻量分別為0.02%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，試驗膠凝材料用量為1 150 kg/m3，機制砂摻量50%，減水劑摻量2%，鋼纖維體積摻量2%，水膠比0.18。

表5 不同消泡劑摻量的機制砂UHPC配合比 /(kg·m-3)

消泡劑不同摻量的機制砂UHPC 28 d抗折、抗壓強度試驗結果見表6。由表6可以看出隨消泡劑摻入量的增加，試樣的抗折、抗壓強度先升高后降低。當消泡劑的摻量為0.1%時，所制試樣力學性能最佳，其28 d抗折強度為32.9 MPa、抗壓強度為156.1 MPa。這是因為適當摻量的消泡劑一方面能夠抑制混凝土中氣泡的形成，另一方面能破壞混凝土中已形成的氣泡，使凝結后漿體內部結構的孔隙率達到最小，UHPC結構更加致密，從而使混凝土的力學性能得到提高。隨著消泡劑摻量的繼續增加，消泡劑在UHPC中也產生缺陷，若繼續摻加消泡劑，會使缺陷大于其作用，所以UHPC的力學強度會降低。

表6 不同消泡劑摻量的機制砂UHPC試驗結果

3 結 論

a.隨著機制砂摻量的增加，UHPC的工作性及抗壓、抗折力學性能呈現先升高后下降的趨勢，機制砂摻入50%時UHPC擴展度、抗壓強度及抗折強度達到最大值。

b.UHPC的抗氯離子滲透性能隨著機制砂摻量的增加先升高后降低，機制砂摻入25%時UHPC電通量最小；機制砂的摻入對抗凍融性能影響不大。

c.消泡劑的摻入可改善機制砂UHPC的基體密實性，消泡劑的摻量為0.1%時，所制UHPC力學性能最佳，其28 d抗折強度為32.9 MPa，抗壓強度為156.1 MPa。