不同預濕再生細骨料對UHPC的力學與自收縮性能影響

吳子楊 WU Zi-yang；陳康 CHEN Kang；游嘯 YOU Xiao；程書凱 CHENG Shu-kai

（武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢 430073）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一種高密實高強度的纖維增強水泥基復合材料[1]，其不僅有良好的力學性能和耐久性，還具有較好的韌性，目前已被廣泛使用在較多的工程結構應用中[2，3]。但是，由于UHPC具有極低的水膠比和較高的膠材用量，這會引起其內部毛細孔中水分不飽和，毛細管內負壓增大，從而產生較大的早期自收縮，可能會引起UHPC出現開裂，導致結構出現安全隱患[4，5]。

國內有研究表明內養護材料可以為混凝土內部提供有效的水分來源，降低其內部自干燥，從而抑制早期自收縮、防止混凝土開裂。內養護技術是改善超高性能混凝土早期收縮開裂問題的重要手段之一[6]。內養護技術主要是通過對內養護材料預濕處理使其負載水分來達到對混凝土基體有效內養護的目的。S.H.Kang等[7]研究結果表明，預濕SAP摻入能抑制UHPC內部自干燥現象和自收縮，但同時也會導致UHPC基體的孔隙率增大，力學性能下降。張高展[8]等發現引入預濕LWA會略微降低UHPC的力學性能，可以實現UHPC輕質和低收縮的目的，不同預濕程度還可以改善拌合物的工作性能和體積穩定性能。再生細骨料（Recycled fine aggregate，RFA）具有孔隙率高、吸水率大特點[9]，是一種多孔輕質材料（LWA），具備內養護材料特性。童小根等[10]研究發現，再生砂的摻入不僅可以有效地改善混凝土的收縮性能和抗裂性能，制備出的混凝土滿足C60混凝土強度設計要求，同時具備較好的抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能。張偉等[11]認為吸水飽和的再生骨料能提高高性能混凝土的內部相對濕度，促進水化反應、降低混凝土孔隙率，細化孔徑。葛曉麗[12]等研究發現再生砂可以制備出的具有良好的力學性能UHPC，并且在一定程度上可以優化UHPC的孔徑結構。上述國內學者研究表明了再生細骨料制備UHPC的可行性，但是僅研究了再生細骨料取代率、粒徑與添加劑對其力學性能的影響，對于不同預濕程度處理的再生細骨料對UHPC力學與收縮性能研究較少。本文采用三種不同預濕處理方法，以10%、20%、30%再生細骨料等體積取代石英砂制備UHPC，研究了不同預濕程度及不同摻量再生細骨料對UHPC的抗壓強度、自收縮和抗氯離子滲透性能的影響規律。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料水泥采用的是華新牌P·O 52.5硅酸鹽水泥（OPC），表1為水泥的物理性能；硅灰（SF）采用的是超細硅灰，粉煤灰（FA）：粉煤灰為I級粉煤灰，表2為水泥、硅灰和粉煤灰的化學組成。細骨料采用石英砂（QS，0.40-0.85mm）與再生細骨料（1.18-2.36mm）。QS的表觀密度為2648kg/m3，SiO2的含量超過96%。再生細骨料（RCA）：為漢陽市政公司提供的廢棄建筑物拆除后破碎生產的再生細骨料，詳細的物理特性如表3所示。減水劑：為聚羧酸高效減水劑，含固量40%，減水率為37%。鋼纖維：為冷拉鍍銅微絲鋼纖維，微絲鋼纖維直徑0.25mm，長度14mm，抗拉強度3300MPa。

表1 水泥物理性能

表2 水泥、硅灰和粉煤灰化學組成（%）

表3 再生細骨料物理性能

1.2 試驗設計試驗前將再生細骨料烘干，分三份，其中一份不做預處理保持干燥狀態（D），另外兩份分別進行半預濕（S）和全預濕處理（M）。再生細骨料的取代率分別為10%、20%和30%（等體積取代石英砂）。水泥∶硅灰∶粉煤灰∶細骨料=0.65∶0.25∶0.1∶1，水灰比為0.18，UHPC砂漿配合比如表4所示。將預濕再生細骨料內部水分計算在內，保持基體水灰比不變（附加水+再生細骨料中的水）。其中REF表示不摻再生細骨料組；D10、D20和D30分別表示為干燥狀態下的再生細骨料取代率為10%、20%、30%制備的再生細骨料UHPC；S、M分別表示半預濕和全預濕狀態，詳見表4。

表4 UHPC砂漿配合比

1.3 試驗方法將所需的膠凝材料、水與高效減水劑進行稱取，倒入砂漿攪拌機成型。得到成型的水泥漿體后，將細骨料加入砂漿攪拌機中得到UHPC漿體，最后再加入鋼纖維成型。UHPC成型后，將所成型的UHPC砂漿試樣（40×40×160mm和Φ100×50mm）移入標準養護室養護至3d、7d、28d后取出。取出的試塊采用YAW-300C型號微機控制全自動壓力試驗機測試UHPC的抗壓強度。在UHPC漿體成型后（不含鋼纖維）使用非接觸式波紋管自收縮測定儀測定UHPC的早期自收縮；將養護28d的Φ100×50mm試塊（不含鋼纖維）取出，用NJ-DTL混凝土氯離子電通量測定儀測試UHPC抗氯離子滲透性能。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度在標準養護條件下的再生細骨料UHPC的3d、7d和28d的抗壓強度見圖1。由圖1可知，再生細骨料的摻入會降低UHPC的3d和7d的抗壓強度，但提高其28d的抗壓強度。與REF相比，D10、S10和M10的3d抗壓強度分別下降了40.41%，27.04%和22.87%，7d強度分別下降了25.35%，14.22%和1.29%；D20、S20和M20的3d抗壓強度分別下降了21.94%、29.88%和14.69%，7d抗壓強度分別降低了19.92%、12.74%和0.26%；D30、S30和M30的3d抗壓強度分別下降了46.15%、44.91%和11.37%，7d抗壓強度分別下降了20.65%、11.98%和8.7%。這是因為再生細骨料相比于石英砂具有較高的壓碎值，較低的彈性模量，導致再生細骨料UHPC的抗壓強度較低。

圖1 再生細骨料UHPC抗壓強度

隨著預濕程度的增大，UHPC的28d抗壓強度逐漸增大。D10和S10的28d抗壓強度降低了19.84%和3.47%，但M10的28d強度提高了5.26%；D20、S20和M20的28d抗壓強度分別提高了1.23%、13.14%和16.6%；D30和S30的28d抗壓強度較對照組降低了11.06%、7.23%，但M30的28d抗壓強度提高了1.28%。這是因為隨著UHPC不斷水化反應，其內部相對濕度不斷降低，而再生細骨料能持續釋放水分，促進體系內部膠凝材料的水化程度，產生較多的鈣礬石（AFt）和C-S-H凝膠，提高了UHPC基體28d的抗壓強度。與D、S相比，M的再生細骨料UHPC強度更高。全預濕再生細骨料取代率為20%時，UHPC抗壓強度最好。

2.2 自收縮在UHPC漿體成型后迅速移入自收縮波紋管，得到UHPC漿體早期7d的自收縮圖2。由圖2可知，REF在早期收縮達到1231μm，預濕再生細骨料的摻入可有效地降低UHPC的早期自收縮。與REF相比，D20、S20和M20的7d自收縮分別下降了49.96%、62.08%和74.55%，D30、S30和M30的7d自收縮分別下降了71.78%、78.34%和90.47%。隨著UHPC內部水化地進行，基體內部相對濕度降低，形成毛細管彎月面，導致毛細管產生收縮應力，從而產生收縮，而預濕再生細骨料能夠為基體提供所需水分，延緩內部相對濕度的降低，從而降低其自收縮。相同再生細骨料取代率下，隨著預濕程度的增大，UHPC基體自收縮降低；與D、S相比，M的自收縮降低更為顯著，這是再生細骨料的取代率較大，內部儲存的水分更多，能為UHPC內部提供更多水分，從而有效地降低其內部自干燥過程使得自收縮降低更明顯。相同預濕程度下，隨著再生細骨料的取代率增加，UHPC的自收縮下降幅度逐漸增大。

圖2 再生細骨料UHPC自收縮

2.3 電通量在標準條件養護的再生細骨料UHPC的28d電通量見圖3。如圖3所示，再生細骨料的摻入會提高UHPC基體的電通量；相同預濕程度下隨著再生細骨料的取代率增加，UHPC電通量逐漸降低；相同粒徑下隨著再生細骨料的取代率增加，UHPC電通量逐漸增大。與REF相比，D10～M10，D20～M20，D30～M30的電通量分別升高了75%～50%，55.56%～27.78%、66.67%～44.44%。由于摻入的再生細骨料為多孔輕骨料，其內部含有較多孔隙，為氯離子的擴散提供了許多孔道，從而導致再生細骨料制備的UHPC有著較大的電通量。相同取代率下，隨著預濕程度的增大，UHPC電通量降低。原因可能是預濕再生細骨料的加入促進了UHPC基體的水化反應，生成的水化產物能夠細化UHPC基體內部的孔隙，使得孔隙率降低，電通量降低。相同預濕程度下，再生細骨料取代率為20%制備的UHPC具有較低的電通量。

圖3 再生細骨料UHPC電通量

3 結論

①預濕再生細骨料的摻入會降低UHPC早期抗壓強度，其中3d強度降低11.37%～46.15%，7d抗壓強度降低0.26%～25.35%。但全預濕再生細骨料的摻入可使UHPC的28d抗壓強度提高1.28%～16.6%，其中M20抗壓強度最高，達到了160.76MPa。②預濕再生細骨料能有效降低UHPC的早期自收縮。隨著再生細骨料取代率的增加，UHPC早期自收縮逐漸降低。相同摻量下，預濕程度較高的UHPC的自收縮下降更為明顯，其中，與對照組相比，試驗組M30的7d自收縮為下降了90.47%。③預濕再生細骨料的摻入提高了UHPC的電通量，但隨著預濕程度的增大，再生細骨料UHPC的電通量逐漸降低。在再生細骨料取代率為20%時，再生細骨料制備的UHPC電通量較低。