珠海志美-配料稱重專家-30年專業技術輕質超高性能混凝土的設計與研究[1]

丁慶軍1, 胡俊1, 劉勇強1, 彭程康琰1, 張高展2

(1. 武漢理工大學矽酸鹽工程中心國家重點實驗室，武漢，430070；2. 安徽建築大學材料與化學工程學院，安徽，230601)

摘 要：研究了膠凝材料組成、膠砂比以及鋼纖維摻量對輕質超高性能混凝土（LUHPC）工作性能與力學性能的影響，得出LUHPC最優配合比，提出了LUHPC設計制備方法；對比研究了普通超高性能混凝土（UHPC）與LUHPC的力學性能與體積穩定性能差異；采用SEM-EDS和顯微硬度計分析了LUHPC水泥石以及輕集料界面微結構特征。結果表明：水泥、粉煤灰微珠和矽灰用量分别為804kg/m3、204kg/m3和192kg/m3，水膠比0.18，膠砂比1.8，鋼纖維體積摻量為2.5%時，LUHPC工作性能優異，具有良好的輕質、高強、低收縮性能；相比UHPC，LUHPC比強度更高，體積穩定性優良；陶砂的“緩釋水”作用可使界面處膠凝材料後期持續水化，改善界面處微結構，降低混凝土自收縮。

關鍵詞: 輕質超高性能混凝土; 陶砂; 力學性能； 體積穩定性; 界面微結構

0引言

超高性能混凝土抗壓、抗折強度高，耐久性好，被認為是20世紀最具創新性的水泥基工程材料之一[1]。在橋梁工程、海洋工程、水利工程、核電工程和特種結構等領域具有獨特的優勢[2]。通常超高性能混凝土膠凝材料用量高，摻入大量河砂、石英砂、石英粉[3]，導緻混凝土存在自重大，成本高，收縮大，體積穩定性差等問題，嚴重限制了其在大跨度橋梁、超高層建築等領域的推廣應用，因此降低超高性能混凝土的表觀密度和收縮是其重要的發展方向。超高性能混凝土原材料主要包括膠凝材料、集料、鋼纖維等，為保證其力學性能和耐久性能，膠凝材料和鋼纖維的種類和用量成為關鍵因素，超高性能混凝土的輕質化需從集料入手。我國天然輕集料資源豐富，人造輕集料生産也已初具規模[4]，但國内混凝土工程界仍對輕集料混凝土研究缺乏重視，往往偏重于研究LC50以下非承重結構用普通輕集料混凝土，對輕質超高性能混凝土（LUHPC）缺乏系統研究。

本文利用陶砂替代石英砂（河砂），開展了輕質超高性能混凝土高強度、高韌性與輕質化的協同設計，并對其微觀界面結構與力學性能的相關關系進行分析，以期為輕質超高性能混凝土的制備與推廣應用提供理論依據。

1試驗

1.1 原材料

試驗采用華新水泥股份有限公司P·O52.5矽酸鹽水泥，主要技術指标見表1；礦物摻合料為上海天恺矽粉材料有限公司生産的矽灰，SiO2含量為96%，比表面積21500m2/kg，需水量比為125%，燒失量為3.7%；天津築成新材料科技有限公司生産的粉煤灰微珠，比表面積1300 m2/kg，需水量比為88%，堆積密度650kg/m3，觸變指數為7.5。減水劑為上海三瑞公司生産聚羧酸高效減水劑，固含量20%，有效減水率30%；水為武漢市自來水，符合國家标準。陶砂是由宜昌朗天新型建材有限公司生産，800級頁岩陶粒破碎的1~4.75mm連續級配陶砂，物理性能指标見表2。

1.2 試驗方法

陶砂提前24h預濕至飽和面幹狀态，密封存放。LUHPC制備過程：首先将膠凝材料和預濕陶砂幹拌均勻，再加入80%的水和減水劑，待形成具有一定流動度的漿體時，均勻撒布式加入鋼纖維，最後加入剩餘的水和減水劑。制備的LUHPC中鋼纖維未發生結團現象，消除了鋼纖維分布不均對試驗造成的誤差。

輕骨料混凝土的拌合物性能、幹表觀密度測試按照标準JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規程》進行。混凝土力學性能根據GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法标準》進行，抗壓試件尺寸為100mm×100mm×100mm。水泥基材料早期自收縮至關重要，本文選取非接觸法以GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法标準》中相關規定測試材料早期的自收縮變形。

試驗采用美國FEI公司生産的QUANTA FEG450型場發射掃描電鏡，研究LUHPC界面微觀形貌并利用EDS分析微區成分。采用上海泰明光學儀器有限公司生産的配有金剛石維氏壓頭的HX-1000TM/LCD型顯微硬度計，利用顯微硬度對預濕陶砂周圍養護的區域與水泥基體處的差異進行表征。

2試驗結果與讨論

2.1輕質超高性能混凝土初始配合比設計

基于彈性模量的輕集料組成設計[5]，以及混凝土緊密堆積設計原理[6]，使粉料和輕集料在混凝土中達到最密集堆積狀态，通過測定固體材料的最大密度求得最小空隙率，然後結合富裕漿體理論确定所需的潤滑漿體量，根據強度設計要求選定水膠比為0.18,減水劑摻量均為膠凝材料總量的1.6%。LUHPC初始配合比如表3所示。

2.2 輕質超高性能混凝土配合比優化設計

2.2.1 膠凝材料組成

LUHPC中的膠凝材料用量大，膠凝材料的水化進程對LUHPC力學性能有重要影響，粉煤灰微珠和矽灰作為礦物摻合料，對其工作性能和力學性能均有顯著影響[7]。本節在初始配合比的基礎上，控制膠砂比、水膠比等參數不變，通過調整膠凝材料組成，配合比見表4，研究其對LUHPC工作性能和力學性能等的影響。試驗結果如圖1所示。

L-1~L-3組固定膠凝材料總量和矽灰摻量不變，逐漸降低水泥用量，提高粉煤灰微珠摻量，由于粉煤灰微珠粒度小，具有極佳的“滾珠效應”，能大幅度降低水泥漿體的剪切應力和塑性粘度。同時，粉煤灰微珠在膠凝材料水化早期活性很低，基本不水化，需水量比較低，粉煤灰微珠的摻入增大了膠凝體系的有效水膠比。由圖1可以看出LUHPC的坍落度和擴展度逐漸增加，當粉煤灰微珠用量為228 kg/m3時，新拌LUHPC坍落/擴展度達到225/635mm，此時拌合物表面有輕微泌水現象。随着粉煤灰微珠摻量增加，L-1~L-3組3d齡期時抗壓強度分别為73.8MPa、69.9MPa、65.1MPa，抗壓強度均降低，随着齡期的延長，L-1~L-3組7d、28d強度有較大增長，且差距縮小，說明後期礦物摻合料的火山灰反應促進了強度的發展。

矽灰的火山灰活性極高，其早期便可與水泥水化産生的Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，減小界面過渡區Ca(OH)2晶體的取向程度，提高界面粘結強度，細化混凝土膠凝漿體内部的孔結構，因此由L-3~L-5組可以看出提高矽灰的摻量增加了混凝土的抗壓強度。但是矽灰粒度極小，前期需水量大，由圖1可以看出随着矽灰摻量增加，拌合物工作性能急劇下降，當矽灰摻量為204 kg/m3時，在1.8的水膠比下坍落/擴展度僅為180/585mm，混凝土成型困難。而且從L-4到L-5組其28d強度由96.2MPa提升至96.7MPa，提升幅度極小。因此綜合考慮膠凝材料組成對LUHPC工作性能和力學性能的影響，确定水泥、粉煤灰微珠和矽灰用量分别為804kg/m3、204kg/m3、192kg/m3。

2.2.2膠砂比

在LUHPC中，膠凝漿體分布在陶砂之間的孔隙中，水泥石包裹陶砂，陶砂作為骨架與水泥石構成整體，因此陶砂在LUHPC中具有重要作用。控制膠凝材料總量及比例不變，水膠比為0.18，鋼纖維摻量為2.0%，設計L-6、L-7、L-8、L-9膠砂比分别為1.6、1.7、1.8、1.9，研究膠砂比對輕質超高性能混凝土的工作性能、力學性能及其表觀密度的影響，試驗結果如圖2所示。

随着膠砂比的增加，拌合物中的漿體相對含量增加，陶砂之間的潤滑層厚度增加，使得混凝土拌合物坍落度和擴展度均增加。分析膠砂比對LUHPC力學性能可知，随着膠砂比的增加，抗壓強度呈先增加後降低的趨勢，膠砂比1.8時（L-8組），3d~28d各齡期的抗壓強度值分别為79.2MPa、92.3MPa、101.2MPa，且達到最大值。分析原因可知，當膠砂比較小時，陶砂較多，由于陶砂強度低于水泥石強度，在LUHPC受壓過程中，陶砂首先破壞，若陶砂含量過大，受壓産生的内部缺陷數量大幅增加，導緻抗壓強度較低。當膠砂比達到1.9時，抗壓強度較1.8膠砂比時略有降低，一方面是由于漿體含量的提高增大了混凝土骨料漿體裹覆層厚度，破壞了混凝土的密實堆積結構，削弱了骨料的骨架作用；另一方面，膠凝材料用量提高使骨料的含量減少，對混凝土的約束作用降低，混凝土的脆性增大，反而降低了混凝土的抗壓強度。

同時，由于陶砂質輕，膠砂比越高，LUHPC表觀密度增加。膠砂比為1.8和1.9時的表觀密度分别為2045kg/m3、2105kg/m3。綜合考慮膠砂比對LUHP工作性能、力學性能以及表觀密度的影響，确定膠砂比1.8為宜。

2.2.3 鋼纖維

鋼纖維是制備UHPC時必不可少的原材料。本節主要研究微細鍍銅鋼纖維1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%體積摻量時對LUHPC工作性能、力學性能及其表觀密度的影響，試驗結果見表5。

由于鋼纖維的表觀密度較大，其摻量越高，LUHPC的表觀密度越大，3.0%體積摻量時，LUHPC表觀密度達到2136kg/m3，綜合考慮鋼纖維對LUHPC工作性能、力學性能以及表觀密度的影響，确定鋼纖維的體積摻量為2.5%。此時制備的LUHPC工作性能優異，28d抗壓/抗折強度達到110.5/15.8MPa，彎曲韌性I20達到20.2，表觀密度為2065kg/m3。

2.3 LUHPC與UHPC對比研究

基于輕質超高性能混凝土配合比優化試驗，确定了LUHPC的最優配合比參數，為了研究LUHPC與普通UHPC之間的性能差異，本節控制LUHPC與UHPC膠凝材料組成與用量、水膠比，鋼纖維摻量以及集料體積率一樣，由于輕集料與河砂的表觀密度不同，因此在計算集料用量時，需保證兩者在混凝土中的絕對體積含量一緻。經計算，上述LUHPC中陶砂絕對體積率約36.5%，因此UHPC中膠砂比應為1.2，具體配合比如表6所示。LUHPC與UHPC各項性能見表7。

從表7可以看出，相同配合比下，UHPC力學性能優于LUHPC，這是因為陶砂本身強度較低，且粒徑大于河砂，導緻界面缺陷相比UHPC較多，因此強度有所降低。在對比分析兩者之間的性能差異時，引入比強度[8]概念，指材料抗壓強度與其表觀密度的比值，比強度越大，越能體現材料質輕、高強的特點。由表8可知，LUHPC的比強度為0.0535，而UHPC比強度為0.0515，LUHPC具有良好的輕質、高強特點。

在沒有外在荷載的作用下，混凝土主要有六種收縮變形，它們分别是化學減縮、塑性收縮、自收縮、幹縮、冷縮和碳化收縮[9]。對于超高性能混凝土，由于膠凝材料用量高，自收縮對混凝土性能的影響占主導作用[10]。圖4對比了UHPC與LUHPC的自收縮情況。

分析LUHPC與UHPC的自收縮曲線可知，兩者早期自收縮率增長較快，7d自收縮率已經達到56d的73%左右，且後期逐漸趨于平緩。這是由于早期水泥石中水分較充足，大量膠凝材料參與水化反應，内部濕度降低快，早期收縮大。56d時LUHPC自收縮率為512×10-6，UHPC自收縮率為725×10-6，LUHPC的自收縮較小。這是由于UHPC膠凝材料用量大，水膠比低，且不含粗骨料，因此硬化過程中的自收縮較大，體積穩定性能差。同時，陶砂具有多孔結構特征，經預濕處理後内部蓄有一定量的水分，随着水泥水化消耗大量自由水，預濕陶砂與周圍水泥石的濕度發生變化，在濕差應力作用下預濕陶砂中的水分将逐漸釋放出來，水分從陶砂中的粗孔向水泥基毛細孔遷移，水泥漿得到内部潮濕養護，對混凝土内部相對濕度的下降起到補償作用，減小和延遲了水泥石的自幹燥的作用。在試樣的SEM和EDS測試中，由圖5中的EDS能譜圖中也可以看出靠近輕集料界面處的水泥石Ca/Si更低，膠凝材料水化程度更高。相比于沒有内養護作用的UHPC，LUHPC收縮更小，體積穩定性更好。

2.4LUHPC水泥石及輕集料界面微結構

采用SEM分析LUHPC水泥石以及輕集料界面微結構特征（圖5），可以看出以水泥、矽灰、粉煤灰微珠作為膠凝材料，在低水膠比條件下，未完全水化的膠凝材料微粒起骨架作用，水化産物嵌鑲其中，改善了基體的結構，提高了基體與集料之間的匹配性能，形成的水泥石結構緻密。由于陶砂表面不平整，存在大量孔洞及“地勢”較低的區域，在混凝土硬化之前，膠凝材料微粉和漿體會填充這些空洞，陶砂與水泥石間未見明顯界面過渡區，有較強的界面耦合作用。另外，對陶砂進行飽水預濕後，其内養護作用在水化後期促進了陶砂周圍膠凝材料的水化程度，形成緻密的高強拱殼結構。由圖6距離預濕陶砂邊界不同距離點的顯微硬度變化也可以看出，兩個齡期的顯微硬度值都随着與陶砂邊界距離的增大而減小，并逐步趨于平緩，即表明受陶砂内養護作用的區域有更高的顯微硬度值，陶砂釋水養護促進了周圍水泥漿體的水化硬化，對界面過渡區的結構緻密性以及微觀力學性能有促進作用。

3結論

（1）水泥、粉煤灰微珠和矽灰用量分别為804kg/m3、204kg/m3和192kg/m3，水膠比0.18，膠砂比1.8，鋼纖維體積摻量為2.5%，此時LUHPC工作性能優異，28d抗壓/抗折強度達到110.5/15.8MPa，彎曲韌性I20達到20.2，表觀密度為2065kg/m3。

（2）LUHPC相比于普通UHPC比強度更高，56d時LUHPC自收縮率僅為512×10-6，體積穩定性更好，具有良好的輕質、高強、低收縮性能。

（3）陶砂内養護作用可以使界面處膠凝材料後期不斷吸收陶砂内部孔隙水，低水膠比下的膠凝材料持續水化可以改善混凝土内部微結構，解決UHPC因水分減少導緻的收縮大的問題。同時，陶砂與硬化水泥漿體有較強的界面耦合作用；陶砂周圍形成的高強拱殼結構可分散混凝土受壓時集料所受的壓應力，降低陶砂自身強度低影響混凝土強度的缺陷。

參考文獻

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[10] 蔣正武，孫振平等.國外混凝土自收縮研究進展評述.混凝土，2001，No.4:30～33.

作者：丁慶軍；武漢理工大學矽酸鹽工程中心國家重點實驗室，武漢，430070；

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