1、含粗骨料超高性能混凝土的制備及其性能研究摘 要：針對(duì)超高性能混凝土（UHPC）膠凝材料用量大、非綠色化、成本高、自收縮大等問(wèn)題，通過(guò)引入510 mm粒徑的粗骨料，采用普通河砂代替石英砂，并優(yōu)化鋼纖維體積摻量，成功制備出了經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益良好、性能優(yōu)良的含粗骨料超高性能混凝土（UHPC-CA）。研究了粗骨料摻量對(duì)UHPC-CA工作性和力學(xué)性能的影響，并與RPC性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：UHPC-CA的流動(dòng)性能相比RPC有所降低，粗骨料摻量為675 kg/m3的UHPC-CA能保持良好流動(dòng)性能，但隨著粗骨料摻量的增加，流動(dòng)性降低的十分明顯；UHPC-CA抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度低于RPC，彈性模量則高于

2、RPC，不同粗骨料摻量UHPC-CA力學(xué)性能變化并不明顯；UHPC-CA抗氯離子滲透性能和抗凍性能表現(xiàn)良好，但是不如RPC優(yōu)異；摻入粗骨料能夠改善UHPC-CA的自收縮性能，相比RPC，其早期自收縮率明顯降低。 關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；粗骨料；力學(xué)性能；工作性0 前言隨著混凝土建筑物朝著超高、超強(qiáng)等方向發(fā)展，混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸擴(kuò)大，混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復(fù)雜化，對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性能提出了更高的要求。20世紀(jì)90年代，法國(guó)學(xué)者首次提出了“超高性能混凝土” (Ultra High Performance Concrete ，簡(jiǎn)稱(chēng) UHPC)這個(gè)概念，這是一種新型水泥基復(fù)合材料，由

3、水泥、硅灰、石英砂、高效減水劑和鋼纖維等主要材料配制而成?；钚苑勰┗炷粒≧PC）因具有超高的力學(xué)強(qiáng)度、低空隙率、高韌性、高耐久性，備受研究人員的關(guān)注。國(guó)外已有許多關(guān)于RPC在市政、橋梁、隧道和修補(bǔ)加固等領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道，國(guó)內(nèi)雖也有相關(guān)研究，但工程實(shí)例較少。RPC為了提高勻質(zhì)性，除去粗骨料采用石英砂替代，同時(shí)采用高摻量膠凝材料、高效減水劑、鋼纖維等原材料，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高、自收縮大，同時(shí)也不符合國(guó)家推行的綠色建筑材料的發(fā)展方向，嚴(yán)重制約了RPC在實(shí)際工程的推廣和應(yīng)用6。目前，已有文獻(xiàn)資料表明，采用粗骨料來(lái)制備RPC是可行的，但是在RPC中摻入粗骨料對(duì)混凝土性能影響的報(bào)道較少，亦未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外頒布相關(guān)規(guī)

4、范，因此，含粗骨料UHPC的制備和性能有待進(jìn)一步研究。本文從材料本身著手，通過(guò)使用碎石、河砂等材料，并降低膠凝材料摻量，優(yōu)化鋼纖維的體積摻量，制備含粗骨料超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete with coarse aggregate ，簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC-CA)，同時(shí)與UHPC進(jìn)行對(duì)比，研究分析UHPC-CA相關(guān)性能，旨在保障其優(yōu)良性能的同時(shí)降低生產(chǎn)成本、節(jié)約資源、減小自收縮，這對(duì)其在工程上的應(yīng)用更有利。1 試驗(yàn)1.1 原材料 水泥：選用湖北某公司生產(chǎn)的PO 42.5級(jí)水泥，比表面積330 m2/kg，密度3 100 kg/m3，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別

5、為51.2 MPa、8.4 MPa；摻合料：采用自主開(kāi)發(fā)的新型摻合料，該摻合料粉末顆粒微小，具有較高的活性，需水量比大于PO 42.5水泥，能夠提高混凝土的早期、后期強(qiáng)度，能夠抑制混凝土的收縮開(kāi)裂；粗骨料：采用湖北陽(yáng)新輝綠巖，為510 mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度為2 700 kg/m3，壓碎值指標(biāo)為5.9%，含泥量為0.5%，針片狀含量為5%；細(xì)骨料：UHPC-CA采用洞庭湖河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，為區(qū)中砂，含泥量0.5%，表觀密度2 630 kg/m3；UHPC采用粒徑小于1.25 mm連續(xù)級(jí)配的石英砂；減水劑：采用某公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為33.5%，固體粉末；鋼纖維：采用UHP

6、C專(zhuān)用鋼纖維，平均長(zhǎng)度12 mm，平均直徑0.2 mm；水：自來(lái)水。1.2 配合比參考相關(guān)文獻(xiàn)資料 UHPC-CA的配合比及標(biāo)準(zhǔn)GB/T 313872015活性粉末混凝土，本試驗(yàn)?zāi)z凝材料用量定為800 kg/m3，水膠比為0.21。在UHPC-CA的配合比中，粗骨料摻量過(guò)小時(shí)所起的作用和意義不大；而文獻(xiàn)5和文獻(xiàn)9均指出，粗骨料摻量過(guò)大時(shí)將嚴(yán)重影響UHPC-CA的工作性，故本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組UHPC-CA配合比用于研究不同粗骨料摻量對(duì)UHPC-CA力學(xué)性能和工作性的影響，編號(hào)C1、C2及C3配合比中砂率分別為40%、46%及51%；設(shè)計(jì)了1組常規(guī)的UHPC配合比用于對(duì)比試驗(yàn)，具體試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

7、1.3 試驗(yàn)方法將稱(chēng)量好的膠凝材料、減水劑、骨料及鋼纖維倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌3 min，再倒入水?dāng)嚢? min。攪拌完成后進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn)，然后裝模，用振動(dòng)臺(tái)成型，成型后在試模表面覆蓋一層薄膜，防止水分蒸發(fā)，靜停24 h拆模，把試件移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。立方體抗壓試件尺寸100 mm100 mm100 mm，棱柱體抗折試件尺寸100 mm100 mm400 mm，棱柱體靜力受壓彈性模量試件尺寸100 mm100 mm300 mm。坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)方法參照GB/T 500802016 普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試?？箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度及靜力受壓彈性模量試驗(yàn)方法參照GB/T 500812002

8、普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試?？箖鲈囼?yàn)、抗氯離子滲透試驗(yàn)及收縮試驗(yàn)參照GB/T 500822009 普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，其中，抗凍試驗(yàn)采用快凍法，抗氯離子滲透試驗(yàn)采用電通量法，早期自收縮試驗(yàn)采用非接觸法。2 結(jié)果與討論2.1 工作性不摻粗骨料，RPC表現(xiàn)出了良好的流動(dòng)性，坍落度、擴(kuò)展度分別為260 mm、580 mm。摻入粗骨料，UHPC-CA工作性有所下降，且隨著粗骨料摻量從675 kg/m3增加到825 kg/m3，UHPC-CA的坍落度和擴(kuò)展度呈逐漸下降趨勢(shì)，粗骨料摻量為750 kg/m3、825 kg/m3時(shí)，UHPC-CA工作性皆不良，摻675

9、 kg/m3粗骨料的UHPC-CA則流動(dòng)性良好。2.2 力學(xué)性能表2為不同粗骨料摻量UHPC-CA和UHPC的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，相比于UHPC，UHPC-CA抗壓、抗折強(qiáng)度皆有不同程度降低，其中抗折強(qiáng)度下降得十分明顯，約下降了25%。這一方面是由于UHPC-CA摻入粗骨料、降低了膠凝材料及鋼纖維摻量所致；另一方面是摻入粗骨料產(chǎn)生了界面過(guò)渡區(qū)，且粗骨料對(duì)鋼纖維的分散性能產(chǎn)生了不利影響，使其增韌效果下降。對(duì)比不同粗骨料摻量UHPC-CA抗壓、抗折強(qiáng)度可以看出，粗骨料摻量對(duì)UHPC-CA抗壓、抗折強(qiáng)度影響不大，摻675 kg/m3（C3組）粗骨料的UHPC-CA強(qiáng)度略?xún)?yōu)。摻675 kg/

10、m3粗骨料的UHPC-CA 28 d彈性模量為48.5 GPa，對(duì)比UHPC彈性模量提高了約10%，這主要是因?yàn)閾饺氲妮x綠巖碎石本身巖石彈性模量較高，增強(qiáng)了UHPC-CA的彈性模量。隨著粗骨料在一定摻量范圍內(nèi)增加，UHPC-CA的彈性模量增大，但是增幅較小。2.3 耐久性能抗氯離子滲透性能和抗凍性能是混凝土耐久性能評(píng)價(jià)中兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，本文選擇工作性和力學(xué)性能表現(xiàn)皆良好、粗骨料摻量為675 kg/m3的UHPC-CA與UHPC進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究了其抗凍性能和抗氯離子侵蝕性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，UHPC、UHPC-CA 56 d電通量值分別為158 C、201 C，而高速鐵路對(duì)混凝

11、土抗氯離子滲透性能要求56 d電通量值小于1 000 C，這表明二者抗氯離子滲透性能優(yōu)異，且UHPC-CA抗氯離子性能不如UHPC。經(jīng)過(guò)500次凍融循環(huán)后，UHPC及UHPC-CA的質(zhì)量損失率分別為0.13%及0.18%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為97.8%、96.2%，二者質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量損失極小，表現(xiàn)出了優(yōu)越的抗凍性，其中UHPC的抗凍性略?xún)?yōu)于UHPC-CA。UHPC-CA高的力學(xué)強(qiáng)度使混凝土具有較高的抵抗凍脹壓力的能力，同時(shí)由于其自身的水膠比較低、且摻入了特有的摻合料，所以混凝土微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度較高，孔結(jié)構(gòu)得到了極大優(yōu)化，使混凝土表現(xiàn)出較好的抗氯離子滲透性能和抗凍性能。2.4 體積穩(wěn)定性能活

12、性粉末混凝土水膠比低，膠凝材料用量大，使用高性能減水劑等，使得其在初凝后伴隨著較大的自收縮，約占混凝土總收縮值的一半以上，使混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)高。因此，本文研究了粗骨料摻量為675 kg/m3的UHPC-CA早期自收縮性能，并與UHPC進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖1。圖1給出了UHPC-CA和UHPC初凝后72 h自收縮率對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出，UHPC-CA和UHPC的收縮率隨著齡期增加，先急速增加，后降低，再緩慢增加，收縮率降低是因?yàn)樗鞂?dǎo)致溫度上升產(chǎn)生膨脹引起的。72 h時(shí)，UHPC-CA的自收縮率遠(yuǎn)小于UHPC，一方面是因?yàn)閾饺氪止橇?、降低膠凝材料摻量使得單位體積內(nèi)的水泥漿數(shù)量減少，從而減少了水泥水化產(chǎn)生的自收縮；另一方面，粗骨料在水泥基材料中可看作體積固定的組分，對(duì)周?chē)酀{體的自收縮有一定抑制作用。3 結(jié)論（1）摻粗骨料使UHPC-CA流動(dòng)性降低，且隨著粗骨料摻量的增加，降低幅度增大，摻675 kg/m3粗骨料的UHPC-