利用玄武岩粉末制备超高性能混凝土及其性能研究

2022-12-06高岳毅何海波张文华

新型建筑材料 2022年11期

高岳毅，何海波，张文华

（1.江苏省安全生产科学研究院，江苏南京 210042；2.南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037）

0 引言

随着社会的快速发展，如今建筑物逐渐向超高层以及大跨度方向发展，对于混凝土材料的耐久性能、强度等要求也越来越高[1]。超高性能混凝土（UHPC）是一种水泥基复合材料，由于其水胶比低，设计精细，具有高强度和高耐久性，抗压强度可达150 MPa以上，抗拉强度可达10 MPa左右[2-4]。已成为水泥基材料研究的热点。

但UHPC中高掺量的超塑化剂、钢纤维和某些细骨料导致UHPC的成本比普通混凝土高得多。为了降低成本，戎志丹等[5]通过掺入超细工业废渣取代水泥、超高硬度细集料以及采用高温干热养护制度，成功制备出超高性能水泥基复合材料。李响[6]通过使用含有矿物掺合料的水泥基材料配制混凝土，可综合利用工业固体废渣。然而，水泥和硅灰的大量使用使得能耗与CO2的排放居高不下，不利于目前碳中和的环保理念。因此，UHPC的高成本、高能耗和CO2的大量排放限制了UHPC的广泛应用。绿色可持续发展是当前紧迫的课题，从材料的角度来看，开发绿色UHPC非常重要。

玄武岩粉末是玄武岩开采过程中产生的废弃材料[7]，如不能够进行妥善处置，不仅会占用大量的土地资源，而且还会对环境会造成污染。玄武岩粉末颗粒粒径较细，虽然具有一定的活性，但活性不高，因此本试验利用玄武岩粉末取代河砂制备UHPC，研究水胶比及玄武岩粉末掺量对UHPC力学性能的影响。结合压汞试验、XRD、SEM分析养护温度对玄武岩粉末UHPC微结构的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：江南小野田公司P·Ⅱ52.5水泥，比表面积385m2/kg，密度3.01 g/cm3，主要化学成分如表1所示；硅灰：比表面积2050 m2/kg，密度2.1 g/cm3；粉煤灰：江苏某电厂，Ⅰ级，密度2.7 g/cm3；矿渣：S95级，比表面积450 m2/kg，密度2.8 g/cm3；减水剂：江苏苏博特股份有限公司产聚羧酸高效减水剂，减水率40%～50%；钢纤维：平直型，直径0.2 mm，长度13 mm，密度7.8 kg/m3；玄武岩粉末：玄武岩开采过程中产生，平均粒径74μm；河砂：细度模数2.6，密度2.6 g/cm3。

表1 水泥的主要化学成分 %

1.2 配合比的设计

超高性能混凝土的配合比见表2，固定m（水泥）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（矿渣）=6∶1∶1∶2，减水剂掺量（按占胶凝材料质量计）为2%，钢纤维体积掺量为1%。设计水胶比分别为0.16、0.18、0.20、0.22、0.24，玄武岩粉末掺量（等质量取代河砂）分别为40%、45%、50%、55%、60%，研究UHPC性能的变化。

表2 超高性能混凝土的配合比

1.3 样品的制备

根据表2的配合比称量胶凝材料、玄武岩粉末及河砂，将其缓慢搅拌3 min使原料混合均匀。搅拌完后，将水与高效减水剂倒入搅拌锅内搅拌，慢速搅拌5 min，待砂浆混合物搅拌均匀形成浆体后，加入钢纤维并搅拌1 min。UHPC搅拌均匀后倒入40 mm×40 mm×160 mm模具中成型，放置24 h后拆模，然后置于标准养护室中（温度20℃、相对湿度90%）养护28d；为了研究高温对UHPC的影响，将配合比BP5另一部分试块放置于高温养护箱中（温度90℃、相对湿度90%）养护3 d，再放置于标准养护室中养护到28 d。

1.4 测试方法

（1）抗折和抗压强度：依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，采用全自动抗折抗压一体机进行测试。

（2）微观分析：将试样破碎成小块，浸泡在无水乙醇中，终止水泥水化。浸泡48 h后将样品取出，置于含有硅胶的真空干燥器中，干燥至恒重。采用美国麦克仪器公司生产的Auto PoreⅣ9510压汞仪对不同养护温度下UHPC的孔径分布进行测试分析。采用XRD对不同养护温度下UHPC的水化产物进行分析，扫描范围5°～70°，速率为10°/min。采用SEM对不同养护温度下UHPC的微观结构进行分析。

2 结果与讨论

2.1 水胶比对UHPC抗折及抗压强度的影响（见表3）

表3 水胶比对UHPC抗折及抗压强度的影响

由表3可见，随着水胶比的增大，UHPC的抗折强度明显降低。水胶比为0.16时，UHPC的抗折强度为34.91 MPa；水胶比增大至0.24时，UHPC的抗折强度仅为21.60 MPa，较水胶比为0.16时降低了38.13%。这是因为随着水胶比的增大，胶凝材料相对减少，从而导致水泥基体的粘结能力减弱，与钢纤维的粘结能力有所降低。此外，由于水胶比的增大，导致混凝土内部的孔隙也有所增加，从而使得内部缺陷的数量有所增多，因此抗折强度大幅降低。与抗折强度的变化趋势相似，UHPC的抗压强度随着水胶比的增大也有所降低，但降幅低于抗折强度的变化。水胶比为0.16时，UHPC的抗压强度为128.06 MPa；当水胶比为0.20时，UHPC的抗压强度较水胶比为0.16时降低了12.06%；当水胶比增大至0.24时，UHPC的抗压强度较水胶比为0.16时降低了28.64%。这说明水胶比对UHPC抗折强度的影响远远大于对抗压强度的影响。

2.2 玄武岩粉末掺量对UHPC抗折及抗压强度的影响（见表4）

表4 玄武岩粉末掺量对UHPC抗折及抗压强度的影响

由表4可见，随着玄武岩粉末掺量的增加，UHPC的抗折及抗压强度均先提高后降低。当玄武岩粉末掺量为40%时，UHPC的抗折及抗折强度最低，分别为22.73、104.59 MPa；当玄武岩粉末掺量为55%时，UHPC的抗折及抗折强度最高，分别为34.91、128.06 MPa，较掺量为40%时分别提高53.58%、22.44%；当玄武岩粉末掺量为60%时，UHPC的抗折及抗折强度分别为30.68、113.24 MPa，较掺量为55%时分别降低了12.12%、11.57%。

这是因为玄武岩粉末加入会促进水泥的水化反应，生成有助于提高强度的物相；同时，玄武岩粉末的加入会使得基体的粘结强度有所提高。在此双重作用下，随着玄武岩粉末掺量的增加，UHPC的抗折强度大幅提高。值得注意的是，此部分试验是在水胶比为0.16条件下进行的，当玄武岩粉末掺量达到60%时，UHPC的强度远远高于水胶比为0.20时的强度。因此，UHPC中掺入玄武岩粉末可以有效提高UHPC的强度，表明将玄武岩粉末这一固废应用于UHPC可以在提高材料强度的同时，有效地实现固废资源化利用。

2.3 养护温度对玄武岩粉末UHPC微观结构的影响

为了研究养护温度对玄武岩粉末UHPC微观结构的影响，选取BP5试件（水胶比为0.16、玄武岩粉末掺量为60%）为代表进行研究。图1、图2分别为BP5试件在不同养护温度下，试件的孔径分布积分曲线及累积孔径体积分布曲线。

由图1、图2可以发现，玄武岩粉末UHPC的最可几孔径随着养护温度的升高而减小。当养护温度为20℃时，最可几孔径为32.35 nm；而当养护温度为90℃时，最可几孔径为53.41nm。说明随着养护温度的升高，玄武岩粉末UHPC的内部孔结构得到了改善。当养护温度为20℃时，玄武岩粉末UHPC内部孔直径大多都大于50 nm，有害孔和多害孔居多。而当养护温度为90℃时，其内部出现大量小于20 nm的孔，主要以无害孔和少害孔居多。这样表明，随着养护温度的升高，玄武岩粉末UHPC内部越来越紧密，温度的升高有效减少了混凝土内部的孔隙，进而提高了混凝土内部的密实度，使混凝土的性能得以加强。

图1 BP5试件的孔径分布积分曲线

图2 BP5试件的累积孔径体积分布曲线

不同养护温度下水化产物的XRD图谱如图3所示。

图3 不同养护温度下水化产物的XRD图谱

由图3可见，Ca（OH）2晶体的衍射峰强度随养护温度的升高而逐渐降低。这是因为随着养护温度的升高，水泥水化速度加快，同时，高温促使Ca（OH）2在水中的溶解度进一步提高。高温下Ca（OH）2溶解度的提高及火山灰反应的加速，使原来结晶的Ca（OH）2溶解出来参加水化反应，使得Ca（OH）2晶体含量降低，大多数的水化产物Ca（OH）2晶体很快在火山灰反应中消耗掉。随后，由溶解的硅粉颗粒及其水化C-S-H凝胶的形成，都抑制了游离状较大的Ca（OH）2晶体在水化阶段的生长。较多的二氧化硅和氧化铝存在于粉煤灰和玄武岩粉末中，其可与水泥水化析出的Ca（OH）2发生水化反应，生成水化铝酸钙和水化硅酸钙。如果有硫酸根离子同时存在，则可生成水化硫铝酸钙，使混凝土结构的强度提高，密实度增加。这是因为Ca（OH）2是混凝土的脆弱部分，消耗Ca（OH）2产生更密实的托贝莫来石结构，可以使UHPC具有较高的强度。温度的提高可以促进矿物掺合料与Ca（OH）2进行二次水化，因此超高性能混凝土内部结构密实度得以提高，混凝土的微观结构进一步优化。

不同养护温度下玄武岩粉末的微观形态如图4所示。

图4 不同养护温度下玄武岩粉末的微观形态

由图4可见，玄武岩粉末均呈颗粒状，在养护温度为20℃时，粉煤灰表面比较光滑，玄武岩颗粒表面有少量晶体吸附在表面，这说明一些玄武岩颗粒已开始与Ca（OH）2发生火山灰反应，Ca（OH）2有所消耗。玄武岩表面出现纤维状晶体，硅酸盐水泥熟料水化生成的C-S-H凝胶和Ca（OH）2晶体被吸附在粉煤灰颗粒的表面。养护温度为90℃时，玄武岩颗粒的表面很粗糙。这充分说明，养护温度的提高可以提高水泥的水化反应程度，加快火山灰反应。

为了研究养护温度对UHPC性能的影响，将BP5配合比试样分别进行20℃和90℃下养护，不同养护温度下玄武岩粉末UHPC的力学性能如表5所示。