稻壳灰与混杂纤维对超高性能混凝土的影响作用研究

2021-05-14高义

建筑施工 2021年1期

高义

上海建工集团股份有限公司上海 200080

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）由法国学者于20世纪80年代提出，因其具有超高强度、超高密实、高耐久、高抗裂等突出优点受到土木工程师的广泛关注[1]。UHPC抗压强度通常高于120 MPa，远高于传统混凝土材料[2]。钢纤维的大量使用赋予UHPC优异的韧性和断裂能，极大地提高了混凝土结构在极限环境下的结构可靠性。UHPC基体中存在大量未完全水化的水泥熟料颗粒，在开裂时可以继续水化产生自修复效应[3]。UHPC线密度较低，能有效缩减结构尺寸，降低自重，节省材料使用量，具有减少能耗和降低碳排放的优点。目前，UHPC在混凝土结构（尤其在公路桥梁方面）加固、构件连接处、幕墙与装饰品以及钢桥面铺装方面有大量应用，不仅产生显著的经济效益，同时符合“可持续工程”与“绿色工程”的发展理念[4-5]。

组成材料中大量采用的硅灰和钢纤维极大地增加了UHPC成本[6]。对此，国内外学者通过优化材料组成设计方法，采用大掺量工业固废（粉煤灰、矿渣等）制备UHPC，在减少UHPC成本的同时也造成其性能出现一定程度的降低[7]。稻壳灰是稻壳的焚烧残余物，含有大量无定形SiO2以及微纳级孔，可作为辅助胶凝材料用于水泥基材料，提高其力学性能和耐久性[8]。大量研究表明，钢纤维仍是UHPC中不可或缺的组成材料，仅采用有机纤维或多种纤维混杂的方式难以达到UHPC的性能要求。本文基于常规UHPC组成，采用稻壳灰取代部分硅灰，辅以聚丙烯纤维、玄武岩纤维混杂钢纤维制备UHPC，通过测试拌和物流动度、抗压/抗折强度、断裂能、电通量等评价稻壳灰与混杂纤维对UHPC的影响规律，以期为降低UHPC材料成本与提升性能提供新思路。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

胶凝材料包括水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰与稻壳灰。水泥（OPC）：普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），技术指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》，表观密度为3.10 g/cm3。粉煤灰（FA）：Ⅰ级粉煤灰，技术指标符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，表观密度为2.35 g/cm3；矿渣（GGBS）：灰白色粉末，技术指标符合GB/T 18406—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》，表观密度为2.86 g/cm3；硅灰（SF）：灰色粉末，平均粒径为0.5 μm，比表面积为17 800 m2/kg，表观密度为2.10 g/cm3；稻壳灰（RHA）：黑色粉末，经低烧研磨筛分，主要成分为无定形SiO2。胶凝材料各组分的化学组成如表1所示，各材料粒径分布如图1所示。

表1 各胶凝组分氧化物组成

图1 水泥、粉煤灰与矿渣的颗粒粒径分布

UHPC对骨料有较高要求，故选用石英砂（QS），且采用3种不同级配（20～40目、40～80目、80～120目，10目约为1.5 mm）按质量比1∶1∶1混合而成。试验用减水剂为液态早强型高效聚羧酸减水剂（SP）。试验使用3种纤维，分别是钢纤维（ST），长径比60，即长度为12 mm，直径为0.2 mm，各技术指标符合JG/T 3064—1999《钢纤维混凝土》；聚丙烯纤维（PP），长度为15 mm，直径为25 μm，拉伸强度为500～800 MPa，密度为0.91 g/cm3，各技术指标符合GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》；玄武岩纤维（BS），长度为12 mm，直径为15 μm，弹性模量为95～105 GPa，密度为2.65 g/cm3，是一种环保型无机纤维且价格低廉，各技术指标符合GB/T 38111—2019《玄武岩纤维分类分级及代号》。

1.2 试验方法

1.2.1 UHPC制备

根据最紧密堆积理论设计UHPC配合比，具体配比如表2所示。采用稻壳灰替代20%和40%的硅灰，胶砂比固定为1∶1，水胶比固定为0.17，钢纤维固定掺量为2%（体积比），聚丙烯纤维、玄武岩纤维的掺量分别为0.75%和1.5%（体积比）。

表2 试验配比

UHPC拌和物制备分为3个步骤。首先，将胶凝材料、骨料等粉体材料放入搅拌锅内，干拌1.5～2 min，使粉体材料混合均匀；随后，将称量的水和减水剂缓慢加入搅拌锅中，湿拌2～3 min至砂浆拌和物均匀；最后，将不同纤维匀速地加入砂浆拌和物内，继续搅拌3～5 min。将UHPC拌和物倒入事先备好的三联钢模具中（40 mm×40 mm×160 mm），振捣密实，并进行养护。

1.2.2 性能测试

1）流动度：依据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》，采用跳桌法进行UHPC拌和物流动度测试，测量长短边直径，取3次测量数据的平均值，即为流动度值。

2）抗压/抗折强度：依据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》，采用万能试验机进行加载，加载速度控制在1 mm/min（抗折强度测试）和5 kN/s（抗压强度测试），取3个测量值（误差不大于15%）的平均值为抗折强度数据值。

3）动态弹性模量：依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，制备100 mm×100 mm×300 mm的UHPC棱柱体试件，使用动弹仪测试时需将传感器紧贴试件表面，动弹仪可以自动计算试件动态弹性模量。

4）起裂强度/挠度：依据日本JSCE SF4规范，制备100 mm×100 mm×400 mm的UHPC棱柱体试件，测试UHPC的四点弯曲性能。为提高试件平整度，需将浇筑面进行打磨抛光，UHPC试件不同位置上的厚度偏差控制在±0.02 mm。从荷载-挠度曲线能获得多项数据，本文主要采用起裂强度和起裂挠度。

5）体积稳定性：依据JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》，制备25 mm×25 mm×280 mm的三联模试件，测试其初始长度，随后将试件置入干缩试验室（20 ℃±2 ℃，相对湿度60%±5%）养护特定龄期后采用比长仪测试其变形值。干缩率可以通过式（1）进行计算：

6）氯离子扩散系数：依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，制备直径为100 mm±1 mm、高度为50 mm±2 mm的圆柱体试件，采用快速氯离子迁移系数法（RCM法）测试UHPC的28 d氯离子扩散系数。

2 结果与分析

2.1 流动度

各配比的流动度如图2所示。可以看出，对比试样UHPC拌和物具有较高的流动度，达210 mm；一定量（20%）稻壳灰取代硅灰时，UHPC流动度出现小幅增大，而当稻壳灰取代硅灰的量达40%时，UHPC流动度降低，这说明适量稻壳灰对UHPC流动性具有改善作用。主要原因是不同细度的矿物掺合料复合使用时，颗粒间可以相互补充，可以使材料体系粒径分布更加合理，适量稻壳灰可能使原本填充在颗粒间的水分释放为自由水，起到改善UHPC流动性的效果；而当稻壳灰掺量较大时，其较高的比表面积与多孔结构会吸附更多的自由水，导致UHPC的流动性变差。当聚丙烯纤维和玄武岩纤维掺量较低时，对UHPC流动度几乎没有不良影响，而当混杂纤维掺量继续增大时，UHPC流动度出现较大幅度的降低。聚丙烯纤维和玄武岩纤维分散性比较差，掺量较大时容易在UHPC拌和物中发生团聚，阻碍了拌和物颗粒的运移，进而降低流动度。

2.2 抗压/抗折强度与动态弹性模量

测试不同配比UHPC的28 d抗压与抗折强度如图3所示。可以看出，在试验研究的稻壳灰取代量范围内，UHPC抗压与抗折强度随稻壳灰取代量增加而增大，稻壳灰取代40%硅灰时，试样的抗压与抗折强度相较对比样分别高出7.6%和6.8%。值得注意的是，当稻壳灰取代20%硅灰时，试样抗压与抗折强度均有明显增大，而当稻壳灰取代量从20%增至40%时，强度并未呈现显著增长。与普通混凝土力学性能和水泥熟料水化程度密切相关不同，基于最紧密堆积理论设计的UHPC力学性能主要取决于颗粒级配与堆积密实度。

图2 各配比UHPC的流动度值

图3 各配比UHPC的28 d抗压与抗折强度

本研究采用的稻壳灰平均粒径在3.8 μm左右，介于硅灰与矿粉/粉煤灰之间，一定量的稻壳灰使UHPC颗粒体系级配更好、密实度更高，进而提高其力学性能。掺入一定量的聚丙烯纤维后，UHPC抗压、抗折强度均有明显降低，掺入1.5%聚丙烯纤维的试样CP2抗压与抗折强度较不掺聚丙烯纤维的试样CR1分别低12.3%和22.3%。聚丙烯纤维密度、模量均较低，掺入UHPC后，几乎相当于在UHPC体系中引入等量的有害孔；再者，聚丙烯纤维与基体界面黏结性能远不如钢纤维与基体界面性能[9]。

另一个有趣的现象是，试验测试的2个玄武岩纤维掺量下UHPC试样的抗压强度出现较明显的降低，但抗折强度降低并不显著[10]。玄武岩纤维是无机矿物纤维，其化学组成、密度与UHPC基体相近，玄武岩纤维的引入可以看做填料，但这一线形的填料影响了原有颗粒的级配和体系密实度，造成抗压强度降低；同时玄武岩纤维与基体界面相容性更好，黏结更强，减轻了混杂纤维对UHPC抗折强度的降低效应。

图4、图5分别给出了各配比UHPC的28 d动态弹性模量以动态弹性模量同抗压/抗折强度的关系。可知，适量稻壳灰的掺入一定程度上增大了UHPC动态弹性模量；掺入聚丙烯纤维后，UHPC动态弹性模量出现较大幅度的降低，试样CP2（含1.5%聚丙烯纤维）的28 d动态弹性模量比试样CR1降低12.9%；掺入玄武岩纤维后，UHPC动态弹性模量仅小幅降低，可见玄武岩纤维对UHPC动态弹性模量的影响类似于其对抗压强度的作用效应。此外，相较于对比样、CR体系，混杂纤维的UHPC试样动态弹性模量数据的误差更大。根据水泥基材料动态弹性模量测试原理，材料的谐振频率决定动态弹性模量数值，而这与材料的密度相关，即动态弹性模量反映水泥基材料的密实度。

图4 各配比UHPC的28 d动态弹性模量

图5 28 d动态弹性模量与抗压/抗折强度的关系

如前所述，一定量的稻壳灰掺入后在其他材料颗粒体系中起到填充作用并改善UHPC密实度，动态弹性模量的增大也验证了这一推论。而当低弹模的聚丙烯纤维掺入后，其不能在UHPC中起到增韧、增强的作用，并且与基体形成的界面区薄弱，均为导致CP系列弹性模量降低的原因。目前，关于动态弹性模量与混凝土静态力学性能关系的研究已比较成熟[11]。图5对动态弹性模量-抗压强度与动态弹性模量-抗折强度之间的关系分别进行了线性拟合，可以看出，动态弹性模量与抗压强度、抗折强度分别具有较好的正相关；掺入稻壳灰改性、2种纤维混杂使用并未改变这一规律。这说明对于使用稻壳灰与混杂纤维的UHPC，仍能采用无损测试动态弹性模量的方法预测其静态力学性能。

2.3 起裂特性

水泥基材料起裂特性包括其在四点抗弯测试下的起裂强度和起裂挠度，不同UHPC试样的起裂强度和起裂挠度如图6所示。可以看出，稻壳灰小幅增大了UHPC的起裂强度，但对起裂挠度几乎没有影响；聚丙烯纤维的掺入显著降低了UHPC的起裂强度，但同时增大了其起裂挠度；玄武岩纤维的引入小幅降低了UHPC的起裂强度并显著增大了起裂挠度。水泥基材料的起裂强度和起裂挠度反映了材料抵抗初始开裂的能力，数值越大说明材料抵抗初始开裂的能力越强。UHPC起裂强度与其自身强度有关，CP系列较低的抗折强度也导致了相应较低的起裂强度；CB系列UHPC的起裂强度降低与CR系列起裂强度升高也是同理。虽然聚丙烯纤维与玄武岩纤维的力学性能远不如钢纤维，但二者在UHPC中不仅能够传递应力，还能吸收能量，进而增大UHPC的起裂挠度。

图6 各配比UHPC的起裂强度和起裂挠度

2.4 耐久性

图7给出了不同配比UHPC随龄期的收缩变形规律。可以看出，稻壳灰的使用显著降低了UHPC的各龄期收缩变形，稻壳灰取代40%硅灰的CR2试样的7 d和90 d收缩为同龄期CON试样的69.3%和82.6%，可见稻壳灰对UHPC早期收缩变形的改善作用优于后期，这一现象在CR1试样中亦较为显著。水泥基材料收缩主要来自水化后产物总体积减小产生的化学减缩以及中后期水分由内部向外界迁移引起的干燥收缩[12]。

图7 各配比UHPC收缩变形随龄期的变化规律

稻壳灰表面有大量微孔，可以在搅拌过程中吸收部分自由水，随水化反应的持续进行，当基体中湿度降低时，稻壳灰微孔中吸附的水分得以重新释放，进一步调节UHPC的内部湿度，起到类似于内养护的作用，大幅改善了UHPC的早期收缩；再者，稻壳灰增大了UHPC的密实度、细化孔结构，降低了其内部孔隙的连通性，增大了水分迁移的难度，进而改善其中后期体积稳定性[13]。聚丙烯纤维与玄武岩纤维掺入后，UHPC的收缩变形有不同程度的降低，且降低程度与纤维掺量有关。

同样的，混杂纤维对UHPC早期变形的改善作用优于中长期变形。在水化早期，UHPC力学性能较低，聚丙烯纤维与玄武岩嵌入水化产物簇，增大水化产物簇-纤维局部抵抗变形的能力，能够在一定程度上改善化学减缩引起的变形效应；而在水化中后期，UHPC微结构构筑基本完成后，聚丙烯纤维和玄武岩纤维在硬化体中互相交织，增大了内部水分向外部迁移的路径长度，进而改善其体积稳定性。

尽管UHPC具有极佳的耐久性（抗冻融循环、抗碳化、抗氯离子渗透等），但由于其较高的收缩变形量，氯离子扩散系数对评价UHPC耐久性仍具有一定的参考价值[14]。采用RCM（快速氯离子迁移系数）法测试了不同配比UHPC的28 d氯离子扩散系数，测试结果如图8所示。可以看出，UHPC的氯离子扩散系数仅为10-14级别，远小于普通混凝土的10-12。掺入稻壳比较显著地降低了UHPC的氯离子扩散系数，这与稻壳灰增大UHPC的密实度、改善孔结构有关，这一现象也对应了前文力学性能的测试结果。聚丙烯纤维增大了UHPC的氯离子扩散系数，但增大幅度并不显著。

有学者对动态弹性模量与氯离子渗透系数之间的关系进行了研究，结果显示二者呈良好的线性规律，绘制本研究的动态弹性模量与氯离子渗透系数关系，如图9所示，图中线性关系较差（相关系数仅为0.44）。这说明，线性关系用来描述混杂纤维UHPC动态弹性模量与氯离子渗透系数之间的关系并不可靠。其主要原因在于，一定量的聚丙烯纤维虽显著降低了UHPC的动态弹性模量，但对其氯离子渗透系数影响较小。这可能是由于聚丙烯纤维的存在使氯离子渗透的路径变得更加复杂，一定程度降低了氯离子扩散系数。