超高性能海水海砂混凝土性能的影响因素试验研究

2022-04-02朱德举李龙飞郭帅成

湖南大学学报（自然科学版） 2022年3期

朱德举，李龙飞，郭帅成

（1.湖南大学绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南长沙，410082；2.湖南大学土木工程学院，湖南长沙，410082）

我国建筑用砂主要来源于河砂，随着城镇化建设的推进，建筑用砂的需求量也将持续增加.目前，中国砂石产量约占世界总产量的35%，预计2030 年可达2.5×1010t［1］.我国将面临河砂枯竭的困境，因此迫切需要找到河砂的替代品.据不完全统计，中国海砂资源约2×109t，开采条件良好［2］.另外，沿海地区具有丰富的海水资源，如果能利用海水和海砂替代淡水和河砂制备混凝土，这将带来巨大的经济效益.近年来已有利用海砂替代河砂制备混凝土方面的研究，发现海水海砂混凝土中钢筋会加速锈蚀［3］，而且其氯离子结合能力、抗氯离子扩散能力、干燥收缩等会显著影响工程结构的耐久性.众所周知，超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）具有超高强度、优良韧性［4］的同时，还具有均匀致密的微观结构和优异的抗渗性能，这有助于抵抗海水的腐蚀和制约钢筋的锈蚀等.采用海水海砂代替淡水石英砂制备UHPC，将有效避免淡水资源的消耗以及河砂资源开采造成的河床环境破坏，产生巨大的生态效益，将促进UHPC在沿海地区的推广使用.

倪博文等［5］研究了纤维对海砂超高性能混凝土力学性能的影响，结果发现：钢纤维体积掺量为1.5%时，其具备较高的抗压和抗折强度.王越洋等［6］提出了不同海砂颗粒级配对UHPC 性能影响不一的观点，结果表明：0.00～0.15 mm 粒径段海砂加剧流动度损失；0.15～0.30 mm 粒径段海砂有利于提高抗压强度；0.60～1.18 mm 粒径段海砂对抗压强度和抗折强度均不利.Li 等［7］发现海水增强了水泥和矿渣的早期强度发展以及矿渣的水化过程.Teng 等［8］已制备出了强度达180 MPa 的UHPSSC，并得出了海水和海砂的使用会小幅降低UHPSSC 的和易性、密度和弹性模量，对早期强度有一定的提高，但7 d 及以上龄期的强度会略有下降的结论.此外，已有学者使用河砂［9］、回收的碎玻璃［10］、铁尾矿［11］、重金石［12］、花岗岩［13］和铜渣［14］等制备UHPC.大量研究结果表明在UHPC 中掺入纤维，可显著提高混凝土的韧性和延性［15］，其性能与纤维掺量、弹性模量、断裂强度等力学性能及纤维表面特性有直接关系［16-17］.本研究使用原状海砂和人工海水制备UHPSSC，采用正交设计，系统分析了水胶比、砂胶率、硅灰掺量和粉煤灰掺量对UHPSSC 流动度、抗折强度和抗压强度的影响，并研究了短切聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber，PPF）、聚乙烯醇纤维（Polyvinyl Alcohol Fiber，PVAF）、玄武岩纤维（Basalt Fiber，BF）、耐碱玻璃纤维（Alkali Resistant Glass Fiber，ARGF）、超高分子量聚乙烯纤维（Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber，UHMWPEF）及钢纤维（Steel Fiber，SF）对UHPSSC 在80 ℃蒸汽养护48 h 后抗折强度和抗压强度的影响.

1 试验测试

1.1 试件制备

采用“南方牌”P·O42.5 级普通硅酸盐水泥；硅灰SiO2质量分数为97% 以上，比表面积大于18 000 m2∕kg；粉煤灰为普通Ⅱ级粉煤灰；胶凝材料的主要化学成分如表1 所示；海砂取自山东青岛，堆积密度为1 460 kg∕m3，表观密度2 610 kg∕m3，压碎值3.1%，含泥量1.6%，氯离子质量分数为0.012%，硫酸根质量分数为0.11%，贝壳质量分数为1.85%，筛出粒径1.18 mm 以下的颗粒，级配如表2 所示；人工海水根据美国ASTM D-14 标准配制，成分如表3 所示；减水剂为西卡公司生产的聚羧酸型高效减水剂，性能指标如表4所示；短切纤维性能如表5所示.

表1 胶凝材料的主要化学成分Tab.1 Main chemical composition of cementitious materials %

表2 青岛海砂颗粒级配Tab.2 Grain size distribution of Qingdao sea sand

表3 人工海水化学成分Tab.3 Chemical composition of artificial seawater（g·L-1）

表4 减水剂性能指标Tab.4 Performance index of water reducer

表5 纤维性能指标Tab.5 Fiber performance index

本试验配合比设计采用正交设计，如表6 所示，以水胶比、砂胶率、硅灰掺量和粉煤灰掺量为研究变量，变量取值范围参考文献［18］，固定减水剂掺量为2%，消泡剂掺量0.8%，其中水胶比、减水剂掺量和消泡剂掺量为其与胶凝材料的质量之比.先将胶凝材料和海砂干料倒入砂浆搅拌机低速干拌3 min，随后进行翻倒搅拌，缓慢加入水和减水剂低速搅拌3 min，然后进行二次翻搅，高速搅拌2 min至拌合物均匀.测完流动性后进行浇模，试模尺寸为40 mm × 40 mm ×160 mm，并在振动台振动1 min，随后养护24 h 后拆模，进行标养.对于掺加纤维的试件，利用正交试验筛出的最优配比，即每立方来混凝土水泥用量为491 kg、硅灰用量140 kg、粉煤灰用量70 kg、用水量112 kg、海砂用量631 kg.纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%，纤维种类为PPF、PVAF、BF、ARGF、UHMWPEF、SF.形成浆体以后，边搅拌边撒入纤维，搅拌8～10 min 至拌合物均匀，拆模后在80 ℃下蒸养48 h，随后冷却至室温进行性能测试.

表6 正交试验配合比设计Tab.6 Mix proportion design of orthogonal test

1.2 测试方法

新拌UHPSSC 的流动性测试参照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB∕T 2419—2005），强度试验参考《水泥胶砂强度检测方法》（GB∕T 17671—1999），文中的强度结果为测试的平均值.本试验中试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，而《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB∕T 50081—2019）中抗压强度试件尺寸为150 mm × 150 mm × 150 mm，抗折强度试件尺寸为150 mm × 150 mm × 550 mm，由于尺寸效应，采用水泥胶砂的强度试验方法较混凝土力学性能试验方法所测得的抗折强度和抗压强度偏高.

对于正交试验，设计了4 因素4 水平的方案，分别探究了水胶比、砂胶率、硅灰掺量和粉煤灰掺量对UHPSSC流动度及抗折强度和抗压强度的影响，在试验中，每组试验均在同一条件下进行，不考虑各因素之间交互作用.为保证试验结果的可靠性，每组试验重复进行3 次.利用因素指标法，采用公式（1）根据对应指标平均值确定各因素各水平取值.参照文献［19］中的极差分析法，采用公式（2）分别求出各因素平均值极差，根据极差大小，判断各因素的影响程度，判断原则为：极差越大，所对应因素越重要；极差越小，所对应因素对试验影响越不显著.

式中：xi为各因素在各水平下测试值；x为各因素在该水平下试验结果的平均值；Ri为各因素在该水平下试验结果极差；为各因素在该水平下试验结果.

2 结果与讨论

2.1 正交设计试验对UHPSSC性能的影响

2.1.1 对流动度的影响

图1 给出了不同水胶比、砂胶率、硅灰掺量及粉煤灰掺量对UHPSSC 流动性的影响.随着水胶比的增大，UHPSSC 流动度持续增大，在0.18 到0.20 阶段增幅较大，极差R1为96.7 mm，这与水胶比对普通UHPC 流动度影响效果较为一致［20］，但UHPSSC 流动度降幅更大.而随着砂胶率从0.8 增长到1.1，UHPSSC 流动度越来越小，降幅在1.0 到1.1 阶段较小，极差R2为20.3 mm.随着硅灰掺量从10%增大到25%，UHPSSC流动度先增加，随后迅速降低，这是因为硅灰掺量较低时，不能充分填充到水泥细小颗粒之间，因而能保持较高的流动度，而随着掺量的增加，填充到水泥颗粒之间的硅灰越来越多，使得流动度下降明显，在硅灰掺量为15%时，流动度达到最高，极差R3为39.3 mm.随着粉煤灰掺量从10%增大到25%，UHPSSC 流动度差别不大，在粉煤灰掺量为20%时，流动度达到最高，极差R4为4.0 mm.这是因为粉煤灰为表面光滑的球状颗粒，虽然其滚珠效应能改善混凝土的流动性，但在较低掺量下对流动度影响并不明显，而普通UHPC 的流动度则随着粉煤灰掺量的增加逐渐降低［18］.由于R1＞R3＞R2＞R4，故而对UHPSSC 流动度影响的显著性依次为：水胶比＞硅灰掺量＞砂胶率＞粉煤灰掺量.而对普通UHPC 流动度的影响也具有相似的规律，在一定范围内，随着水胶比降低，流动性也逐渐减小，而且主要影响因素也是水胶比［21］.最优配比方案为：每立方米混凝土水泥用量499 kg，硅灰用量115 kg，粉煤灰用量153 kg，用水量169 kg，海砂用量614 kg.

图1 水胶比、砂胶率、硅灰掺量、粉煤灰掺量对UHPSSC流动度的影响Fig.1 Effects of water binder ratio，sand binder ratio，silica fume content and fly ash content on fluidity of UHPSSC

2.1.2 对抗压强度的影响

图2 显示了不同水胶比、砂胶率、硅灰掺量及粉煤灰掺量对UHPSSC 的7 d 及28 d 抗压强度的影响.结果表明，UHPSSC的抗压强度随着龄期的增长有较大幅度提升，当龄期一定时，随着水胶比的增大，7 d及28 d 的抗压强度均越来越小，降幅分别为19.9%和14.0%；随着砂胶率的增大，7 d的抗压强度变化不明显，均在77 MPa左右波动，28 d的抗压强度逐渐增大，增幅达14.2%；随着硅灰掺量的增大，7 d 及28 d的抗压强度均表现出先小幅提升，而后又小幅下降的趋势，两者均在掺量为20%时达到最大，此时抗压强度分别为82.1 MPa 和115.1 MPa，而普通UHPC 的强度随硅灰掺量的增加而逐渐提升，但其硅灰掺量超过25%时对UHPC 提升效果则不再明显［18］；随着粉煤灰掺量的增大，7 d 及28 d 的抗压强度均越来越小，降幅分别达到21.4%和15.2%.各因素极差分析及最优取值如表7 所示，根据各因素极差大小，可以明显看出对UHPSSC 的7 d 及28 d 抗压强度影响的显著性依次为：粉煤灰掺量＞水胶比＞硅灰掺量＞砂胶率；综合考虑各因素对UHPSSC 的7 d 及28 d 抗压强度的影响，可确定其最优配比方案为：每立方米混凝土的水泥用量478 kg，硅灰用量137 kg，粉煤灰用量68 kg，用水量109 kg，海砂用量683 kg.其中硅灰和粉煤灰均可以与水泥水化产生的Ca（OH）2发生火山灰反应生成C-S-H 凝胶，促进混凝土二次水化.此外，硅灰颗粒远小于水泥颗粒，可以通过填充作用进一步提升水化产物的密实度.因为火山灰反应较慢，粉煤灰将降低早期时混凝土的水化程度.因此，随着硅灰和粉煤灰的掺量变化，UHPSSC 的7 d 和28 d 抗压强度有不同的变化规律.

图2 水胶比、砂胶率、硅灰掺量、粉煤灰掺量对UHPSSC抗压强度的影响Fig.2 Effects of water binder ratio，sand binder ratio，silica fume content and fly ash content on compressive strength of UHPSSC

表7 UHPSSC抗压强度的极差分析及最优取值结果Tab.7 Range analysis and optimal value of compressive strength of UHPSSC

2.1.3 对抗折强度的影响

图3 显示了不同水胶比、砂胶率、硅灰掺量及粉煤灰掺量对UHPSSC 的7 d 及28 d 抗折强度的影响.结果表明，UHPSSC的抗折强度随着龄期的增长有小幅度的提升，当龄期一定时，随着水胶比的增大，7 d及28 d的抗折强度均越来越小，降幅分别高达21.3%和23.3%；随着砂胶率的增大，7 d的抗折强度先小幅提升后又小幅降低，在砂胶率为1.0 时达到最大，此时抗折强度为14.1 MPa，28 d 的抗折强度则越来越大，增幅为6.6%；随着硅灰掺量的增大，7 d及28 d的抗折强度均表现出小幅下降的趋势，降幅均在5%左右；随着粉煤灰掺量的增大，7 d 及28 d 的抗折强度均越来越小，降幅分别为14.6%和9.0%.各因素的极差分析及最优取值如表8 所示，根据各因素极差的大小，可以明显看出对UHPSSC 的7 d 及28 d 抗折强度影响的显著性依次为：水胶比＞粉煤灰掺量＞砂胶率＞硅灰掺量；综合考虑各因素对UHPSSC 的7 d及28 d抗折强度的影响，可确定其最优配比方案为：每立方米混凝土的水泥用量688 kg，硅灰用量86 kg，粉煤灰用量86 kg，用水量138 kg，海砂用量860 kg，水胶比0.16，砂胶率1.0，硅灰掺量10%，粉煤灰掺量10%.

图3 水胶比、砂胶率、硅灰掺量、粉煤灰掺量对UHPSSC抗折强度的影响Fig.3 Effects of water binder ratio，sand binder ratio，silica fume content and fly ash content on flexural strength of UHPSSC

表8 UHPSSC抗折强度的极差分析及最优取值结果Tab.8 Range analysis and optimal value of flexural strength of UHPSSC

2.1.4 配合比的优化与验证

根据以上试验结果，可以得出UHPSSC 流动度达到最优的配比方案为：水胶比0.22，砂胶率0.8，硅灰掺量15%，粉煤灰掺量20%.抗压强度的最优配比方案为：水胶比0.16，砂胶率1.0，硅灰掺量20%，粉煤灰掺量10%.抗折强度的最优配比方案为：水胶比0.16，砂胶率1.0，硅灰掺量10%，粉煤灰掺量10%.采用综合平衡法，对各指标的分析结果进行综合比较和分析.对于砂胶率，由于砂胶率在0.8～1.0 阶段，流动度损失十分显著，而对7 d的抗折强度和抗压强度几乎没有影响，对于28 d抗折强度和抗压强度，砂胶率在0.9～1.1 阶段增幅不是十分明显，综合考虑流动度和抗折强度和抗压强度影响，可将最优砂胶率定为0.9，既保证了应有的流动度和成型条件，又兼顾了UHPSSC 的抗折强度和抗压强度.对于硅灰掺量，抗压强度受其波动影响较大，抗折强度几乎不受影响，故可将最优硅灰掺量定为20%，此时流动度也表现良好.而UHPSSC 的抗折强度和抗压强度的最优水胶比、粉煤灰掺量则保持一致，分别为0.16、10%，流动度的最优方案与此有一定的偏差，而本试验以抗折强度和抗压强度为优化目标，在流动度能够保证其成型良好的条件下，可将其最优配比确定为：每立方米混凝土的水泥用量为491 kg，硅灰用量140 kg，粉煤灰用量为70 kg，用水量112 kg，海砂用量631 kg.按照该配比进行制备的UHPSSC，流动度为185 mm，抗折强度可达16.5 MPa，抗压强度高达135.2 MPa，论证了该配比的最优性.

2.2 短切纤维对UHPSSC强度的影响

2.2.1 对抗压强度的影响

表9 给出了不同纤维种类和体积掺量对UHPSSC 抗压强度的影响，结果表明，UHPSSC 的抗压强度随着BF、ARGF 掺量的增加而逐渐降低，降幅分别达14.3%和9.5%；UHPSS（抗压强度）在PPF 掺量为0.1%时达到峰值，为138.8 MPa，随后小幅降低；而UHPSSC 的抗压强度随着PVAF、UHMWPEF、SF 掺量的增加逐渐提升，增幅分别为2.0%、5.1%和15.2%，提升效果依次为SF＞UHMWPEF＞PVAF.这是由于外掺纤维的加入在一定程度上约束了UHPSSC 的横向变形，进而延缓了其破坏进程，从而对改善抗压性能有积极作用.但纤维的掺入使基体内出现了脆弱的交界面，且掺量越大，产生的脆弱界面越多，尤其是对于亲水性强的纤维.当纤维在基体中的积极作用大于其脆弱界面的削弱影响时，抗压强度会随纤维掺量的增加而提升，例如本次试验中的SF、UHMWPEF、PVAF，当纤维在基体中的积极作用小于其脆弱界面的削弱影响时，抗压强度会因为纤维掺量的增加而降低，例如本次试验中的PPF、BF、ARGF.此外，钢纤维具有较高的模量和抗拉强度，且分散性优于其他高分子纤维，因而对力学性能的提升效果更为显著.

表9 不同纤维体积掺量下UHPSSC的抗折强度和抗压强度Tab.9 Flexural and compressive strength of UHPSSC with different fiber volume fraction MPa

2.2.2 对抗折强度的影响

表9 结果表明，加入PPF，会小幅降低UHPSSC抗折强度；随着PVAF 掺量的增加，在掺量为0.1%时，其抗折强度达到峰值，此时为17.3 MPa，随后小幅降低；而UHPSSC 抗折强度随着BF、ARGF、UHMWPEF 及SF 掺量的增加而小幅增大，增幅依次为11.5%、17.0%、9.7% 和9.7%.这是因为PPF 和PVAF 的抗拉强度较其他纤维相对偏低，而UHPSSC强度较高，只有当纤维达到一定强度时才会对其有提升作用.而掺入强度较高的纤维，会对基体中的裂缝起到“桥联作用”，在弯曲荷载作用下，纤维能对UHPSSC基体提供足够的桥联应力，开裂后能显著抑制裂缝进一步扩展，承担基体因开裂释放的部分应力，依靠基体与纤维的黏结将力传递给两侧未开裂的基体，最终因纤维拔出或拔断而破坏.开裂前纤维对其影响较小，开裂后破坏形式同未掺纤维的UHPSSC存在较大差异，改变了其开裂即断的脆性破坏，同时未掺纤维的UHPSSC 断面较为平整，加入纤维后破坏断面较为粗糙，且随着纤维掺量的增加，断面粗糙度显著增加.