粉煤灰在超高性能混凝土中的应用技术研究

　粉煤灰在超高性能混凝土中的应用技术研究

　　摘要：水泥用量大、成本高，限制了超高性能混凝土（UHPC）的发展。以Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠为主要掺合料制备了环保型UHPC，探究了其对工作性能、力学性能及收缩性能的影响规律，并分析了其协同作用效果。结果表明，20%掺量下，Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠体系 UHPC 的工作性能均优于矿粉体系。低掺量条件下，UHPC 的工作性能、力学性能和自收缩性能均随粉煤灰微珠掺量的增加而提高，且各项性能优于矿粉体系。但当粉煤灰微珠掺量大于15%时，不利于 UHPC 的工作性能和力学性能发展。Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠掺量均为10%时，UHPC 的工作性能最佳，力学性能可与矿粉体系持平。

　　0 引 言

　　随着经济的快速发展和城市化进程的不断推进，各类基础设施建设迅速发展。超高层建筑与大跨度桥梁等对工程材料的力学性能和耐久性提出了更高的要求。由于超高性能混凝土（UHPC）的力学性能和耐久性明显优于普通混凝土和高性能混凝土，因而在世界范围内受到了广泛的关注。传统UHPC用水量极低（水灰比一般为 0.14~0.22），主要由水泥、石英砂、硅灰、石英粉等超细粉体组成。通过优化上述粉末的颗粒填料效应，可以实现高致密结构。与普通混凝土不同的是，UHPC中的粗骨料由极细石英砂代替，水泥用量通常在800~1000kg/m3。然而，超高水泥用量增加了 UHPC 的生产成本，制约了 UHPC 的发展。

　　采用矿物掺合料替代水泥是解决上述问题的可行途径。Chong等的研究表明，采用水胶比分别为0.14、0.16、0.18的三元胶凝材料（水泥70%、硅灰10%、矿粉20%）制备的超高性能混凝土，28d抗压强度分别达到150、140、120MPa。Shi等的研究表明，当矿粉替代25%水泥时，超高性能混凝土的抗压强度在3d时有所降低，56d抗压强度达到113.7MPa。Yalnkaya和Opurolu的研究表明，当水胶比为0.20时，随着矿渣掺量由0增加至25%，超高性能混凝土的28d抗压强度从90MPa提高到100MPa。超高性能混凝土的抗压强度虽然远远高于普通混凝土，但存在收缩大的问题。刘建忠等、叶光和Nguyen的研究表明，当掺入一定量粉煤灰和稻壳灰时，超高性能混凝土的收缩可以得到有效改善。本文以Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠为主要掺合料，研究其对UHPC工作性能及力学性能的影响，同时探明其对自收缩的协同作用效果，并分析了硬化浆体孔结构的变化，试验结果将为实际工程应用提供一定的理论基础和实践参考。

　　01试验

　　1.1 原材料

　　水泥：广东清新海螺水泥有限公司P·Ⅱ52.5R水泥，比表面积437m2/kg，符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；硅灰：SiO2含量96.34%，比表面积19500m2/kg，甘肃裕洋新材料有限公司，符合GB/T27690—2011《砂浆混凝土用硅灰》的要求；粉煤灰微珠：SiO2含量56.5%，比表面积2431m2/kg，天津筑成粉煤灰微珠有限公司；粉煤灰：Ⅰ级，需水量比92%，比表面积645m2/kg，烧失量4%，28d活性指数72%，山东顺科建材科技有限公司；矿粉：S95级，比表面积448m2/kg，碱度为0.91，山东昌盛源矿渣微粉有限公司。胶凝材料的主要化学成分见表1。

　　石英砂：中粒径砂，东川佗城隆源石英砂厂，m（16~20目）∶m（26~40目）∶m（80~120目）=1∶1∶1，符合GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》的要求。钢纤维：上海真强纤维有限公司产，直径0.2mm，长度13mm，抗拉强度为2600MPa。外加剂：上海三瑞高分子材料股份有限公司产高性能聚羧酸高效减水剂，固含量40%，减水率27%，符合GB8076—2008《混凝土外加剂》的要求。拌合用水：自来水。

　　1.2 配合比及制备方法

　　为探明粉煤灰微珠与Ⅰ级粉煤灰在UHPC中的协同作用效果，设计了如表2所示UHPC土配合比。将胶凝材料和细骨料按照设计配合比称量后在卧式搅拌机中搅拌混合30s；将称好的外加剂和水共同加入搅拌机后搅拌3min；最后将钢纤维加入上述拌合物中搅拌1min。抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm，抗折强度及自收缩试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

　　1.3 试验方法

　　参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的扩展度方法评价拌合物的工作性能；将成型后的混凝土试样在标准条件下[温度（20±1）℃，相对湿度＞95%]养护至28d，按照GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》进行抗压及抗折强度测试，加载速率分别为1.4、0.1MPa/s；参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》，采用非接触式混凝土收缩变形测定仪（LP-SSF）对混凝土不同水化阶段的自收缩特性进行评价；采用压汞法（MIP）分析硬化浆体的孔结构特征，接触角估计为140°，测试压力0~350MPa。

　　02试验结果与分析

　　2.1 粉煤灰对UHPC工作性能的影响

　　由表3可见，以水泥-硅灰-矿粉三元胶凝材料体系（矿粉体系）为对比样，与此相比，由于滚珠效应（颗粒形态效应），Ⅰ级粉煤灰与粉煤灰微珠体系样品具有更优异的工作性。同时，粉煤灰微珠体系的工作性能优于Ⅰ级粉煤灰体系。这可能是由于水泥在水化初期极易产生凝聚或者絮凝作用，粉煤灰微珠借助其颗粒细小的形态特点能够物理分散水泥絮凝体，使较多的絮凝吸附水游离出来，降低浆体的需水量，有效提高了混凝土的工作性能。对于粉煤灰微珠体系，硅灰用量由20%降至18%时，混凝土扩展度由520mm增大至560mm，表明适当降低硅灰的用量可在一定程度上提高工作性。这主要是由于硅灰高比表面积引起的自由水吸附增多所致。当微珠的用量由200kg/m3降至150kg/m3时，混凝土的工作性提升不显著，说明在该用量范围内，微珠的滚珠作用与表面吸水作用基本处于平衡状态。对于Ⅰ级粉煤灰和微珠复合体系，随微珠与Ⅰ级粉煤灰比例的增大，混凝土扩展度呈显著增大的趋势，且均优于单独使用Ⅰ级粉煤灰或微珠体系的工作性。显然，两者复合在级配上更加合理，能够在亚微米与微米层次上降低颗粒间摩擦力。

　　2.2 粉煤灰对UHPC力学性能的影响

　　由表4可见：粉煤灰微珠体系的强度均高于矿粉体系。这主要有2个方面原因：一方面，粉煤灰微珠粒径较小，在水泥水化过程中对水化产物具有诱导成核的作用，促进了水泥的水化；另一方面，微珠具有良好的滚珠效应与孔隙填充效果，有效提高了硬化浆体的密实度。虽然Ⅰ级粉煤灰同样能够提升混凝土的工作性，降低硬化浆体的孔隙率，但由于其活性较低，会显著降低混凝土的力学性能。当采用Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠按1∶1质量比复掺时，UHPC不仅具有良好的工作性能，其力学性能可超过矿粉体系。

　　2.3 粉煤灰对UHPC收缩性能的影响

　　在封闭等温条件下，随着水化过程的不断推进，水化产物的形成不断消耗水分，使得胶凝材料体系宏观尺寸逐渐减小，即发生自收缩。一般而言，毛细孔中含有少量的游离水和空气。孔隙中的水/空气弯月面产生压力，导致显著的体积收缩。UHPC自收缩测试结果如图1所示。

　　由图1可见，对比样矿粉体系的自收缩最显著，Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠的掺入均可有效降低UHPC的自收缩，并且随粉煤灰微珠掺量的增加，自收缩呈增大的趋势。无论是Ⅰ级粉煤灰还是粉煤灰微珠，其火山灰活性均低于矿粉，导致混凝土早期水化反应慢，UHPC的自收缩应力降低，因而粉煤灰体系的自收缩值较小。此外，Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠的微集料效应可有效改善硬化浆体的孔结构，降低混凝土的孔隙率，减小混凝土内部应力，从而抑制自收缩。粉煤灰微珠对水泥具有良好的水化诱导效应，会促进水泥生成更多水化产物，从而导致自收缩增大，并且用量越高，水化促进作用越明显，自收缩增大越显著。自收缩测试结果与力学性能测试结果吻合。

　　2.4 孔结构分析

　　UHPC养护28d的孔径分布如图2所示，孔体积分布如表5所示。

　　由图2可见，孔径分布微分曲线的第一峰（即临界孔径）均小于0.1μm。与矿粉相比，粉煤灰微珠具有更强的优化孔隙结构的能力。在Ⅰ级粉煤灰-粉煤灰微珠复合体系中，随粉煤灰微珠掺量的增加，孔径分布曲线显著向左移动。这是由于少量微珠的引入不仅起到良好孔隙填充效果，同时还表现出较好的水化诱导效应。然而，当微珠掺量较多时（即2#~4#试样），随其掺量的增加，孔径分布曲线反而向右偏移。这可能时由于高掺量微珠引起需水量增大，影响了UHPC的密实程度，从而不利于强度的发展。

　　由表5可见，所有样品的孔径分为4个部分：＞100nm的大孔、50~100nm的中孔、10~50nm的细孔和＜10nm的凝胶孔。其中4#样品的凝胶孔含量最高，表明该样品中的凝胶类水化产物含量最高，这也与力学性能和自收缩测试结果相吻合。由于Ⅰ级粉煤灰的活性较低，因此含有Ⅰ级粉煤灰样品的凝胶孔含量低于对应的粉煤灰微珠体系。此外，Ⅰ级粉煤灰粉煤灰微珠复合体系中，增加微珠含量显著提高了凝胶孔含量，降低了毛细孔含量。据最紧密堆积理论，不同粒径的颗粒堆积在一起形成致密的结构。由于粉煤灰微珠的粒径介于Ⅰ级粉煤灰和硅灰之间，其掺入提高了微观结构的密实度，导致细孔的增多和大孔的减少。

　　03结语

　　（1）Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠的掺入均能够改善UHPC的工作性能。低掺量条件下，UHPC的工作性能随粉煤灰微珠掺量增大而降低。

　　（2）Ⅰ级粉煤灰的掺入不利于UHPC的力学性能，但复合粉煤灰微珠可提高UHPC的力学性能，当采用Ⅰ级粉煤灰和粉煤灰微珠按1∶1质量比复掺时，UHPC不仅具有良好的工作性能，其力学性能可超过矿粉体系。

　　（3）无论是Ⅰ级粉煤灰还是粉煤灰微珠，均能够显著降低UHPC的自收缩，二者复合使用不仅使UHPC具有良好的工作性能和力学性能，同时可优化孔结构，降低UHPC的自收缩。