余志輝，吳立山，張 聰,2

(1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，無(wú)錫 江蘇214000; 2.江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州，221000)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)作為一種新型的水泥基復(fù)合材料，該概念最初由Larrard 和Sedran 提出[1]。根據(jù)Bache發(fā)展的顆粒緊密堆積(densified system with ultra-fine particles, DSP)理論，通常選用超細(xì)顆粒(硅灰或者其他礦物摻合料)填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中，加上細(xì)集料、鋼纖維、高效減水劑，經(jīng)過(guò)特別的澆筑與養(yǎng)護(hù)過(guò)程，從而獲得優(yōu)異的力學(xué)性能及耐久性[2-4]。

以RPC為代表傳統(tǒng)的UHPC通常不含粗骨料，且選用石英砂作為細(xì)集料。石英砂具有堅(jiān)硬、耐磨、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但是相對(duì)于其他砂，其高成本不可忽略，在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用方面仍有很大的問(wèn)題。田耀剛等[5]采用固體廢棄物鐵尾礦砂代替石英砂設(shè)計(jì)制備RPC，28 d抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度可分別達(dá)到117.5和24.2 MPa。天然河砂具有性質(zhì)穩(wěn)定以及形貌良好等特征，常被用作混凝土的主要原材料。隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建造的快速發(fā)展，河砂的過(guò)量開采導(dǎo)致了資源匱乏等一系列問(wèn)題[6-8]，因此，亟須采用新的原材料來(lái)替代傳統(tǒng)河砂。機(jī)制砂是巖石破碎過(guò)程中的副產(chǎn)品，其成本較低且對(duì)環(huán)境影響較小，許多學(xué)者對(duì)其作為混凝土細(xì)集料的可行性進(jìn)行了研究。丁海峰等[9]確定了花崗巖機(jī)制砂級(jí)配、石粉含量、細(xì)度模數(shù)等參數(shù)對(duì)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)花崗巖機(jī)制砂中的石粉含量在6.7%～11.3% 范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，混凝土拌合物的和易性基本不受影響，抗壓強(qiáng)度也保持相對(duì)穩(wěn)定。Yang等[10]用不同粒徑分布的機(jī)制砂部分替代河砂配制UHPC，發(fā)現(xiàn)基體與機(jī)制砂的連接比與河砂的連接更緊密，但UHPC的流動(dòng)性和體積穩(wěn)定性會(huì)受到負(fù)面影響。P.Mahakavi等[11]用機(jī)制砂替代河砂，再生粗骨料替代天然粗骨料，替代率分別為25%、50%、75%、100%。研究結(jié)果表明，摻50% 機(jī)制砂的混凝土硬化性能較對(duì)照料明顯提高，采用機(jī)制砂可以獲得中等強(qiáng)度(20～45 MPa)的抗壓混凝土。目前關(guān)于用機(jī)制砂配制UHPC的研究不多，但由以上研究可得：用機(jī)制砂配制UHPC是可行的，而且是經(jīng)濟(jì)環(huán)保的，其中石粉含量、外貌特征、巖石種類、級(jí)配、細(xì)度模數(shù)等物理參數(shù)是影響UHPC性能的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)UHPC的研究方向逐漸往低成本、高質(zhì)量、生態(tài)友好、規(guī)模化運(yùn)用等方面發(fā)展[12-15]，而不再是一味地追求超高的性能。因此，尋求來(lái)源廣泛價(jià)格低廉的原材料來(lái)替代原來(lái)價(jià)格昂貴的材料，組建生產(chǎn)能耗低、制備工藝簡(jiǎn)單的生產(chǎn)線是UHPC大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵。本文對(duì)比研究了用機(jī)制砂、石英砂、河砂制備的含粗骨料超高性能混凝土(CA-UHPC)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上，研究了不同的鋼纖維長(zhǎng)徑比，不同鋼纖維摻量和鋼纖維的混雜對(duì)機(jī)制砂CA-UHPC力學(xué)性能的影響，以期獲得利用機(jī)制砂制備CA-UHPC 的關(guān)鍵配合比參數(shù)和基本的力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：安徽海螺水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ 52.5型硅酸鹽水泥，表觀密度3.156 g/cm3，化學(xué)組成成分見表1。硅灰：河南鉑潤(rùn)新材料生產(chǎn)的96微硅粉，表觀密度2.21 g/cm3，化學(xué)組成成分見表1。超細(xì)礦渣粉：山東蟠龍山生產(chǎn)的S105級(jí)礦渣粉，表觀密度2.855 g/cm3，化學(xué)組成成分見表1。鋼纖維：選用江西大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的帶端部彎鉤的鍍銅鋼纖維，具體物理參數(shù)見表2。高效減水劑：白色粉劑，減水率>30%。粗骨料：花崗巖，粒徑為5～10 mm。細(xì)集料：1、河砂：表觀密度2.65 g/cm3；2、機(jī)制砂：表觀密度2.57 g/cm3；3、石英砂：表觀密度2.63 g/cm3。所選材料的粒徑分布曲線如圖1所示。

表1 水泥、硅灰、礦粉的主要化學(xué)成分(%質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 鋼纖維的物理參數(shù)

圖1 材料粒徑分布曲線

1.2 配合比

本文基于DSP理論和改進(jìn)的Andreassen模型[16](見式(1))，計(jì)算和優(yōu)化各粒徑范圍顆粒最佳的體積比例，最終實(shí)配曲線和改進(jìn)的Andreassen模型對(duì)比見圖2。

圖2 MAA模型與實(shí)配曲線對(duì)比

(1)

式中：D為粒徑，P(D)為按體積計(jì)算小于粒徑D的累積百分比。Dmin和Dmax分別為混合料中最小粒徑和最大粒徑，q是分布模量，本文q=0.21.

表3是河砂、石英砂和機(jī)制砂及機(jī)制砂摻和不同鋼纖維配制的超高性能混凝土的配合比。其中水膠比為0.16，鋼纖維(或者鋼纖維+碳酸鈣晶須)體積摻量2%。每組配比砂的體積占比保持不變。SF后綴數(shù)字代表鋼纖維的長(zhǎng)度，最后的數(shù)字代表鋼纖維體積百分摻量。

表3 UHPC配合比(kg/m3)

1.3 試驗(yàn)方法

試件的制備過(guò)程如圖3所示。混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率0.8～1.0 MPa/s，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)試件加載速率0.08～0.1 MPa/s，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體。每組3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。采用無(wú)錫東儀制造壓力試驗(yàn)機(jī)，量程為2 000 kN?？箟涸囼?yàn)和抗彎試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖4所示。

圖3 試件制備過(guò)程

圖4 抗壓強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度測(cè)試裝置

2 結(jié)果與討論

所有配比的7及28 d抗壓強(qiáng)度如圖5所示。從圖5中可以看出，7 d的抗壓強(qiáng)度均超過(guò)100 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度均超過(guò)130 MPa。其中，MS-SF15-2組和MS-HSF-1.5組的抗壓強(qiáng)度超過(guò)150 MPa。對(duì)7 d抗壓強(qiáng)度與28抗壓強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，CA-UHPC的7 d抗壓強(qiáng)度約為28 d抗壓強(qiáng)度的80%，這說(shuō)明CA-UHPC前期的強(qiáng)度發(fā)展很迅速，有利于工期的縮短，具體詳見圖6。

圖5 所有配比的7 d及28 d抗壓強(qiáng)度

圖6 CA-UHPC7天抗壓強(qiáng)度與28天抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.1 細(xì)集料的種類對(duì)CA-UHPC力學(xué)性能的影響

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

河砂、石英砂、機(jī)制砂配制的CA-UHPC抗壓強(qiáng)度如圖7所示。由圖7可見，QS-SF15-2組的抗壓強(qiáng)度卻最低，28 d只有131.6 MPa，MS-SF15-2組的抗壓強(qiáng)度最高，28 d達(dá)到了154.6 MPa，比QS-SF15-2組高出17.5%。這與丁慶軍等的研究結(jié)果不太一致。丁慶軍[17]的研究結(jié)果表示用粒徑小于1.18 mm的河砂制備的CA-UHPC的流動(dòng)性、力學(xué)性能和收縮率綜合最佳，而機(jī)制砂CA-UHPC的綜合性能最差。出現(xiàn)這種差異的原因是本研究選用的天然河砂里面含有較粗的砂顆粒，最大粒徑甚至達(dá)到5 000 μm以上，并且天然河砂中含有不少片狀貝殼，這會(huì)使得CA-UHPC內(nèi)部產(chǎn)生更多更大的缺陷，對(duì)基體強(qiáng)度是不利的。此外，從圖1中也可以看出河砂的粒徑分布連續(xù)性較差，不利于材料系統(tǒng)達(dá)到最緊密堆積。除此之外，本文所用石英砂粒徑小于300 μm，對(duì)于CA-UHPC的顆粒緊密堆積非常不利，會(huì)導(dǎo)致基體內(nèi)部不夠密實(shí)，故QS-SF15-2組的抗壓強(qiáng)度最低。MS-SF15-2組的抗壓強(qiáng)度比RS-SF15-2組的抗壓強(qiáng)度高的原因可能是：本文所選用的機(jī)制砂級(jí)配良好，最大粒徑為2.36 mm。并且，與河砂相比機(jī)制砂顆粒表面更多粗糙，具有多棱角特性，這有利于增加細(xì)集料與漿體之間的黏結(jié)，而且機(jī)制砂顆粒之間的咬合作用會(huì)更強(qiáng)。

圖7 河砂、石英砂、機(jī)制砂CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度

圖8表明了河砂、石英砂、機(jī)制砂CA-UHPC 7至28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)情況。由圖4可知，MS-SF15-2組的抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)值最大，說(shuō)明機(jī)制砂替代石英砂或者河砂對(duì)于CA-UHPC抗壓強(qiáng)度的發(fā)展并不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響?？赡艿脑蚴潜疚乃褂玫臋C(jī)制砂中石粉含量為7%，在攪拌過(guò)程中會(huì)吸收部分自由水，間接導(dǎo)致漿體的水膠比降低，增加漿體稠度，有助于抑制骨料的下沉，混凝土的抗離析能力強(qiáng)且保水性好。MS-SF15-2組粘聚性好，骨料被漿體充分包裹，整體性和勻質(zhì)性相對(duì)于RS-SF15-2組和QS-SF15-2組得到改善，所以后期強(qiáng)度發(fā)展比較好。

圖8 河砂、石英砂、機(jī)制砂CA-UHPC 7至28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)情況

2.1.2 抗彎強(qiáng)度

圖9為RS-SF15-2組、QS-SF15-2組、MS-SF15-2組的抗彎試件破壞形態(tài)圖?？梢钥闯?，所有試件在受彎區(qū)內(nèi)都有一條寬度較大的裂縫，這說(shuō)明細(xì)集料種類對(duì)CA-UHPC受彎破壞形態(tài)不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

圖10為RS-SF15-2組、QS-SF15-2組、MS-SF15-2組的28 d抗彎強(qiáng)度。由圖9可見，QS-SF15-2組的抗彎強(qiáng)度最低，28 d抗彎強(qiáng)度為21.32 MPa，RS-SF15-2組和MS-SF15-2組的抗彎強(qiáng)度分別比QS-SF15-2組僅僅高4.7%、10.5%。3組CA-UHPC的抗彎強(qiáng)度相差并不是很大，集中在21～24 MPa之間，這與三組的抗壓強(qiáng)度的差值有很大的不同。這是因?yàn)槔w維混凝土的極限抗彎強(qiáng)度取決于所摻的纖維種類、摻量及長(zhǎng)徑比等關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于本文的CA-UHPC來(lái)說(shuō)，抗彎強(qiáng)度很大程度上取決于基體與鋼纖維的黏結(jié)力以及鋼纖維的利用效率。RS-SF15-2組、QS-SF15-2組、MS-SF15-2組之間的區(qū)別僅僅在于細(xì)集料的不同，所摻鋼纖維的長(zhǎng)徑比、體積分?jǐn)?shù)完全一致，極限抗彎強(qiáng)度相差不大，這說(shuō)明細(xì)集料種類的不同不會(huì)對(duì)鋼纖維的利用效率產(chǎn)生太大的影響，僅僅是影響基體的密實(shí)度從而影響基體與鋼纖維之間的黏結(jié)力。從圖2中不難看出，QS-SF15-2組的實(shí)配曲線與MAA模型相差最大，可以推斷出QS-SF15-2組基體內(nèi)部有較多的缺陷，導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度最低。同理，MS-SF15-2組的抗彎強(qiáng)度最高。

圖9 CA-UHPC抗彎破壞形態(tài)

圖10 河砂、石英砂、機(jī)制砂CA-UHPC的抗彎強(qiáng)度

2.2 鋼纖維對(duì)CA-UHPC力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

鋼纖維摻量是影響CA-UHPC力學(xué)性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就這一參數(shù)開展了一系列研究。本文基于前人的研究，考慮了CA-UHPC的綜合性價(jià)比，將所摻纖維的體積分?jǐn)?shù)定為2%。從圖11可以看出，摻入鋼纖維的MS-SF15-1.5組與MS-SF15-2組均比素混凝土MS組抗壓強(qiáng)度高，分別高出2.34%、12.85%。這主要是因?yàn)殇摾w維隨機(jī)分散到混凝土內(nèi)部，受外力荷載時(shí)抑制裂縫產(chǎn)生并減緩其進(jìn)一步擴(kuò)展，起到加筋補(bǔ)強(qiáng)的作用，從而提高立方體抗壓強(qiáng)度；另一方面，當(dāng)混凝土受壓產(chǎn)生膨脹變形時(shí)會(huì)受到鋼纖維的拉結(jié)約束，從而起到增強(qiáng)效果。從試件的破壞圖中(見圖12)，很明顯地可以看出不摻鋼纖維的MS組試件破壞嚴(yán)重，摻有2%鋼纖維的試件完整性最好。試驗(yàn)過(guò)程中MS組試件都是直接炸裂，脆性明顯；而摻入鋼纖維之后的試件破壞時(shí)具有一定的延性，可以防止試件炸裂。

圖11 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖12 CA-UHPC抗壓破壞形態(tài)

此外，MS-SF15-2組比MS-SF15-1.5組高出10.27%，這說(shuō)明用體積分?jǐn)?shù)0.5%的碳酸鈣晶須等量替代鋼纖維，CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度會(huì)下降。這是由于微米尺度的碳酸鈣晶須對(duì)于毫米尺度的裂縫無(wú)法有效限制。這與張文華等[18]的研究結(jié)論不一致。張文華的研究表明當(dāng)鋼纖維和碳酸鈣晶須復(fù)摻時(shí)，其軸心抗壓強(qiáng)度比單摻鋼纖維時(shí)高8%。這是因?yàn)閺埼娜A摻入碳酸鈣晶須并不是等量替代鋼纖維而是在原有鋼纖維摻量的基礎(chǔ)上再添加碳酸鈣晶須，故與本文得出的研究結(jié)果不一致。

3種不同長(zhǎng)徑比(13/0.2,15/0.2,25/0.3)鋼纖維以及混雜鋼纖維配制的CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖13所示。從圖13中可以看出，隨著長(zhǎng)徑比的增大，CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度也增大。單摻鋼纖維時(shí)，MS-SF13-1.5組的抗壓強(qiáng)度最低，只有 138.1 MPa；MS-SF25-1.5組的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到147.2 MPa?？梢娫?.5%體積摻量下，長(zhǎng)徑比大的鋼纖維更有利于增強(qiáng)CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度。分析原因：纖維在基體內(nèi)部針對(duì)產(chǎn)生的裂紋可起到橋接作用。長(zhǎng)度越長(zhǎng)的纖維，傳遞應(yīng)力的路徑也越長(zhǎng)，同時(shí)裂紋尖端應(yīng)力傳遞到纖維上的概率也會(huì)增加，可在較大程度上減緩裂紋的擴(kuò)展。另外，13 mm短直鋼纖維與25 mm端部帶彎鉤的長(zhǎng)鋼纖維復(fù)摻時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，比單摻鋼纖維的MS-SF13-1.5組和MS-SF25-1.5組分別高11.44%、4.55%。這表明兩種鋼纖維的復(fù)摻比單摻效果更好。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：兩種鋼纖維混雜后隨機(jī)分散到混凝土內(nèi)部，當(dāng)混凝土受壓膨脹時(shí)會(huì)受到兩種不同形狀不同長(zhǎng)度鋼纖維的拉結(jié)約束，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果會(huì)更好。

圖13 鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 抗彎強(qiáng)度

圖14為機(jī)制砂U CA-HPC摻有不同長(zhǎng)度、不同摻量的鋼纖維時(shí)的抗彎強(qiáng)度。從圖14中可以看出，素CA-UHPC的抗彎強(qiáng)度均比摻有鋼纖維的CA-UHPC抗彎強(qiáng)度低，這說(shuō)明鋼纖維的引入可以提高混凝土的抗彎強(qiáng)度。對(duì)比MS-SF13-1.5、MS-SF15-1.5、MS-SF25-1.5三組可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增大，CA-UHPC抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋?1)長(zhǎng)徑比越大，在裂紋處鋼纖維發(fā)揮橋接作用的路徑越長(zhǎng)，對(duì)裂紋擴(kuò)展的限制越有效。此外，15 mm鋼纖維的端部帶有彎鉤，相比于13 mm的平直鋼纖維能夠更好地錨固在基體中，所以MS-SF15-1.5組的抗彎強(qiáng)度高于MS-SF13-1.5組。(2)但是如果鋼纖維長(zhǎng)徑比過(guò)大，纖維在基體中更容易結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致鋼纖維分散均勻性下降，形成鋼纖維和CA-UHPC 基體的低粘接強(qiáng)度界面。當(dāng)其負(fù)面影響大于大長(zhǎng)徑比帶來(lái)的正面影響時(shí)，CA-UHPC的抗彎強(qiáng)度隨之下降，故MS-SF25-1.5組的抗彎強(qiáng)度小于MS-SF13-1.5組和MS-SF15-1.5組。

圖14 鋼纖維對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

對(duì)比MS-SF13-1.5、MS-SF25-1.5、MS-HSF-1.53組可以發(fā)現(xiàn)，纖維混雜后的MS-HSF-1.5組的抗彎強(qiáng)度比單摻纖維的MS-SF13-1.5、MS-SF25-1.5組的抗彎強(qiáng)度分別高18.95%、23.30%。這說(shuō)明在一定摻量范圍內(nèi)，不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維混雜有利于混凝土抗彎強(qiáng)度的提高。這種現(xiàn)象的原因是：在外荷載作用下試件內(nèi)部出現(xiàn)微小裂縫，此時(shí)長(zhǎng)徑比較小的鋼纖維有很強(qiáng)的限制作用；而當(dāng)裂縫寬度逐漸擴(kuò)大時(shí)，細(xì)小纖維逐漸被拔出退出工作，長(zhǎng)徑比較大的纖維因?yàn)橹睆捷^粗，且兩端的錨固作用很強(qiáng)，此時(shí)它在裂縫處的橋接作用越來(lái)越強(qiáng)，能夠有限限制宏觀裂縫的發(fā)展。所以試件在受彎過(guò)程中，混雜的鋼纖維在不同的階段發(fā)揮作用，使得其抗彎強(qiáng)度的提升幅度更大。

對(duì)比MS-SF15-1.5、MS-SF15-2兩組不難看出，引入1.5%鋼纖維加上0.5%碳酸鈣晶須對(duì)于CA-UHPC抗彎強(qiáng)度的提升不如2%的鋼纖維。這說(shuō)明微米級(jí)別的碳酸鈣晶須對(duì)于裂縫擴(kuò)展的限制不如毫米尺度的鋼纖維。綜上所述，對(duì)CA-UHPC來(lái)說(shuō)，在纖維體積分?jǐn)?shù)≤2%時(shí)，纖維對(duì)CA-UHPC抗彎強(qiáng)度的影響程度：纖維摻量>纖維混雜>纖維長(zhǎng)徑比.

3 結(jié) 論

研究了河砂、石英砂、機(jī)制砂配制含粗骨料超高性能混凝土(CA-UHPC)的抗壓性能和抗彎性能，在此基礎(chǔ)上，對(duì)比研究了不同鋼纖維摻量、不同鋼纖維長(zhǎng)徑比和鋼纖維混雜對(duì)于機(jī)制砂CA-UHPC抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)利用機(jī)制砂替代石英砂與河砂配制CA-UHPC，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均得到提升，這與機(jī)制砂良好的級(jí)配有關(guān)。其中，抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa以上，抗彎強(qiáng)度達(dá)到23.56 MPa。

(2)在纖維摻量不超過(guò)2%的情況下，隨著鋼纖維摻量的增加，機(jī)制砂CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均提升。隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，機(jī)制砂CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度增加而抗彎強(qiáng)度卻先增加后下降；鋼纖維混雜有利于機(jī)制砂CA-UHPC抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的提高。

(3)碳酸鈣晶須等量替代鋼纖維時(shí)，CA-UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別下降9.31%，13.24%，說(shuō)明碳酸鈣晶須不宜按替代鋼纖維的方法摻入CA-UHPC中。