基于MAA模型的水泥基UHPC性能研究*

楊耀輝，叢波日，郭保林，李 利，姜瑞雙

(1.山東高速集團(tuán)有限公司創(chuàng)新研究院，山東 濟(jì)南 250098； 2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；3.山東省橋隧結(jié)構(gòu)性能評(píng)估與耐久性提升工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是由水泥、細(xì)集料、纖維、礦物摻合料、高效減水劑等加水后進(jìn)行拌合，再經(jīng)凝結(jié)硬化后形成的新型水泥基復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性等優(yōu)異性能[1-4]。UHPC性能優(yōu)異與原材料有關(guān)，史才軍等[5]對(duì)材料組成對(duì)UHPC的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，水膠比對(duì)UHPC性能的影響最大，隨著水膠比的增大，UHPC拌合物流動(dòng)性增強(qiáng)，強(qiáng)度減??；何峰等[6]研究了鋼纖維及水膠比對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，摻有鋼纖維的活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)298MPa，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在鋼纖維摻量相同的情況下，當(dāng)水膠比較大時(shí)，活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度較??；余清河等[7]研究了不同骨料級(jí)配、鋼纖維摻量對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)良好的級(jí)配有利于改善界面過渡區(qū)密實(shí)性，提高混凝土強(qiáng)度，摻入適量的鋼纖維能夠提高混凝土韌性和延性，有效避免混凝土脆性破壞；杜修力等[8]研究了鋼纖維、聚乙烯醇纖維對(duì)超高強(qiáng)混凝土性能的影響，對(duì)不同體積摻量的2種纖維混凝土進(jìn)行了基本力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，2種纖維均可提高混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及彎曲韌性，鋼纖維的增強(qiáng)增韌效果明顯好于聚乙烯醇纖維；黃育等[9]研究了不同鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土性能的影響，結(jié)果表明，在纖維體積摻量相同的條件下，由端鉤形鋼纖維制備的活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度最高(可達(dá)145MPa)，由方直形鋼纖維制備的活性粉末混凝土抗折強(qiáng)度最高(可達(dá)41MPa)，同時(shí)由端鉤形鋼纖維和方直形鋼纖維制備的活性粉末混凝土流動(dòng)性和抗沖擊性能最好。

Huseyin等[10-11]應(yīng)用粉煤灰取代了60%的水泥，并在成型過程中施壓，得到了強(qiáng)度達(dá)338MPa的活性粉末混凝土，結(jié)果表明，采用粉煤灰和礦粉取代部分水泥和硅灰，可有效減少減水劑用量，并對(duì)活性粉末混凝土收縮起抑制作用；Philippot等[12]的研究表明，硅灰作為活性礦物摻合料，是活性粉末混凝土中不可缺少的原材料之一，養(yǎng)護(hù)溫度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)其活性的影響較大，其火山灰作用的反應(yīng)量隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加而增大，在高溫養(yǎng)護(hù)條件下硅灰更易發(fā)生二次水化反應(yīng)；Marcel等[13]研究了活性粉末混凝土在不同養(yǎng)護(hù)制度下的孔徑及孔隙率變化規(guī)律，結(jié)果表明，活性粉末混凝土累計(jì)孔隙率不高于試件總體積的9%，高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)明顯降低了活性粉末混凝土孔隙率；Ehab等[14]對(duì)摻鋼纖維與不摻鋼纖維的2種配合比UHPC進(jìn)行了耐久性測(cè)試，研究了其凍融循環(huán)300次的裂縫開展情況，結(jié)果表明，經(jīng)300次凍融循環(huán)的UHPC試件未破壞(表面混凝土未剝落)，可知UHPC具有優(yōu)異的耐久性。

目前，UHPC研制與應(yīng)用已取得一定成果，但國(guó)內(nèi)對(duì)UHPC的研究相對(duì)較分散，缺乏系統(tǒng)性和針對(duì)性，且UHPC的實(shí)際工程應(yīng)用較少。為此，本文從原材料出發(fā)，利用改進(jìn)的Andreasen和Andersen 模型(modified Andreasen and Andersen，MAA)設(shè)計(jì)最大堆積密實(shí)度UHPC基準(zhǔn)配合比，研究膠凝材料、砂、鋼纖維等材料用量，分析配合比對(duì)UHPC性能的影響，通過觀察UHPC微觀形貌，得到最佳配合比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用P·O 42.5水泥，密度為3.2g/cm3，比表面積為381m2/kg，3d抗折強(qiáng)度為4.7MPa，8d抗折強(qiáng)度為7.7MPa，3d抗壓強(qiáng)度為19.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度為46.5MPa。經(jīng)篩選處理的粉煤灰含水率≤1.0%，燒失量為2.1%，45μm篩余量為2.1%，需水量比為86%，安定性合格，未經(jīng)篩選處理的普通粉煤灰密度為2.2g/cm3，細(xì)度為6.0%，需水量比為95%，Al2O3含量為13.81%，SiO2含量為23.54%，F(xiàn)e2O3含量為4.80%，CaO含量為23.15%，MgO含量為4.42%，SO3含量為5.86%，Na2O含量為6.55%，K2O含量為0.41%。硅灰燒失量為1.36%，硅含量為95.43%，比表面積為3 300m2/kg。摻加長(zhǎng)20mm光圓鋼纖維，混合使用單級(jí)配中、細(xì)砂，摻加SD-600P-02型聚羧酸粉體減水劑，其摻量根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1攪拌

采用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌UHPC，首先加入水，然后加入粉體(含粉煤灰、水泥、硅灰、砂及一定量減水劑)慢速攪拌30s，在隨后慢速攪拌的30s內(nèi)加入砂，待砂完全加入后，快速攪拌4min，隨后慢速攪拌并摻入鋼纖維(用時(shí)約1min)，最后快速攪拌3～4min。

1.2.2成型

UHPC采用一次澆筑、輔以振動(dòng)的方式成型，試驗(yàn)初期試件成型以160mm×40mm×40mm(長(zhǎng)×寬×高)三聯(lián)模為主，試驗(yàn)后期測(cè)試UHPC抗壓強(qiáng)度時(shí)以100mm×100mm×100mm立方體試件為主。

1.2.3養(yǎng)護(hù)

參照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)蒸汽養(yǎng)護(hù)方法對(duì)UHPC試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2.4性能測(cè)試

1)工作性能

采用圖1所示裝置測(cè)試UHPC流動(dòng)度、擴(kuò)展度，參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試UHPC坍落度和坍落擴(kuò)展度。

2)抗壓強(qiáng)度與彈性模量

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

表1 不同粉煤灰顆粒累計(jì)粒徑分布

1.2.5試件檢測(cè)

反應(yīng)產(chǎn)物中的晶體物相利用X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)晶體物相進(jìn)行定量分析，掃描速度設(shè)定為0.02°/min，掃描范圍設(shè)定為5°～ 80°。

采用JEOL JSM 5900型掃描電鏡對(duì)試件進(jìn)行形貌觀察，加速電壓為20kV。

1.3 配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)工程實(shí)際需求，本文以UHPC拌合物流動(dòng)度(≥200mm)和硬化UHPC抗壓強(qiáng)度(≥150MPa)為控制指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 配合比設(shè)計(jì)

本文采用MAA模型進(jìn)行不同粒徑粉煤灰的配合比設(shè)計(jì)，以分析混合料中過篩粉煤灰最佳粒徑分布，從而制備較高密實(shí)度的基體，不同粉煤灰顆粒累計(jì)粒徑分布如表1所示。

根據(jù)粉煤灰顆粒尺寸，利用MATLAB軟件繪制目標(biāo)函數(shù)曲線(見圖2)，其中，最大粒徑為98.00μm，最小粒徑為0.42μm，分布模量取0.24，并將目標(biāo)曲線繪制于圖2中。

利用殘差平方和表征堆積密實(shí)度，如表2所示。當(dāng)體系混合粒徑分布曲線與目標(biāo)曲線殘差平方和最小時(shí)，說明UHPC堆積密實(shí)度最大。由表2可知，當(dāng)經(jīng)篩選處理的粉煤灰1～3含量分別為80%，15%，5%時(shí)，殘差平方和最小，為938.182，理論上達(dá)到最緊密堆積，在后續(xù)的研究中用SD-FA表示按此比例配制的粉煤灰基礦物外加劑。

表2 粉煤灰不同配合比殘差平方和

2.2 膠凝材料體系優(yōu)化

在保證鋼纖維、砂、水和減水劑不變的情況下，設(shè)計(jì)9種膠凝材料組合試驗(yàn)配合比，如表3所示。

表3 不同膠凝材料組合試驗(yàn)配合比 (kg·m-3)

不同膠凝材料體系UHPC性能如表4所示。由表4可知，隨著粉煤灰取代水泥用量的提升，UHPC拌合物流動(dòng)性逐漸增大，硬化后UHPC抗壓強(qiáng)度基本先增大后減??；在粉煤灰用量不變的情況下，隨著硅灰用量的增加，UHPC流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度基本增大；在膠凝材料總量不變的情況下，當(dāng)水泥用量≤750kg且礦物摻合料用量≥250kg時(shí)，可配制流動(dòng)性、力學(xué)性能俱佳的UHPC。

表4 不同膠凝材料體系UHPC性能

2.3 水膠比

在確保膠凝材料體系(組成與用量)、鋼纖維、砂和減水劑不變的情形下，改變其用水量，研究不同水膠比對(duì)UHPC性能的影響。不同水膠比UHPC配合比如表5所示，UHPC性能如表6所示。

表5 不同水膠比UHPC配合比 (kg·m-3)

表6 不同水膠比UHPC性能

由表6可知，UHPC拌合物流動(dòng)性隨著水膠比的增大而增大，UHPC抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大基本呈減小趨勢(shì)。在當(dāng)前的材料用量下，當(dāng)水膠比>0.17時(shí)UHPC可獲得良好的工作性能，當(dāng)水膠比≤0.17時(shí)UHPC拌合物流動(dòng)性不佳。綜上所述，確定水膠比為0.18。

2.4 含砂量

配制UHPC時(shí)一般采用多級(jí)配石英砂作為骨料，含砂量不僅會(huì)影響拌合物的和易性，也會(huì)影響硬化UHPC的力學(xué)性能，因此需對(duì)含砂量進(jìn)行確定。其中，中砂目數(shù)為40～70目，細(xì)砂目數(shù)為70～140目。不同含砂量UHPC配合比如表7所示，UHPC性能如表8所示。

表7 不同含砂量UHPC配合比 (kg·m-3)

表8 不同含砂量UHPC性能

由表8可知，含砂量對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響略有不同，當(dāng)中砂與細(xì)砂含量比例為4∶6時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度最大，但抗折強(qiáng)度最小；當(dāng)中砂與細(xì)砂含量比例為5∶5或7∶3時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度相對(duì)較均衡。因此本研究確定中砂與細(xì)砂含量比例為7∶3。

2.5 灰砂比

灰砂比指UHPC膠凝材料與砂的質(zhì)量比，不僅影響混凝土拌合物流動(dòng)性，還影響混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性和力學(xué)性能。不同灰砂比UHPC配合比如表9所示，UHPC性能如表10所示。

表9 不同灰砂比UHPC配合比 (kg·m-3)

表10 不同灰砂比UHPC性能

由表9，10可知，在用水量不變的情況下，UHPC抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著灰砂比的減小而減??；在水膠比不變的情況下，UHPC抗折強(qiáng)度基本隨著灰砂比的減小而增大，抗壓強(qiáng)度基本隨著灰砂比的減小而減小。本研究采用的灰砂比為1∶1。

2.6 鋼纖維摻量

在UHPC中摻加鋼纖維的主要目的是提高其力學(xué)性能，進(jìn)行鋼纖維摻量研究的目的是通過試驗(yàn)得到鋼纖維最佳摻量，進(jìn)而改善UHPC性能，降低經(jīng)濟(jì)成本。作為初步研究，本文對(duì)6種不同體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維進(jìn)行了比較，UHPC配合比如表11所示。

表11 不同鋼纖維摻量UHPC配合比 (kg·m-3)

鋼纖維摻量對(duì)UHPC流動(dòng)性、力學(xué)性能的影響分別如圖3，4所示。由圖3，4可知，UHPC拌合物的流動(dòng)度隨著鋼纖維摻量的增加而降低；②鋼纖維摻量對(duì)UHPC力學(xué)性能有較大影響，UHPC抗折、抗壓強(qiáng)度均隨著鋼纖維摻量的增大而顯著提高。根據(jù)如上結(jié)論可知，若UHPC力學(xué)性能較差，可通過提高鋼纖維摻量進(jìn)行改善。需要注意的是，在提高鋼纖維摻量的同時(shí)，應(yīng)采用匹配的外加劑種類或用量，以保證UHPC拌合物的工作性能。本研究確定的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%。

3 優(yōu)化機(jī)理分析與配合比優(yōu)選

3.1 粉煤灰優(yōu)化機(jī)理

為更進(jìn)一步了解不同材料組成下UHPC性能提升原因，本文選取材料組成中的粉煤灰，利用物相分析與微觀分析深入研究其對(duì)UHPC性能的影響機(jī)理，以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

在室溫、相對(duì)濕度100%條件下養(yǎng)護(hù)1，7，14，28d，養(yǎng)護(hù)初期CaO快速與H2O反應(yīng)生成Ca(OH)2。Ca(OH)2易被空氣中的CO2碳化并生成CaCO3。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14d時(shí)，試件中的Ca(OH)2已完全反應(yīng)，其中一部分生成C-S-H凝膠，還有一部分生成CaCO3，直至養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，試件中幾乎僅存在C-S-H凝膠。

試件在室溫、相對(duì)濕度100%條件下養(yǎng)護(hù)1，7，14，28d的SEM測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，養(yǎng)護(hù)初期粉煤灰由大小不一的球狀顆粒組成，其表面光滑，在混凝土拌合物中能起到滾珠作用，有利于其擴(kuò)展度的提高，改善了流動(dòng)性；養(yǎng)護(hù)后期粉煤灰微珠表面已形成致密的水化產(chǎn)物，且周圍水泥的水化產(chǎn)物基本為致密的凝膠狀物質(zhì)，表明粉煤灰微珠和富集在骨料顆粒周圍的Ca(OH)2結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng)，從而生成C-S-H凝膠，使粉煤灰與水泥凝膠體之間的界面趨于密實(shí)，體系更加致密，試件漿體強(qiáng)度更高，提高了試件耐久性。

3.2 配合比優(yōu)選

綜合研究膠凝材料組成與用量、砂組成、配合比參數(shù)(水膠比、灰砂比)、鋼纖維摻量對(duì)UHPC性能的影響，最終得到推薦UHPC配合比為水泥∶普通粉煤灰∶SD-FA∶硅灰∶鋼纖維∶中砂∶細(xì)砂∶減水劑∶水=700∶100∶100∶100∶156∶700∶300∶10∶180kg/m3，此時(shí)UHPC坍落度為285mm，坍落擴(kuò)展度為720mm，抗折強(qiáng)度為23.4MPa，抗壓強(qiáng)度為167.2MPa，彈性模量為49 300MPa。

4 結(jié)語

本文通過最緊密堆積原理設(shè)計(jì)了MAA模型下理論最大堆積密實(shí)度的相應(yīng)配合比，系統(tǒng)研究了膠凝材料組成與用量、砂組成、配合比參數(shù)(水膠比、灰砂比)、鋼纖維摻量對(duì)UHPC性能的影響。

1)當(dāng)經(jīng)篩選處理的粉煤灰1～3含量分別為80%，15%，5%時(shí)，殘差平方和最小，為938.182，理論上達(dá)到最緊密堆積。

2)膠凝材料體系和水膠比對(duì)UHPC性能的影響較大，其中粉煤灰和硅灰對(duì)UHPC拌合物流動(dòng)性的影響較明顯。水膠比越大，UHPC拌合物流動(dòng)性越好，但力學(xué)性能有所降低，本研究取水膠比為0.18。

3)灰砂比及砂級(jí)配均會(huì)影響UHPC性能。在用水量不變的情況下，UHPC抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著灰砂比的減小而減??；在水膠比不變的情況下，UHPC抗折強(qiáng)度基本隨著灰砂比的減小而增大，抗壓強(qiáng)度基本隨著灰砂比的減小而減小。本研究取灰砂比為1∶1，且中砂與細(xì)砂含量比例為7∶3。

4)增加鋼纖維摻量可有效提高UHPC強(qiáng)度，但UHPC拌合物流動(dòng)性隨著鋼纖維摻量的增加而降低，同時(shí)也會(huì)增加UHPC生產(chǎn)成本，因此，宜在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上確定鋼纖維最佳摻量，本研究確定鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2%。

5)通過理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，配制出抗壓強(qiáng)度≥150MPa的UHPC干混料，最終得到推薦UHPC配合比為水泥∶普通粉煤灰∶SD-FA∶硅灰∶鋼纖維∶中砂∶細(xì)砂∶減水劑∶水=700∶100∶100∶100∶156∶700∶300∶10∶180kg/m3，此時(shí)UHPC坍落度為285mm，坍落擴(kuò)展度為720mm，抗折強(qiáng)度為23.4MPa，抗壓強(qiáng)度為167.2MPa，彈性模量為49 300MPa。