含粗骨料超高性能混凝土的制备及其性能研究

1、含粗骨料超高性能混凝土的制备及其性能研究摘 要：针对超高性能混凝土（UHPC）胶凝材料用量大、非绿色化、成本高、自收缩大等问题，通过引入510 mm粒径的粗骨料，采用普通河砂代替石英砂，并优化钢纤维体积掺量，成功制备出了经济环境效益良好、性能优良的含粗骨料超高性能混凝土（UHPC-CA）。研究了粗骨料掺量对UHPC-CA工作性和力学性能的影响，并与RPC性能进行了对比分析。结果表明：UHPC-CA的流动性能相比RPC有所降低，粗骨料掺量为675 kg/m3的UHPC-CA能保持良好流动性能，但随着粗骨料掺量的增加，流动性降低的十分明显；UHPC-CA抗压强度、抗折强度低于RPC，弹性模量则高于

2、RPC，不同粗骨料掺量UHPC-CA力学性能变化并不明显；UHPC-CA抗氯离子渗透性能和抗冻性能表现良好，但是不如RPC优异；掺入粗骨料能够改善UHPC-CA的自收缩性能，相比RPC，其早期自收缩率明显降低。 关键词：超高性能混凝土；粗骨料；力学性能；工作性0 前言随着混凝土建筑物朝着超高、超强等方向发展，混凝土应用领域的逐渐扩大，混凝土工程的大型化、工程环境的复杂化，对混凝土的力学性能和耐久性能提出了更高的要求。20世纪90年代，法国学者首次提出了“超高性能混凝土” (Ultra High Performance Concrete ，简称 UHPC)这个概念，这是一种新型水泥基复合材料，由

3、水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂和钢纤维等主要材料配制而成。活性粉末混凝土（RPC）因具有超高的力学强度、低空隙率、高韧性、高耐久性，备受研究人员的关注。国外已有许多关于RPC在市政、桥梁、隧道和修补加固等领域应用的报道，国内虽也有相关研究，但工程实例较少。RPC为了提高匀质性，除去粗骨料采用石英砂替代，同时采用高掺量胶凝材料、高效减水剂、钢纤维等原材料，导致生产成本高、自收缩大，同时也不符合国家推行的绿色建筑材料的发展方向，严重制约了RPC在实际工程的推广和应用6。目前，已有文献资料表明，采用粗骨料来制备RPC是可行的，但是在RPC中掺入粗骨料对混凝土性能影响的报道较少，亦未见国内外颁布相关规

4、范，因此，含粗骨料UHPC的制备和性能有待进一步研究。本文从材料本身着手，通过使用碎石、河砂等材料，并降低胶凝材料掺量，优化钢纤维的体积掺量，制备含粗骨料超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete with coarse aggregate ，简称UHPC-CA)，同时与UHPC进行对比，研究分析UHPC-CA相关性能，旨在保障其优良性能的同时降低生产成本、节约资源、减小自收缩，这对其在工程上的应用更有利。1 试验1.1 原材料 水泥：选用湖北某公司生产的PO 42.5级水泥，比表面积330 m2/kg，密度3 100 kg/m3，28 d抗压、抗折强度分别

5、为51.2 MPa、8.4 MPa；掺合料：采用自主开发的新型掺合料，该掺合料粉末颗粒微小，具有较高的活性，需水量比大于PO 42.5水泥，能够提高混凝土的早期、后期强度，能够抑制混凝土的收缩开裂；粗骨料：采用湖北阳新辉绿岩，为510 mm连续级配碎石，表观密度为2 700 kg/m3，压碎值指标为5.9%，含泥量为0.5%，针片状含量为5%；细骨料：UHPC-CA采用洞庭湖河砂，细度模数2.8，为区中砂，含泥量0.5%，表观密度2 630 kg/m3；UHPC采用粒径小于1.25 mm连续级配的石英砂；减水剂：采用某公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为33.5%，固体粉末；钢纤维：采用UHP

6、C专用钢纤维，平均长度12 mm，平均直径0.2 mm；水：自来水。1.2 配合比参考相关文献资料 UHPC-CA的配合比及标准GB/T 313872015活性粉末混凝土，本试验胶凝材料用量定为800 kg/m3，水胶比为0.21。在UHPC-CA的配合比中，粗骨料掺量过小时所起的作用和意义不大；而文献5和文献9均指出，粗骨料掺量过大时将严重影响UHPC-CA的工作性，故本试验设计了3组UHPC-CA配合比用于研究不同粗骨料掺量对UHPC-CA力学性能和工作性的影响，编号C1、C2及C3配合比中砂率分别为40%、46%及51%；设计了1组常规的UHPC配合比用于对比试验，具体试验配合比见表1。

7、1.3 试验方法将称量好的胶凝材料、减水剂、骨料及钢纤维倒入搅拌锅内搅拌3 min，再倒入水搅拌5 min。搅拌完成后进行流动性试验，然后装模，用振动台成型，成型后在试模表面覆盖一层薄膜，防止水分蒸发，静停24 h拆模，把试件移到标准养护室养护。立方体抗压试件尺寸100 mm100 mm100 mm，棱柱体抗折试件尺寸100 mm100 mm400 mm，棱柱体静力受压弹性模量试件尺寸100 mm100 mm300 mm。坍落度和扩展度试验方法参照GB/T 500802016 普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行测试。抗压强度、抗折强度及静力受压弹性模量试验方法参照GB/T 500812002

8、普通混凝土力学性能试验方法标准进行测试。抗冻试验、抗氯离子渗透试验及收缩试验参照GB/T 500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行测试，其中，抗冻试验采用快冻法，抗氯离子渗透试验采用电通量法，早期自收缩试验采用非接触法。2 结果与讨论2.1 工作性不掺粗骨料，RPC表现出了良好的流动性，坍落度、扩展度分别为260 mm、580 mm。掺入粗骨料，UHPC-CA工作性有所下降，且随着粗骨料掺量从675 kg/m3增加到825 kg/m3，UHPC-CA的坍落度和扩展度呈逐渐下降趋势，粗骨料掺量为750 kg/m3、825 kg/m3时，UHPC-CA工作性皆不良，掺675

9、 kg/m3粗骨料的UHPC-CA则流动性良好。2.2 力学性能表2为不同粗骨料掺量UHPC-CA和UHPC的力学性能试验结果。由表2可知，相比于UHPC，UHPC-CA抗压、抗折强度皆有不同程度降低，其中抗折强度下降得十分明显，约下降了25%。这一方面是由于UHPC-CA掺入粗骨料、降低了胶凝材料及钢纤维掺量所致；另一方面是掺入粗骨料产生了界面过渡区，且粗骨料对钢纤维的分散性能产生了不利影响，使其增韧效果下降。对比不同粗骨料掺量UHPC-CA抗压、抗折强度可以看出，粗骨料掺量对UHPC-CA抗压、抗折强度影响不大，掺675 kg/m3（C3组）粗骨料的UHPC-CA强度略优。掺675 kg/

10、m3粗骨料的UHPC-CA 28 d弹性模量为48.5 GPa，对比UHPC弹性模量提高了约10%，这主要是因为掺入的辉绿岩碎石本身岩石弹性模量较高，增强了UHPC-CA的弹性模量。随着粗骨料在一定掺量范围内增加，UHPC-CA的弹性模量增大，但是增幅较小。2.3 耐久性能抗氯离子渗透性能和抗冻性能是混凝土耐久性能评价中两个重要的技术指标，本文选择工作性和力学性能表现皆良好、粗骨料掺量为675 kg/m3的UHPC-CA与UHPC进行对比试验，研究了其抗冻性能和抗氯离子侵蚀性能。试验结果见表3。由表3可知，UHPC、UHPC-CA 56 d电通量值分别为158 C、201 C，而高速铁路对混凝

11、土抗氯离子渗透性能要求56 d电通量值小于1 000 C，这表明二者抗氯离子渗透性能优异，且UHPC-CA抗氯离子性能不如UHPC。经过500次冻融循环后，UHPC及UHPC-CA的质量损失率分别为0.13%及0.18%，相对动弹性模量分别为97.8%、96.2%，二者质量和相对动弹性模量损失极小，表现出了优越的抗冻性，其中UHPC的抗冻性略优于UHPC-CA。UHPC-CA高的力学强度使混凝土具有较高的抵抗冻胀压力的能力，同时由于其自身的水胶比较低、且掺入了特有的掺合料，所以混凝土微观结构密实度较高，孔结构得到了极大优化，使混凝土表现出较好的抗氯离子渗透性能和抗冻性能。2.4 体积稳定性能活

12、性粉末混凝土水胶比低，胶凝材料用量大，使用高性能减水剂等，使得其在初凝后伴随着较大的自收缩，约占混凝土总收缩值的一半以上，使混凝土开裂风险高。因此，本文研究了粗骨料掺量为675 kg/m3的UHPC-CA早期自收缩性能，并与UHPC进行了对比，试验测试结果分别见图1。图1给出了UHPC-CA和UHPC初凝后72 h自收缩率对比结果，从图中可以看出，UHPC-CA和UHPC的收缩率随着龄期增加，先急速增加，后降低，再缓慢增加，收缩率降低是因为水化快导致温度上升产生膨胀引起的。72 h时，UHPC-CA的自收缩率远小于UHPC，一方面是因为掺入粗骨料、降低胶凝材料掺量使得单位体积内的水泥浆数量减少，从而减少了水泥水化产生的自收缩；另一方面，粗骨料在水泥基材料中可看作体积固定的组分，对周围水泥浆体的自收缩有一定抑制作用。3 结论（1）掺粗骨料使UHPC-CA流动性降低，且随着粗骨料掺量的增加，降低幅度增大，掺675 kg/m3粗骨料的UHPC-