粗骨料及玄武巖纖維對超高性能混凝土性能的影響研究

引言超高性能混凝土（UHPC）是以超高的耐久性和超高的力學(xué)性能為主要特征的新型水泥基材料。2001年，法國第一次用超高性能混凝土材料建造了鐵路橋梁，采取了剔除粗骨料、降低水灰比、摻加鋼纖維等方式配置而成[1]。伴隨超高性能混凝土電桿、RPC疏散平臺板等水泥制品的興起，超高性能混凝土的應(yīng)用越來越普及，但在水泥制品生產(chǎn)中，一方面由于沒有粗骨料的加入，超高性能混凝土中絕大部分體積由石英砂填充，而石英砂的材料價格較高，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加；另一方面，鋼纖維提高了混凝土的抗壓抗折性能，但水泥制品經(jīng)過長時間的暴露氧化，外表面容易出現(xiàn)銹斑，造成外觀的缺陷。同時，鋼纖維混凝土在生產(chǎn)和運輸環(huán)節(jié)，容易對人員造成扎傷和刮傷。本文以C120超高性能混凝土為基準(zhǔn)，優(yōu)選玄武巖碎石（5～10mm）為試驗用粗骨料，對超高性能混凝土加入不同摻量粗骨料后的力學(xué)性能進(jìn)行試驗，研究粗骨料對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響。同時用玄武巖纖維取代鋼纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能進(jìn)行試驗，研究取代鋼纖維的可能性，優(yōu)選其最佳摻量。1、試驗部分

1.1原材料水泥：P·O42.5硅酸鹽水泥，具體技術(shù)指標(biāo)見表1。硅灰：具體化學(xué)成分見表2。石英砂：單粒級0.63～0.315mm，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。鋼纖維：抗拉強(qiáng)度2000MPa，長12～16mm，直徑0.18～0.22mm。玄武巖：粒徑5～10mm，壓碎指標(biāo)6.5%。粉煤灰：望亭電廠，Ⅰ級。外加劑：聚羧酸系減水劑，減水率32%。表1水泥的技術(shù)指標(biāo)表2硅灰的化學(xué)成分%表3石英砂的技術(shù)指標(biāo)%1.2試驗配合比及方法UHPC的基準(zhǔn)配合比見表4。表4UHPC基準(zhǔn)配合比采用粗骨料玄武巖碎石外摻的方式，直接在原有基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上摻加粗骨料進(jìn)行拌合試驗，配合比見表5，與基準(zhǔn)混凝土相同的方式成型養(yǎng)護(hù)，通過進(jìn)行不同摻量粗骨料的超高性能混凝土的試驗，研究粗骨料對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，確定粗骨料的最佳摻量。表5摻加粗骨料的UHPC配合比采用摻加玄武巖纖維完全替代原有鋼纖維的方式配置，用相同的成型養(yǎng)護(hù)方式，對摻加玄武巖纖維的含粗骨料超高性能混凝土進(jìn)行研究，并確定其最佳摻量，配合比見表6。表6摻加玄武巖纖維的UHPC配合比1.3成型與養(yǎng)護(hù)按試驗設(shè)計配合比稱量好各原材料，將膠凝材料、石英砂倒入強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)內(nèi)，先干拌30～60s后，然后將減水劑和水一起加入干混料中，攪拌3～4min至均勻漿體，再將鋼纖維用5mm的方孔篩篩入攪拌機(jī)內(nèi)繼續(xù)攪拌5min，攪拌結(jié)束后將混凝土裝入鋼模，放置溫度為（20±2）℃室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，拆模后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，保持恒溫70℃，24h后進(jìn)行抗折和抗壓試驗。超高性能混凝土力學(xué)性能的試驗方法按照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行，并符合下列規(guī)定[2]：（1）抗壓強(qiáng)度試驗應(yīng)采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，加載速率為1.2~1.4MPa/s；（2）抗折強(qiáng)度試驗應(yīng)采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，加載速率為0.08~0.1MPa/s；（3）抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗值均不乘以尺寸換算系數(shù)。2、結(jié)果與討論

基準(zhǔn)配合比試驗數(shù)據(jù)見表7。表7

基準(zhǔn)配合比試驗數(shù)據(jù)2.1摻粗骨料UHPC力學(xué)性能分析圖1、圖2為不同摻量粗骨料UHPC的抗折、抗壓強(qiáng)度。由圖1可以看出，粗骨料摻量對超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度影響不大。隨著粗骨料摻量的增大，對彎曲強(qiáng)度有不利影響。當(dāng)粗骨料摻量為100kg/m3和400kg/m3時，UHPC的抗折強(qiáng)度略有提高，影響不大。之后隨著粗骨料摻量增加到200kg/m3和500kg/m3時，UHPC的抗折強(qiáng)度降低明顯。這是因為，粗骨料摻量較小時，UHPC基體膠凝材料相對較多，纖維的分布更加均勻，纖維有效利用率較高，UHPC基體與鋼纖維的粘結(jié)力依然發(fā)揮了很大的作用，同時粗骨料間的咬合作用對裂縫的發(fā)展有一定的阻礙[3]，可以在一定程度上彌補粗骨料加入引起纖維利用率下降的負(fù)面效應(yīng)[4]。當(dāng)粗骨料摻量逐漸增加后，UHPC工作性能急劇下降，纖維分布不均，鋼纖維結(jié)團(tuán)嚴(yán)重，且膠凝材料的減少導(dǎo)致纖維與基體間的粘結(jié)作用減小[5]，從而使UHPC的抗折強(qiáng)度明顯降低。整體看，在一定摻量范圍內(nèi)（500kg/m3），粗骨料摻量對UHPC的抗折強(qiáng)度影響較小。

圖1不同摻量粗骨料UHPC的抗折強(qiáng)度由圖2可以看出，當(dāng)粗骨料摻量不大于300kg/m3時，粗骨料摻量的增加有利于提高UHPC的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)粗骨料摻量為300kg/m3時，UHPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值128.7MPa。隨著粗骨料摻量的增加，UHPC抗壓強(qiáng)度開始逐漸降低。UHPC立方體抗壓強(qiáng)度隨著粗骨料摻量的增加（0～300kg/m3）得到提高的原因主要有兩方面[6]：一是玄武巖粗骨料壓碎值低，低水膠比下骨料界面強(qiáng)度高；二是粗骨料在UHPC材料堆積中形成輪廓骨架，提升了UHPC抗壓強(qiáng)度。但粗骨料摻量越大，粗骨料顆粒就會破壞鋼纖維在UHPC漿體中自由移動形成的隨機(jī)分布，降低鋼纖維分散性能，使鋼纖維團(tuán)聚在一起。整體看，粗骨料摻量對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響同抗折強(qiáng)度相似，影響微小。圖2不同摻量粗骨料UHPC的抗壓強(qiáng)度2.2摻玄武巖纖維UHPC力學(xué)性能分析通過上述粗骨料摻量對超高性能混凝土性能的影響試驗，經(jīng)過對UHPC抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的分析，最終選取以粗骨料摻量300kg/m3為基礎(chǔ)，采用摻加玄武巖纖維完全替代原有鋼纖維的方式配置，用相同的成型養(yǎng)護(hù)方式，對摻加玄武巖纖維的含粗骨料超高性能混凝土進(jìn)行研究。試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3可知，當(dāng)粗骨料摻量300kg/m3時，只摻有鋼纖維的UHPC抗折強(qiáng)度為18.7MPa，摻加玄武巖纖維取代鋼纖維后UHPC的抗折強(qiáng)度明顯低于摻有鋼纖維的UHPC抗折強(qiáng)度。對于試驗的3組試件，摻加0.2%玄武巖纖維的試件抗折強(qiáng)度最高；隨著纖維含量增加至0.3%，UHPC的抗折強(qiáng)度呈下降趨勢，這是因為適當(dāng)?shù)睦w維添加比例可以增加混凝土的密實度，而過多的纖維添加使其孔隙率增大[7]，導(dǎo)致其抗折強(qiáng)度提高不明顯或者略有下降。

圖3不同摻量玄武巖纖維UHPC的抗折強(qiáng)度由圖4可知，當(dāng)粗骨料摻量300kg/m3時，只摻有鋼纖維的UHPC抗壓強(qiáng)度為128.7MPa，摻加玄武巖纖維后UHPC的抗壓強(qiáng)度增長趨勢接近于抗折強(qiáng)度的變化[8]。摻加0.2%玄武巖纖維后，UHPC的抗壓強(qiáng)度為123.1MPa，明顯高于摻加0.1%和0.3%玄武巖纖維的試件，由此可知，對于超高性能混凝土，0.2%的玄武巖纖維是力學(xué)性能較優(yōu)的摻量[9]。但與摻鋼纖維的UHPC相比，其抗壓強(qiáng)度卻降低了5MPa。圖4不同摻量玄武巖纖維UHPC的抗壓強(qiáng)度

結(jié)論及展望

（1）在一定摻量范圍內(nèi)，UHPC體系中摻入粗骨料對UHPC的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有一定的提高作用，但整體對UHPC的強(qiáng)度影響不大[10]。（2）當(dāng)粗骨料摻量為100kg/m3和400kg/m3時，UHPC的抗折強(qiáng)度略有提高；當(dāng)UHPC體系中摻入粗骨料摻量300kg/m3時，UHPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值[11]。但隨著粗骨料摻量繼續(xù)增加，UHPC的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低。（3）含粗骨料的UHPC摻加玄武巖纖維代替鋼纖維后[12]，UHPC的力學(xué)性能有所降低，但摻加0.2%玄武巖纖維的UHPC力學(xué)性能高于摻量為0.1%和0.3%玄武巖纖維的UHPC力學(xué)性能，從而得出0.2%體積摻量的玄武巖纖維是含粗骨料的