机制砂超高性能混凝土的基本性能及优化研究

张 潇

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110000；2.公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心，沈阳 110000)

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型水泥基材料，与普通混凝土不同，UHPC由大掺量的胶凝材料、高效减水剂及高强短细钢纤维组成，在保证其工作性能的前提下降低水胶比、减小孔隙率和增加密实性，因此具有超高强度、高韧性和优异耐久性，满足现代工程对建筑材料的更高需求[1-4]。

机制砂作为石英砂、河砂的替代品，已在混凝土行业广泛应用。采用机制砂部分或完全替代UHPC中石英砂、河砂，不仅可以降低材料成本，也符合国家混凝土行业可持续的发展方向，也是UHPC未来发展的必然趋势。机制砂是利用碎石或河道卵石经机械破碎并筛分而制成，表面粗糙，且有棱角，并含有一定的石粉含量，所以机制砂的掺入会对UHPC的流动性能、力学性能及耐久性能有着重要的影响[5,6]。

因此，该文在前期UHPC的研究基础上，探索机制砂替代石英砂不同比例(0、25%、50%、75%及100%)对UHPC工作性能、力学性能、耐久性能等基本性能的影响，且该文进一步通过研究消泡剂最佳掺量，制备出经济型的免蒸养机制砂UHPC。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1)胶凝材料：水泥采用大连小野田水泥有限公司生产的PO52.5 R普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1；硅灰为上海埃肯公司生产，灰色粉末，比表面积为19 800 m2/kg，密度为2.02 g/cm3；粉煤灰为辽宁某公司生产，灰白色粉末，比表面积548 m2/kg。

表1 水泥物理性能

2)细集料：石英砂采用20～40目石英砂， 机制砂采用0～1.18 mm和1.18～2.36 mm两种粒径按6∶4配制而成。

3)减水剂：采用武汉某公司生产的聚羧酸减水剂，固含量40%。

4)钢纤维：采用上海某公司生产的端钩型钢纤维，长度14 mm，直径0.22 mm。

5)消泡剂：采用德国明凌P803消泡剂。

1.2 制备方法

将称量好的胶凝材料、细集料、消泡剂等投入干混机中干搅 2 min，制成 UHPC 干粉料，再边搅拌边均匀加入称量好的水及减水剂，搅拌3 min后加入钢纤维，然后继续搅拌直至拌和物具有良好的流动性。UHPC拌合后装入试模，试块表面及时覆盖塑料薄膜并将试件移入温度为(20±2)℃室内养护24 h后拆模，拆模之后水养至测试龄期。

1.3 试验方法

UHPC的工作性能试验参照GB /T50081—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》试验方法进行；UHPC的抗压强度参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》试验方法进行，其试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；抗折强度参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》试验方法进行，其试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm试件；UHPC的抗氯离子渗透性能及抗冻融性能参照GB /T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》试验方法进行。

2 试验结果与讨论

2.1 机制砂不同掺量对UHPC工作性能的影响

为了更好地探究机制砂不同掺量对UHPC工作性能、力学性能、耐久性能的影响，试验具体配比设计见表2，其中水胶比为0.18，胶凝材料用量为1 150 kg/m3，钢纤维体积掺量为2%，减水剂掺量为2%。编号A0～A4分别为机制砂掺量分别为0、25%、50%、75%、100%的UHPC配合比。

表2 UHPC配合比 /(kg·m-3)

图1为机制砂不同掺量UHPC 的扩展度试验结果，由图可知，编号A0、A1、A2、A3及A4的扩展度分别为720 mm、745 mm、795 mm、775 mm、755 mm，从试验数据可以得出随着机制砂掺量的增加，UHPC的扩展度先升高后降低。机制砂掺量50%时，UHPC的扩展度最大，相比于不含机制砂的UHPC试样A0，A2试样扩展度提高了10.4%。扩展度先升高后降低的主要原因为机制砂中含有一定量的石粉，石粉的需水量低，且具有微集料作用，相应的减少UHPC用水量，所以掺入一定量的机制砂后UHPC的扩展度增加；但机制砂超过一定比例后，机制砂相比于石英砂表面粗糙、多棱角，其在UHPC浆体中流动阻力变大，从而降低UHPC的流动性。

2.2 机制砂不同掺量对UHPC力学性能的影响

该试验具体配比设计见表2，机制砂不同掺量的UHPC 28 d抗压、抗折强度试验结果见表3。

表3 不同机制砂掺量UHPC试验结果

从表3可以看出，随着机制砂掺量增加，UHPC 的抗压和抗折强度呈现出先上升后下降的趋势，A0、A1、A2、A3的28 d抗压强度分别131.3 MPa、136.5 MPa、144.8 MPa、133.1 MPa、128.0 MPa，其中机制砂掺量50%时，UHPC抗压强度达到最大值；A0、A1、A2、A3的28 d抗折强度分别为25.5 MPa、27.0 MPa、28.3 MPa、23.7 MPa、22.1 MPa，同样机制砂掺量50%时，UHPC抗折强度达到最大值。机制砂对UHPC力学性能产生影响的原因为：1)机制砂颗粒的表面粗糙和不规则， 增加了UHPC浆体与机制砂之间的粘结力，从而提高UHPC的力学性能；2)掺入一定量的机制砂后，石粉具有微集料效应，优化UHPC的颗粒级配，且一定量的机制砂会使UHPC的流动性增加，UHPC浆体形成更为致密的微观结构；但随着机制砂掺量的进一步增加，UHPC 拌合物工作性能变差，导致成型不密实，内部缺陷增加，所以UHPC的抗压抗折强度呈下降趋势。

2.3 机制砂不同掺量对UHPC耐久性能的影响

优异的耐久性是UHPC区别于普通混凝土的一项重要特征，该文主要研究UHPC的抗氯离子渗透性能及抗冻融性能。抗氯离子渗透性能采用电通量法，抗冻融性能采用快冻法，试验具体配比设计见表2，其试验结果见表4。

从表4中看出随着机制砂的掺量增加，电通量先减少后增加。机制砂掺量达到25%时，UHPC的电通量最小为155 C；机制砂掺量达到100%，UHPC的电通量也仅为237 C。产生这种现象的原因为一定量机制砂的掺可以提高UHPC 的扩展度，减少内部缺陷产生；机制砂颗粒间的紧密堆积使得混凝土内部的孔隙减少；机制砂的粗糙表面特性，使其与浆体有更强的粘结力，从而使UHPC的抗氯离子性能更加优异。

表4 不同机制砂掺量UHPC的耐久性能试验结果

从表4中同样看出随着机制砂掺量的增加，经过500次冻融循环后试件的质量损失率相差不大，A0、A1、A2、A3的质量损失率分别为0.15%、0.19%、0.22%、0.16%、0.27%，且所有试件表面完好，无任何剥落情况。原因为UHPC体系中胶凝材料含量大，且较低的水胶比导致UHPC内部结构致密，使其具有较大的抗冻胀压力的能力，所以机制砂的掺量对其抗冻融性能影响较小。

根据机制砂不同掺量UHPC的工作性能、力学性能及耐久性能测试结果，结合UHPC的经济性能，机制砂的最佳掺量为50%。

2.4 机制砂UHPC性能优化

机制砂UHPC中胶凝材料含量较高，减水剂掺量较大，导致搅拌成型时拌合物中气泡含量较大，因此可引入消泡剂进一步增加混凝土基体密实性，提高其力学性能。试验具体配比设计见表5，其中B1、B2、B3、B4、B5的消泡剂掺量分别为0.02%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，试验胶凝材料用量为1 150 kg/m3，机制砂掺量50%，减水剂掺量2%，钢纤维体积掺量2%，水胶比0.18。

表5 不同消泡剂掺量的机制砂UHPC配合比 /(kg·m-3)

消泡剂不同掺量的机制砂UHPC 28 d抗折、抗压强度试验结果见表6。由表6可以看出随消泡剂掺入量的增加，试样的抗折、抗压强度先升高后降低。当消泡剂的掺量为0.1%时，所制试样力学性能最佳，其28 d抗折强度为32.9 MPa、抗压强度为156.1 MPa。这是因为适当掺量的消泡剂一方面能够抑制混凝土中气泡的形成，另一方面能破坏混凝土中已形成的气泡，使凝结后浆体内部结构的孔隙率达到最小，UHPC结构更加致密，从而使混凝土的力学性能得到提高。随着消泡剂掺量的继续增加，消泡剂在UHPC中也产生缺陷，若继续掺加消泡剂，会使缺陷大于其作用，所以UHPC的力学强度会降低。

表6 不同消泡剂掺量的机制砂UHPC试验结果

3 结 论

a.随着机制砂掺量的增加，UHPC的工作性及抗压、抗折力学性能呈现先升高后下降的趋势，机制砂掺入50%时UHPC扩展度、抗压强度及抗折强度达到最大值。

b.UHPC的抗氯离子渗透性能随着机制砂掺量的增加先升高后降低，机制砂掺入25%时UHPC电通量最小；机制砂的掺入对抗冻融性能影响不大。

c.消泡剂的掺入可改善机制砂UHPC的基体密实性，消泡剂的掺量为0.1%时，所制UHPC力学性能最佳，其28 d抗折强度为32.9 MPa，抗压强度为156.1 MPa。