基于最緊密堆積密度下白云石砂在UHPC 中的應用研究

胡 泊，揭曉東,郭 遠

江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

1 研究背景

混凝土作為世界范圍內基礎建設需求量最大的材料，在其近百年來大范圍的使用過程中，普通混凝土（C15～C60）相對于鋼鐵、木材、高分子材料等建筑材料具有原材料來源廣泛、制備工藝簡單、損耗率低等優點，由于其本身存在的諸多如剛度小、耐久性較差、自重大等問題，且其主要原材料水泥，生產過程中對不可再生資源：礦山、煤炭的大量消耗，同時排放大量的CO2。更高強度，高耐久性的混凝土在工程中實際應用可以有效減少結構體積，降低構件自重，提高結構壽命，UHPC 的概念正是在這一背景下1994 年由Larrard 提出［1］,UHPC 相對于普通混凝土在耐久性能、力學性能方面有著顯著的優勢，也可以作為工程維護與加固的修補材料，目前在部分工程領域已經得到了初步應用。

目前UHPC 的配合比設計理論依據主要來源于丹麥波特蘭水泥混凝土試驗室的Bache 提出的DSP 材料概念，即高致密水泥基均勻體系材料，（Densitified system containing homogeneously arranged ultrafine particles,DSP）［2-3］，目前通用性較強的UHPC配合比主要使用水泥、粉煤灰、硅灰等膠凝材料，以及石英砂作為骨料，引入高性能聚羧酸減水劑以滿足0.2 以內的水膠比要求，同時加入一定體積的鋼纖維以解決傳統混凝土強度越高脆性越大的問題。UHPC 目前單體材料使用量最大的是石英砂，但石英砂對人體危害也是較大的，石英砂微粉可懸浮于空氣中，作業人員長期吸入含石英砂的粉塵會罹患硅肺病，且用于UHPC 的石英砂售價在650 元/噸以上。尋找一種能夠替代石英砂以用于UHPC 的材料對于降低UHPC 的高制造成本以及相關產業的作業工人都是有積極意義的。

江西高安礦產資源豐富，以高嶺土、石灰巖、白云巖為主，其中白云巖主要的礦物組成部分為白云石，其主要化學成分為CaMg（CO3）2，晶體屬三方晶系的碳酸鹽礦物，晶體結構與方解石類似，晶形為菱面體，高安所產白云石，方解石含量在5%以內，純度較高。

白云石可以作為煉鋼時用的轉化爐的耐火內層、造渣劑、水泥原料、玻璃熔劑、窯業、肥料、建筑與裝飾用石材、油漆、殺蟲劑與醫藥等各種用途?？捎糜诮ú?、陶瓷、玻璃和耐火材料、化工以及農業、環保、節能等領域［4］。因其本身有完善的工業使用途徑，已經形成了完善的加工產業鏈，白云石系列產品涵蓋從10 目至80 目的白云石砂到140 目至1600 目的超細粉，有較好的顆粒梯度分布的成熟產品線，從UHPC 的材料密實堆積基理來說，白云石砂通過合理的配比達到密實堆積后，有應用于UHPC 的理論基礎，且白云石砂市場售價約550 元/噸，按UHPC 中砂常規用量1～1.1 噸/立方米計算，約有110 元左右的單方差價。

2.1 試驗原材料

（1）水泥

本試驗采用江西萬年青股份有限公司生產的萬年青牌P.O52.5 水泥，其主要成分和物理性能見表1 和表2。

表1 水泥化學成分 %

表2 物理性能指標

（2）粉煤灰

試驗用粉煤灰為湖北某電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，其主要指標與測試結果見表3

表3 粉煤灰主要指標與測試結果

（3）硅灰

試驗采用江西上高某公司生產的硅灰其主要指標：比表面積為1700m2/kg，表觀密度為2180kg/m3。

（4）石英砂

試驗采用江西宜春某公司生產的40 目到70 目的三級配石英砂。

（5）減水劑

因UHPC 含粉量高且水膠比低，常規減水劑難以滿足配合比所需，且聚羧酸天然的引氣效果在高粘度的UHPC 拌合物中難以排出，故使用了江西迪特科技有限公司生產的UHPC 專用高性能減水劑，其通過醚酯共聚的合成工藝和針對性的加入聚醚改性有機硅消泡劑使得其在滿足UHPC 拌合物工作性能的同時有效降低含氣量。含固量為22%，摻量1.2%時減水率為34%。

（6）鋼纖維

試驗采用贛州大業金屬纖維公司生產的鍍銅平直型鋼纖維，其主要指標見表4

表4 鋼纖維主要指標及型貌

2.2 試驗方案

因白云石砂本身硬度較低，壓碎值指標較高，所以國內學者對白云石砂在UHPC 中的應用研究基本還處于空白階段，但考慮到白云石砂有完善的產業鏈，有豐富的連續級配產品，可供UHPC 基體填充的級配區間選擇性較多，故本文通過UHPC常用的三級配石英砂曲線，通過EMMA 砂石堆積計算軟件初步擬合出相近的白云石砂二級配及三級配的配合比。

白云石砂的篩分析試驗依據JGJ 52-2006 《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》中6.1 砂的篩分析試驗方法，白云石砂的顆粒級配如下表5 所示。

表5 白云石砂顆粒級配

根據白云石砂的顆粒級配分布情況通過EMMA 軟件擬合出的堆積密度最大的摻配比例為40 目：60 目為0.9:1.1;40 目：60 目：80 目為0.8：0.9 :1.1。為驗證軟件擬合數據，通過堆積密度試驗來優選出實際的最佳堆積密度的白云石砂配比，白云石砂的不同摻配比例詳見表6。

表6 白云石砂摻配比例

不同配比下的白云石砂堆積密度詳見圖1。

圖1 不同配比下的白云石砂堆積密度

由圖1 所示，白云石砂在40 目、60 目、80 目以0.8:1.5:0.7的摻配比例下堆積密度為最大，為盡可能減少其他組分對于UHPC 密實結構的影響，通過在試驗編號為9 號的摻配比例下達到了密實堆積的白云石砂作為變量，與基準石英砂UHPC 進行對比試驗，同時我們挑選了試驗編號為2、7 的兩組堆積密度最小的配比，作為對比試驗試以驗證白云石砂密實堆積程度對UHPC 力學性能的影響，配比如下表7 所示。

表7 UHPC 配合比 kg/m3

依據表7 配合比稱取材料后使用強力攪拌機攪拌后成型試件，成型后按T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能與試驗方法 》中5.2.4 條要求，立即在試模表面覆蓋塑料薄膜，靜置24h 后脫模，將脫模后的實際放入蒸養箱，以不超過15℃/h 的速率升溫至90℃±1℃，恒溫48h 后以不大于15℃/h 的速率降溫至20℃±5℃。

3 結果與分析

力學性能試驗方法依據T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能與試驗方法 》5.4 條與GBT 50081-2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》,試驗結果如下表8所示。

表8 力學性能試驗結果

圖2 力學強度試驗結果

由表8 與圖2 可知，通過EMMA 軟件擬合計算、密實堆積試驗得出了最佳摻配比例的白云石砂替代石英砂在UHPC 中，抗壓強度與抗拉強度略低于基準樣，抗折強度略高于基準樣。根據《超高性能混凝土基本性能與試驗方法 》中4.3 與4.4 條，其石英砂樣與白云石砂樣抗拉性能符合UT07 等級要求，抗壓性能符合UC150 等級要求。而B 與C 兩組試驗所用白云石砂配比密實程度較差，其抗壓、抗折與抗拉強度均有不同程度明顯下降，這也說明骨料是否最緊密堆積對其配置UHPC 的力學性能的有著直接的影響。雖然白云石砂的摩氏硬度只有3.5～4左右，且壓碎值較高，但其通過軟件擬合的良好顆粒分布可充分發揮填充效應，對UHPC 整體強度影響微乎其微，在UHPC的整體強度中，抗壓強度主要靠細顆粒與水泥石晶體的范德華力產生，而鋼纖維的加入使得UHPC 高強帶來的脆性問題得以解決，使得UHPC 由脆性材料轉變為韌性材料，從而大大提高其抗折、抗拉強度。

4 結論

密實堆積的白云石砂用于UHPC 基本可保持石英砂同等的力學性能，在性能基本一致的前提下，其材料較低的成本則可為UHPC 降低約105 元左右的單方成本，經濟效益頗為可觀，且在UHPC 應用推廣中，高昂的材料成本也一定程度上制約了UHPC 的大規模應用，主要材料的廉價替代物對UHPC 的應用推廣有一定的價值?？紤]到白云石材料本身的低硬度與高壓碎值，有待于對白云石砂制UHPC 的長期性能和耐久性能做進一步的深入研究，目前其用于非結構部位及裝飾用途是較為穩妥的選擇。