風積沙制備超高性能混凝土耐久性試驗研究

楊家俊，馮玉釧，賈小龍

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750000；2.寧夏交通建設股份有限公司，寧夏 銀川 750000；3.寧夏道路養護工程技術研究中心，寧夏 銀川 750000）

0 引言

耐久性是指混凝土抵抗環境中各種介質侵蝕作用的能力。目前，國內外學者對混凝土的耐久性研究主要集中在凍融破壞、硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕等方面[1]，侵蝕中包含了混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應等[2]。普通混凝土在凝結硬化的過程中會產生許多小氣泡，因而會存在較多的微小裂縫和孔隙，由于這些微小裂縫和孔隙的存在，當混凝土結構處于海水、工業廢水等不利環境中時，有害離子會通過裂縫慢慢侵入混凝土結構內部，與結構內部發生化學反應，導致混凝土內部結構破壞。超高性能混凝土擁有優異的耐久性能，在不利環境中仍能保持其結構和功能的完整性。已有的大量試驗證明，超高性能混凝土之所以擁有優異的耐久性，原因就在于其擁有低水膠比、低孔隙率等特性。沈磊[3]通過設置凍融試驗，發現了超細活性粉末的摻入能夠對UHPC的密實度起到提升作用，隨著內部結構趨于致密，耐久性也隨之提高。

目前，已有許多學者對UHPC的耐久性能進行了探索，但對于骨料中摻加風積沙的UHPC耐久性研究目前還較為薄弱，且對風積沙材料在結構耐久性方面的影響機理尚不清晰。因此，本文首先研究不同風積沙替代率下UHPC的抗壓強度，之后根據力學性能試驗結果設置兩組分別為機制砂UHPC與摻風積沙UHPC的配合比，分別制備試件，并進行抗凍性試驗和抗硫酸鹽浸泡試驗研究，以探討摻風積沙UHPC耐久性能的優劣。

1 試驗簡介

1.1 試驗原材料

水泥：寧夏賽馬水泥廠生產的P·O52.5水泥。

硅灰：寧夏奕陽工貿有限公司生產的硅灰，SiO2含量為91%。

粉煤灰：寧夏寧東地區煤炭基地生產的Ⅰ級灰。

機制砂：寧夏地區機制砂，細度模數為3.48，其顆粒級配見表1。

表1 機制砂顆粒級配

風積沙：寧夏騰格里沙漠背風面表面浮著的風積沙，細度模數為0.43，顆粒級配見表2。

表2 風積沙顆粒級配

減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，外觀為淡黃色液體，固含量為43%，減水率在25%以上。

鋼纖維：鍍銅平直型鋼纖維，長度為13mm，等效直徑為0.2mm，抗拉強度為2 978MPa。

1.2 試件成型

UHPC拌和過程為：先將試驗所需的骨料投入單軸式強制混凝土攪拌機中攪拌60s，使得機制砂與風積沙混合均勻，之后將試驗所需的膠凝材料與鋼纖維加入拌和120s，最后將試驗所需的水與減水劑加入拌和480s。攪拌時長共11min。UHPC配合比（質量比）如表3所示，水膠比固定為0.15。

表3 UHPC配合比

1.3 試驗設計

（1）凍融循環

凍融循環試驗根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）進行，試驗制備機制砂組UHPC與摻風積沙組UHPC兩組試件，試件尺寸為100mm×100mm×400mm。首先，將標準養護24d后的試件置于常溫水中浸泡4d，之后測試試件的初始質量與動彈性模量，然后將試件移至凍融循環箱體內，設置300次循環，每循環50次測試其質量變化與動彈性模量變化。

（2）硫酸鹽浸泡

進行硫酸鹽浸泡的試件尺寸為100mm×100mm×100mm。首先，測試經標準養護28d后試件的強度，之后配制濃度為5%的Na2SO4溶液，將經標準養護28d加常溫水中浸泡4d的試件浸泡在Na2SO4溶液中，底部采用墊條架空，試塊與試塊之間留出空隙。在達到設定的浸泡時長后，將試件從溶液中取出，測算其質量、抗壓強度與劈裂抗拉強度損失率，以評價摻風積沙組UHPC抵抗硫酸鹽侵蝕的能力。

1.4 測試方法

質量：試件達到測試齡期后，將其放置于通風處，待試件表面風干后用電子秤測量試件的質量變化，若質量損失率超過5%則視為失效，停止試驗。

動彈性模量：首先測量試件質量，將測得的質量值輸入動彈性模量測定儀，在測桿與試件接觸位置涂抹凡士林，之后將發射端測桿與接收端測桿壓在試件測點位置。每組數據取3個試件試驗結果的算術平均值。

立方體抗壓強度：本試驗按照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）的規定進行，加載速率設置為1.2MPa/s。

立方體劈裂抗拉強度：本試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土規程》（JTG 3420—2020）的規定進行。

2 風積沙制備UHPC的力學性能

UHPC的配合比設計通常以骨料的最緊密堆積為目標。合理的原材料、良好的顆粒級配、較少的孔隙率都會對其微觀結構有一定的改善作用。通過分析表2中的風積沙顆粒級配，可認為風積沙顆粒最大尺寸為0.3mm或0.6mm。使用風積沙去補充機制砂中這部分欠缺的顆粒，便可以得到風積沙摻入機制砂的質量分數。本文UHPC配合比設計中，風積沙摻率設定為15%,25%和35%。按照以上3種風積沙摻率優化機制砂級配后得到的試驗用混合砂的細度模數如表4所示。

表4 混合砂細度模數

UHPC試件在風積沙摻率分別為0,15%,25%,35%,100%下的7d,28d抗壓強度試驗結果如圖1所示。

圖1 不同風積沙摻率下試件的抗壓強度

由圖1可知，試件的抗壓強度隨風積沙摻率的增加呈先增大后減小的趨勢。風積沙的細度模數較小，因此UHPC骨料中摻加適量的風積沙可以改善UHPC內部顆粒的級配，實現骨料間不同粒徑顆粒的相互填隙，使UHPC內部填充均勻，從而強度提升。但由于風積沙是由松散母巖風化而成，本身強度低[4]，因此當風積沙摻量過多時，其成為UHPC內主要的骨料，從而導致UHPC抗壓強度下降。UHPC中摻加15%,25%,35%的風積沙時，其抗壓強度分別提高了11.9%,11.2%,9.2%，說明在機制砂中摻加一定比例的風積沙能夠增加UHPC的抗壓強度。

試驗過程中發現，摻入風積沙的UHPC漿體擴展度也有一定提升，這是因為機制砂大顆粒間的摩擦力較大，加入了部分風積沙后使原有機制砂中缺少的0～0.6mm粒徑區間得到部分補充，使得骨料均質性更強，從而提高了擴展度。

3 UHPC的耐久性能

由以上試驗結果可知，風積沙摻率在35%時試件的抗壓強度與風積沙摻率為15%時試件的抗壓強度差異不大。為更好地評判摻風積沙UHPC的耐久性能，將耐久性試驗中的風積沙摻率設定為35%。UHPC配合比如表5所示。

表5 UHPC配合比

3.1 UHPC的抗凍性能

（1）質量損失

質量損失率是試件質量損失值與試件質量初始值的比值，是體現混凝土凍融損傷程度的一個重要指標。表6所示為凍融循環后試件的質量損失率。

表6 凍融循環后試件質量損失率

從表6可以看出，隨著凍融循環次數的增加，兩組試件的質量損失率增大，但幅度較小，說明兩組UHPC試件具有較好的抗凍性能。已有研究表明，在凍融環境下，混凝土材料的吸水速率明顯提高，每經過一次凍融循環，混凝土的保水度都會提高[5]。試驗過程中可以發現，在經歷300次凍融循環后試件表面沒有出現明顯的裂縫或剝落現象，只有試件表面的鋼纖維出現了輕微的銹蝕。

（2）動彈性模量損失

在達到設定的凍融循環次數后，取出試件，擦干試件表面的水分并涂抹凡士林以提升測量準確性。表7所示為凍融循環后試件動彈性模量保持率。

從表7可以看出，兩組UHPC動彈性模量的變化規律均為隨著循環次數的增加，試件的動彈性模量逐漸減小。當凍融循環次數在100次以內時，試件動彈性模量變化幅度較??；在凍融循環次數達到300次時，機制砂組UHPC動彈性模量保持率為97.9%，摻風積沙組UHPC動彈性模量保持率為97.3%。相關研究表明，混凝土結構在凍融循環作用下遭受破壞的原因主要為水分子通過混凝土的孔隙進入結構內部，且因溫度的變化產生內應力，從而破壞混凝土結構[6]。對于UHPC而言，其水膠比一般低于0.2，內部含有的自由水較少，因而在凍融循環作用下其動彈性模量的下降幅度并不明顯。并且由于風積沙顆粒的填充作用，摻風積沙組UHPC的密實度較高，也在一定程度上提升了其抗凍性能。

3.2 UHPC抗硫酸鹽侵蝕性能

（1）質量損失

表8所示為硫酸鹽浸泡后試件的質量損失率。

表8 硫酸鹽浸泡后試件質量損失率

在普通混凝土試件的成型過程中，其內部會因密實度不高而殘留大量氣孔，由于這些微小裂縫和孔隙的存在，當混凝土結構處于工業廢水、海水或鹽湖等含鹽量較高的不利環境中時，有害離子會通過裂縫慢慢侵入混凝土結構內部，與結構內部發生化學反應，導致混凝土內部結構破壞。UHPC內部結構密實，孔隙率小，所以耐久性能相比普通混凝土有了很大提升。試件經硫酸鹽浸泡后的質量損失率越小，表明該組UHPC的耐久性能越好。從表8可以看出，浸泡時間不超過30d時，兩組試件的質量并未出現下降，此時的質量損失率均為負數，說明試塊經長時間的浸泡會吸收一定水分，且吸收的水分質量大于試件因硫酸鹽浸泡損失的質量。

（2）抗壓強度損失

抗壓強度是評價混凝土損傷程度的一個重要指標。當達到設定浸泡時長后，將試塊取出擦干，測試其抗壓強度，不同浸泡時長下UHPC的抗壓強度變化規律如圖2所示。

圖2 硫酸鹽浸泡后試件的抗壓強度

對于普通混凝土而言，硫酸鈉中的硫酸根離子會通過內部孔隙侵入試件內部，與其內部的化學成分發生反應從而產生膨脹應力，膨脹應力會隨著反應的進行逐漸增大，當超過混凝土的強度時，就會造成混凝土開裂。從圖2可以看出，浸泡時間在30d以內時，UHPC抗壓強度較未浸泡時出現了不降反增的現象。這是由于UHPC中含有大量的活性粉末摻合料，結構相對密實，在浸泡初期硫酸鹽溶液無法通過孔隙進入UHPC內部，所以試件的力學性能損失并不明顯，而標養28d后的UHPC試件內部仍存在大量未水化的水泥。在浸泡的前30d內，隨著時間的推移，UHPC內部仍進行著水化反應使得抗壓強度小幅度上升。在浸泡時長超過30d后，試件抗壓強度隨著浸泡時間的增長逐漸下降，機制砂組UHPC與摻風積沙組UHPC浸泡120d后的抗壓強度損失率分別為4.22%與4.18%。

（3）劈裂抗拉強度損失

不同浸泡時長下UHPC的劈裂抗拉強度變化規律如圖3所示。

圖3 硫酸鹽浸泡后試件的劈裂抗拉強度

從試驗結果可以看出，劈裂抗拉強度的變化規律與抗壓強度的變化規律大致相同，在浸泡初期未出現明顯的強度降低現象，這是由于浸泡環境提供了充足的水分促使試件內部膠凝材料繼續水化生成C-S-H凝膠，因而強度增大。機制砂組UHPC與摻風積沙組UHPC浸泡120d后的劈裂抗拉強度損失率分別為5.73%與3.49%。朱鼎等[7]的研究表明，硫酸鹽浸泡試驗中，浸泡初期硫酸鈉溶液與UHPC發生化學反應生成鈣礬石與石膏等物質，降低了硫酸鈉溶液的擴散速率，同時基體密實度增加，因而強度提高。

4 結論

（1）凍融循環對兩組UHPC試件的質量變化影響不大，經300次凍融循環后機制砂組UHPC與摻風積沙組UHPC的質量損失率分別為0.14%與0.15%。

（2）經300次凍融循環后，機制砂組UHPC試件的動彈性模量保持率為97.9%，摻風積沙組UHPC試件的動彈性模量保持率為97.3%。試驗結果表明，風積沙作為骨料制備的UHPC試件具有良好的抗凍性能。

（3）摻風積沙組UHPC經60d硫酸鹽浸泡后，其抗壓強度較初始值變化不大；浸泡120d后，其抗壓強度較初始值降低4.18%，機制砂組UHPC抗壓強度較初始值降低4.22%。