高性能混凝土的高性能原理（轻质超高性能混凝土的设计与研究）

珠海志美-配料称重专家-30年专业技术轻质超高性能混凝土的设计与研究[1]

丁庆军1, 胡俊1, 刘勇强1, 彭程康琰1, 张高展2

(1. 武汉理工大学硅酸盐工程中心国家重点实验室，武汉，430070；2. 安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽，230601)

摘 要：研究了胶凝材料组成、胶砂比以及钢纤维掺量对轻质超高性能混凝土（LUHPC）工作性能与力学性能的影响，得出LUHPC最优配合比，提出了LUHPC设计制备方法；对比研究了普通超高性能混凝土（UHPC）与LUHPC的力学性能与体积稳定性能差异；采用SEM-EDS和显微硬度计分析了LUHPC水泥石以及轻集料界面微结构特征。结果表明：水泥、粉煤灰微珠和硅灰用量分别为804kg/m3、204kg/m3和192kg/m3，水胶比0.18，胶砂比1.8，钢纤维体积掺量为2.5%时，LUHPC工作性能优异，具有良好的轻质、高强、低收缩性能；相比UHPC，LUHPC比强度更高，体积稳定性优良；陶砂的“缓释水”作用可使界面处胶凝材料后期持续水化，改善界面处微结构，降低混凝土自收缩。

关键词: 轻质超高性能混凝土; 陶砂; 力学性能； 体积稳定性; 界面微结构

0引言

超高性能混凝土抗压、抗折强度高，耐久性好，被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一[1]。在桥梁工程、海洋工程、水利工程、核电工程和特种结构等领域具有独特的优势[2]。通常超高性能混凝土胶凝材料用量高，掺入大量河砂、石英砂、石英粉[3]，导致混凝土存在自重大，成本高，收缩大，体积稳定性差等问题，严重限制了其在大跨度桥梁、超高层建筑等领域的推广应用，因此降低超高性能混凝土的表观密度和收缩是其重要的发展方向。超高性能混凝土原材料主要包括胶凝材料、集料、钢纤维等，为保证其力学性能和耐久性能，胶凝材料和钢纤维的种类和用量成为关键因素，超高性能混凝土的轻质化需从集料入手。我国天然轻集料资源丰富，人造轻集料生产也已初具规模[4]，但国内混凝土工程界仍对轻集料混凝土研究缺乏重视，往往偏重于研究LC50以下非承重结构用普通轻集料混凝土，对轻质超高性能混凝土（LUHPC）缺乏系统研究。

本文利用陶砂替代石英砂（河砂），开展了轻质超高性能混凝土高强度、高韧性与轻质化的协同设计，并对其微观界面结构与力学性能的相关关系进行分析，以期为轻质超高性能混凝土的制备与推广应用提供理论依据。

1试验

1.1 原材料

试验采用华新水泥股份有限公司P·O52.5硅酸盐水泥，主要技术指标见表1；矿物掺合料为上海天恺硅粉材料有限公司生产的硅灰，SiO2含量为96%，比表面积21500m2/kg，需水量比为125%，烧失量为3.7%；天津筑成新材料科技有限公司生产的粉煤灰微珠，比表面积1300 m2/kg，需水量比为88%，堆积密度650kg/m3，触变指数为7.5。减水剂为上海三瑞公司生产聚羧酸高效减水剂，固含量20%，有效减水率30%；水为武汉市自来水，符合国家标准。陶砂是由宜昌朗天新型建材有限公司生产，800级页岩陶粒破碎的1~4.75mm连续级配陶砂，物理性能指标见表2。

1.2 试验方法

陶砂提前24h预湿至饱和面干状态，密封存放。LUHPC制备过程：首先将胶凝材料和预湿陶砂干拌均匀，再加入80%的水和减水剂，待形成具有一定流动度的浆体时，均匀撒布式加入钢纤维，最后加入剩余的水和减水剂。制备的LUHPC中钢纤维未发生结团现象，消除了钢纤维分布不均对试验造成的误差。

轻骨料混凝土的拌合物性能、干表观密度测试按照标准JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行。混凝土力学性能根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，抗压试件尺寸为100mm×100mm×100mm。水泥基材料早期自收缩至关重要，本文选取非接触法以GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中相关规定测试材料早期的自收缩变形。

试验采用美国FEI公司生产的QUANTA FEG450型场发射扫描电镜，研究LUHPC界面微观形貌并利用EDS分析微区成分。采用上海泰明光学仪器有限公司生产的配有金刚石维氏压头的HX-1000TM/LCD型显微硬度计，利用显微硬度对预湿陶砂周围养护的区域与水泥基体处的差异进行表征。

2试验结果与讨论

2.1轻质超高性能混凝土初始配合比设计

基于弹性模量的轻集料组成设计[5]，以及混凝土紧密堆积设计原理[6]，使粉料和轻集料在混凝土中达到最密集堆积状态，通过测定固体材料的最大密度求得最小空隙率，然后结合富裕浆体理论确定所需的润滑浆体量，根据强度设计要求选定水胶比为0.18,减水剂掺量均为胶凝材料总量的1.6%。LUHPC初始配合比如表3所示。

2.2 轻质超高性能混凝土配合比优化设计

2.2.1 胶凝材料组成

LUHPC中的胶凝材料用量大，胶凝材料的水化进程对LUHPC力学性能有重要影响，粉煤灰微珠和硅灰作为矿物掺合料，对其工作性能和力学性能均有显著影响[7]。本节在初始配合比的基础上，控制胶砂比、水胶比等参数不变，通过调整胶凝材料组成，配合比见表4，研究其对LUHPC工作性能和力学性能等的影响。试验结果如图1所示。

L-1~L-3组固定胶凝材料总量和硅灰掺量不变，逐渐降低水泥用量，提高粉煤灰微珠掺量，由于粉煤灰微珠粒度小，具有极佳的“滚珠效应”，能大幅度降低水泥浆体的剪切应力和塑性粘度。同时，粉煤灰微珠在胶凝材料水化早期活性很低，基本不水化，需水量比较低，粉煤灰微珠的掺入增大了胶凝体系的有效水胶比。由图1可以看出LUHPC的坍落度和扩展度逐渐增加，当粉煤灰微珠用量为228 kg/m3时，新拌LUHPC坍落/扩展度达到225/635mm，此时拌合物表面有轻微泌水现象。随着粉煤灰微珠掺量增加，L-1~L-3组3d龄期时抗压强度分别为73.8MPa、69.9MPa、65.1MPa，抗压强度均降低，随着龄期的延长，L-1~L-3组7d、28d强度有较大增长，且差距缩小，说明后期矿物掺合料的火山灰反应促进了强度的发展。

硅灰的火山灰活性极高，其早期便可与水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，减小界面过渡区Ca(OH)2晶体的取向程度，提高界面粘结强度，细化混凝土胶凝浆体内部的孔结构，因此由L-3~L-5组可以看出提高硅灰的掺量增加了混凝土的抗压强度。但是硅灰粒度极小，前期需水量大，由图1可以看出随着硅灰掺量增加，拌合物工作性能急剧下降，当硅灰掺量为204 kg/m3时，在1.8的水胶比下坍落/扩展度仅为180/585mm，混凝土成型困难。而且从L-4到L-5组其28d强度由96.2MPa提升至96.7MPa，提升幅度极小。因此综合考虑胶凝材料组成对LUHPC工作性能和力学性能的影响，确定水泥、粉煤灰微珠和硅灰用量分别为804kg/m3、204kg/m3、192kg/m3。

2.2.2胶砂比

在LUHPC中，胶凝浆体分布在陶砂之间的孔隙中，水泥石包裹陶砂，陶砂作为骨架与水泥石构成整体，因此陶砂在LUHPC中具有重要作用。控制胶凝材料总量及比例不变，水胶比为0.18，钢纤维掺量为2.0%，设计L-6、L-7、L-8、L-9胶砂比分别为1.6、1.7、1.8、1.9，研究胶砂比对轻质超高性能混凝土的工作性能、力学性能及其表观密度的影响，试验结果如图2所示。

随着胶砂比的增加，拌合物中的浆体相对含量增加，陶砂之间的润滑层厚度增加，使得混凝土拌合物坍落度和扩展度均增加。分析胶砂比对LUHPC力学性能可知，随着胶砂比的增加，抗压强度呈先增加后降低的趋势，胶砂比1.8时（L-8组），3d~28d各龄期的抗压强度值分别为79.2MPa、92.3MPa、101.2MPa，且达到最大值。分析原因可知，当胶砂比较小时，陶砂较多，由于陶砂强度低于水泥石强度，在LUHPC受压过程中，陶砂首先破坏，若陶砂含量过大，受压产生的内部缺陷数量大幅增加，导致抗压强度较低。当胶砂比达到1.9时，抗压强度较1.8胶砂比时略有降低，一方面是由于浆体含量的提高增大了混凝土骨料浆体裹覆层厚度，破坏了混凝土的密实堆积结构，削弱了骨料的骨架作用；另一方面，胶凝材料用量提高使骨料的含量减少，对混凝土的约束作用降低，混凝土的脆性增大，反而降低了混凝土的抗压强度。

同时，由于陶砂质轻，胶砂比越高，LUHPC表观密度增加。胶砂比为1.8和1.9时的表观密度分别为2045kg/m3、2105kg/m3。综合考虑胶砂比对LUHP工作性能、力学性能以及表观密度的影响，确定胶砂比1.8为宜。

2.2.3 钢纤维

钢纤维是制备UHPC时必不可少的原材料。本节主要研究微细镀铜钢纤维1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%体积掺量时对LUHPC工作性能、力学性能及其表观密度的影响，试验结果见表5。

由于钢纤维的表观密度较大，其掺量越高，LUHPC的表观密度越大，3.0%体积掺量时，LUHPC表观密度达到2136kg/m3，综合考虑钢纤维对LUHPC工作性能、力学性能以及表观密度的影响，确定钢纤维的体积掺量为2.5%。此时制备的LUHPC工作性能优异，28d抗压/抗折强度达到110.5/15.8MPa，弯曲韧性I20达到20.2，表观密度为2065kg/m3。

2.3 LUHPC与UHPC对比研究

基于轻质超高性能混凝土配合比优化试验，确定了LUHPC的最优配合比参数，为了研究LUHPC与普通UHPC之间的性能差异，本节控制LUHPC与UHPC胶凝材料组成与用量、水胶比，钢纤维掺量以及集料体积率一样，由于轻集料与河砂的表观密度不同，因此在计算集料用量时，需保证两者在混凝土中的绝对体积含量一致。经计算，上述LUHPC中陶砂绝对体积率约36.5%，因此UHPC中胶砂比应为1.2，具体配合比如表6所示。LUHPC与UHPC各项性能见表7。

从表7可以看出，相同配合比下，UHPC力学性能优于LUHPC，这是因为陶砂本身强度较低，且粒径大于河砂，导致界面缺陷相比UHPC较多，因此强度有所降低。在对比分析两者之间的性能差异时，引入比强度[8]概念，指材料抗压强度与其表观密度的比值，比强度越大，越能体现材料质轻、高强的特点。由表8可知，LUHPC的比强度为0.0535，而UHPC比强度为0.0515，LUHPC具有良好的轻质、高强特点。

在没有外在荷载的作用下，混凝土主要有六种收缩变形，它们分别是化学减缩、塑性收缩、自收缩、干缩、冷缩和碳化收缩[9]。对于超高性能混凝土，由于胶凝材料用量高，自收缩对混凝土性能的影响占主导作用[10]。图4对比了UHPC与LUHPC的自收缩情况。

分析LUHPC与UHPC的自收缩曲线可知，两者早期自收缩率增长较快，7d自收缩率已经达到56d的73%左右，且后期逐渐趋于平缓。这是由于早期水泥石中水分较充足，大量胶凝材料参与水化反应，内部湿度降低快，早期收缩大。56d时LUHPC自收缩率为512×10-6，UHPC自收缩率为725×10-6，LUHPC的自收缩较小。这是由于UHPC胶凝材料用量大，水胶比低，且不含粗骨料，因此硬化过程中的自收缩较大，体积稳定性能差。同时，陶砂具有多孔结构特征，经预湿处理后内部蓄有一定量的水分，随着水泥水化消耗大量自由水，预湿陶砂与周围水泥石的湿度发生变化，在湿差应力作用下预湿陶砂中的水分将逐渐释放出来，水分从陶砂中的粗孔向水泥基毛细孔迁移，水泥浆得到内部潮湿养护，对混凝土内部相对湿度的下降起到补偿作用，减小和延迟了水泥石的自干燥的作用。在试样的SEM和EDS测试中，由图5中的EDS能谱图中也可以看出靠近轻集料界面处的水泥石Ca/Si更低，胶凝材料水化程度更高。相比于没有内养护作用的UHPC，LUHPC收缩更小，体积稳定性更好。

2.4LUHPC水泥石及轻集料界面微结构

采用SEM分析LUHPC水泥石以及轻集料界面微结构特征（图5），可以看出以水泥、硅灰、粉煤灰微珠作为胶凝材料，在低水胶比条件下，未完全水化的胶凝材料微粒起骨架作用，水化产物嵌镶其中，改善了基体的结构，提高了基体与集料之间的匹配性能，形成的水泥石结构致密。由于陶砂表面不平整，存在大量孔洞及“地势”较低的区域，在混凝土硬化之前，胶凝材料微粉和浆体会填充这些空洞，陶砂与水泥石间未见明显界面过渡区，有较强的界面耦合作用。另外，对陶砂进行饱水预湿后，其内养护作用在水化后期促进了陶砂周围胶凝材料的水化程度，形成致密的高强拱壳结构。由图6距离预湿陶砂边界不同距离点的显微硬度变化也可以看出，两个龄期的显微硬度值都随着与陶砂边界距离的增大而减小，并逐步趋于平缓，即表明受陶砂内养护作用的区域有更高的显微硬度值，陶砂释水养护促进了周围水泥浆体的水化硬化，对界面过渡区的结构致密性以及微观力学性能有促进作用。

3结论

（1）水泥、粉煤灰微珠和硅灰用量分别为804kg/m3、204kg/m3和192kg/m3，水胶比0.18，胶砂比1.8，钢纤维体积掺量为2.5%，此时LUHPC工作性能优异，28d抗压/抗折强度达到110.5/15.8MPa，弯曲韧性I20达到20.2，表观密度为2065kg/m3。

（2）LUHPC相比于普通UHPC比强度更高，56d时LUHPC自收缩率仅为512×10-6，体积稳定性更好，具有良好的轻质、高强、低收缩性能。

（3）陶砂内养护作用可以使界面处胶凝材料后期不断吸收陶砂内部孔隙水，低水胶比下的胶凝材料持续水化可以改善混凝土内部微结构，解决UHPC因水分减少导致的收缩大的问题。同时，陶砂与硬化水泥浆体有较强的界面耦合作用；陶砂周围形成的高强拱壳结构可分散混凝土受压时集料所受的压应力，降低陶砂自身强度低影响混凝土强度的缺陷。

参考文献

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作者：丁庆军；武汉理工大学硅酸盐工程中心国家重点实验室，武汉，430070；

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