粉煤灰微珠在超高性能混凝土(UHPC)中的应用?

引言

超高性能混凝土（UHPC）是一种具备高强度、高韧性、低孔隙率、高耐久性的纤维增强水泥基材料，被公认为未来极具发展前景和应用价值的一种新型结构材料。尽管在过去的三十年中，各国已经开展了超高性能混凝土及其成分相关的深入研究，150MPa的UHPC在振动与高温养护条件下配制工艺相对成熟，但在没有特殊处理的情况下，在没有特殊情况下有一定的难度（如热养护，加压或振动）。由于硅灰具有较高的活性效应与良好的微珠效应，在大多数UHPC与RPC中，其最佳掺量达到了15%～30%，又因为硅灰具有较大的比表面积，大掺量情况下，流动度较差，必须使用振动成型条件，而且硅灰在常温下活性效应发挥有限，因此高温养护又是其获得优良力学性能的重要条件。随着UHPC在建筑各个领域逐渐的广泛使用。自密实与免蒸养是对UHPC提出的新的性能要求。

粉煤灰微珠（以下简称微珠）是一种新型超微粉体材料，是利用优质粉煤灰经过独特工艺精选、加工而成的超细且具有连续粒径分布的一种亚微米、完美的正球状粉体产品。粉煤灰微珠具有活性高、低水化热、质轻、耐腐蚀、抗压强度高、流动性好和热稳定性好等优异功能，可作为高性能混凝土的新型活性超微骨料。

本文通过颗粒堆积密实度测试方法进行配合比试验，研究粉煤灰微珠对UHPC堆积密实度、抗压强度的影响，从而制备出28d抗压强度140MPa，56d抗压强度150MPa的自密实免蒸养UHPC。

1 试验部分

1.1 试验原材料

（1）水泥：海螺P·O 52.5级水泥。

（2）粉煤灰微珠：内蒙古某厂生产的粉煤灰微珠，图1为微珠颗粒形貌，由图1可见微珠表面光滑，且均为标准球形，粒径大多分布于0.5～4μm之间，可以很好的填补水泥与硅灰之间的连续粒径分布的缺失。表1为微珠与粉煤灰、硅灰的化学成分，可见微珠中SiO2和Al2O3含量较粉煤灰高，各种非活性杂质较少，SiO2是玻璃体的主要成分，也是形成水化硅酸钙凝胶的主要来源，而粉煤灰中的SiO2、Al2O3对粉煤灰的火山灰性质贡献很大，一般含量越多，粉煤灰的火山灰活性越大。

（3）硅灰：山东淄博生产的微硅灰，SiO2＞94%，比表面积20900m2/kg。

（4）石英砂：本文选用20～40目、40～70目的石英砂，通过传统方法测试堆积密实度，当20～40目∶40～0目=0.5∶0.5时，堆积密实度最高，堆积密度1915kg/m3，密实度72.3%。

（5）外加剂：西卡540粉体减水剂。

1.2 试验方法

拌合物堆积密实度的测试采用湿颗粒堆积密实方法，Kwan等通过分析、试验对比与验证，发展了粉体堆积的湿法试验测试方法，能较准确测量胶凝材料或粉体在真实状态下（与水拌和以及在减水剂作用下）的堆积密实度。

湿颗粒堆积密实度测试方法的原理很简单，即，将胶凝材料（粉体）以不同复掺比例与不同水胶比拌合，根据各种颗粒的密度与含量，计算出拌合物胶体材料颗粒体积与浆体体积之比，即为颗粒堆积密实度，此数值越大，对应的浆体空隙率越小。通过前期试验，胶凝材料净浆在190～210mm之间的流动度，砂浆在270～290mm之间的流动度时具有较高的堆积密实度。

依据GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》，测定胶凝材料净浆强度，采用40mm×40mm×160mm试块。依据JGJT 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》与GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》测定UHPC强度，试块采用100mm立方体试块。浇筑均采用自密实，养护为标准养护。

2 试验配比设计及试验结果

本试验研究在低水胶比的条件下矿物掺合料掺量对净浆堆积密实度与强度的影响，配合比及试验结果见表2、表3。为了保证净浆与砂浆具有良好的自密实效果与较高的堆积密实度，净浆应保证在净浆试模测试条件下具有190～210mm之间的流动度，砂浆应保证在截锥试模测试条件下具有270～290mm之间的流动度。A0和B0分别为纯水泥与水泥∶硅灰=1∶0.1的空白对照组。

表2中，A4配比的强度较高，以其为基本复掺比例，表3为硅灰掺入水泥与微珠复合胶凝材料，等质量代替复掺的胶凝体系，配合比与试验结果见表3。

3 试验结果分析

3.1 微珠掺量对净浆性能的影响

微珠对净浆的堆积密实度和强度的影响如图2所示，微珠掺量对净浆的需水量与强度的影响如图3所示。

从图2、图3可以看出，净浆的抗压强度与净浆的湿颗粒堆积密实度有很大的正相关，随着微珠掺量的不断增加，净浆湿颗粒堆积密实度先增加后减小。由于微珠的粒型较好，且粒径小于水泥，有效的填充了水泥颗粒之间的空隙，在保证流动性良好的情况下，不断降低水灰比，但是强度并没有不断增加，主要是因为如果掺量过大，微珠量超过最佳水泥缝隙填充量，多余的微珠既起不到填充效应且微珠与水不能发生化学反应，因此微珠最佳掺量为20%。微珠作为粉煤灰中粒型较好、活性较好的部分，其活性也发挥较慢，因此其后期活性发挥较明显。

3.2 硅灰掺量对净浆性能的影响

硅灰掺量对净浆需水量的影响如图4所示，对净浆密实度与强度的影响如图5所示。

由于硅灰的粒径小、比表面积比较大，从图4、图5可以看出，同样流动度下，单掺10%（第一个柱形图）硅灰的净浆需水量较大，流动性不好，湿颗粒堆积密实度较低，抗压强度也较低，需要与微珠复掺使用。从图5中可以得出，硅灰略微提高自密实净浆的28d抗压强度，56d强度与单掺微珠抗压强度差不多，考虑到对流动度的影响，最佳硅灰掺量为6%~12%。因此，在常温条件下，硅灰的活性效应发挥有限，与学者H.Zanni用SINMR（核磁共振波谱法）定量分析常温下硅灰的反应程度结论一致。其研究结果表明在养护温度20℃的情况下进行56d的水养只有10%的硅灰发生反应；在养护温度为90℃的情况下进行养护48h，56d龄期有49%的硅灰发生反应。

通过试验，在水泥∶微珠∶硅灰=1∶0.2∶0.1胶凝体系下，当砂胶比为0.8～1时，砂浆浆体具有良好的流动性，掺入2%的钢纤维，可以配制出常温养护28d抗压强度140MPa，56d抗压强度155MPa的自密实UHPC。

4 结论

（1）粉煤灰微珠良好的形态效应可以大大降低浆体的需水量，提高浆体的流动度。加之微珠活性比一般粉煤灰要高，其形态与火山灰双重效应将提高浆体的抗压强度，且后期强度提高明显，最佳掺量为10%~25%。

（2）在常温条件下，硅灰的活性发挥有限，可以略微提高微珠水泥复掺体系常温28d抗压强度，由于其对流动度的不利影响，最佳掺量为6%~12%。

（3）当胶凝体系为水泥∶微珠∶硅灰=1∶0.2∶0.1时，胶凝净浆具有良好的流动度与抗压强度，可以达到150MPa。在上述胶凝体系下，当砂胶比为0.8~1时，加入2%的钢纤维，可以获得常温条件下28d抗压强度140MPa的自密实UHPC。

（4）胶凝材料净浆的抗压强度与湿颗粒堆积密实度有着很强的正相关关系。