环保型粗骨料超高性能混凝土制备与性能研究_温聪聪.pdf

收稿日期：2022-11-10作者简介：温聪聪，男，助理工程师，学士，主要从事工程管理工作。引文格式：温聪聪.环保型粗骨料超高性能混凝土制备与性能研究 J.市政技术，2023，41（3）：35-39，145.（WENG C C.Research on the prepa-ration and properties of environmental protection coarse aggregate ultra-high performance concrete J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：35-39，145.）文章编号：1009-7767（2023）03-0035-06第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.035Journal of Municipal Technology环保型粗骨料超高性能混凝土制备与性能研究温聪聪（中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300308）摘要：针对超高性能混凝土（以下简称“UHPC”）中胶凝材料和钢纤维掺量大而造成成本过高和水化热引起的自收缩过大等问题，通过掺入回收轮胎钢纤维并优化其体积掺量，以及采用掺入 4.759.50 mm 粒径的玄武岩粗骨料、以石灰岩机制砂代替石英砂等措施进行了制备研究，以期获得力学和耐久性能优异、环境效益良好和价格较低的环保型粗骨料 UHPC。研究结果表明：当粗骨料掺量为 750 kg/m3时，会使 UHPC 工作性能变差，不满足实际工程要求；当粗骨料掺量为 500 kg/m3和钢纤维掺量为2.0%时，不但能满足施工泵送要求，而且力学性能有所增加，同时有效抑制了 UHPC 的早期自收缩；当粗骨料掺量为 250 kg/m3时，UHPC 的早期自收缩较小。当钢纤维掺量为 2.0%、粗骨料掺量为 500 kg/m3时，粗骨料 UHPC 表现出了优异的工作、力学和耐久性能。关键词：UHPC；粗骨料；力学性能；工作性能；耐久性能中图分类号：TU 528.58文献标志码：AResearch on the Preparation and Properties of Environmental ProtectionCoarse Aggregate Ultra-High Performance ConcreteWen Congcong（China Railway 18th Bureau Group Construction and Installation Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300308，China）Abstract：As for ultra-high-performance concrete（UHPC），the large cementitious materials and steel fibers contentwill cause the excessive cost，and hydration heat cause excessive self-shrinkage.By being mixed into recycled tiresteel fibers，optimized the volume content，mixed with basalt coarse aggregate with 4.759.50 mm particle size，andreplacing quartz sand with limestone machine sand，preparation study was conducted to obtain the environmentalprotection coarse aggregate UHPC with excellent mechanical and durability properties，good environmental benefitsand low price.The results show that when the coarse aggregate content is 750 kg/m3，the working performance ofUHPC will be deteriorated and cant meet the actual engineering requirements；While the coarse aggregate contentis 500 kg/m3and the steel fiber content is 2.0%，it can not only meet the construction pumping requirements，butalso increase the mechanical properties，and effectively inhibit the early self-shrinkage of UHPC；when the coarseaggregate content is 250 kg/m3，the early self-shrinkage is smaller.When the steel fiber content is 2.0%and thecoarse aggregate content is 500 kg/m3，the coarse aggregate UHPC has excellent working performance，mechanicalproperties and durability.Key words：ultra high performance concrete（UHPC）；coarse aggregate；mechanical properties；working perfor-mance；durabilityJournal of Municipal Technology第41卷超高性能混凝土（以下简称“UHPC”）凭借其优异的力学和耐久性能，在建筑、桥梁、隧道和海洋工程等领域都具有潜在良好的竞争力1，具体表现为：可以承受不同加载速率的极端荷载条件，如地震2；可以承受恶劣环境下的极端条件，如高寒、高海拔和沿海海洋环境3；可以应用于特殊结构部位，增加建筑物的承载能力和耐久性能，如结构二次加固维修4。近年来，国内在桥梁结构建造中逐渐开始应用UHPC。例如：2012年惠清高速麻埔停车区跨线桥中的预制桥面板采用了13 cm厚C150UHPC，现浇接缝处采用了C120UHPC；2018年武汉军山大桥组合桥面改造工程采用了UHPC对桥面进行维修加固；2018年三洲坝桥采用单独预制钢-UHPC双工字梁结构，桥面板采用NC现浇；2021年5月中路杜拉有限公司开展了“30 m U型UHPC组合梁抗弯承载能力试验”，验证了UHPC结构设计的准确性和组合梁桥采用工业化批量生产的可行性，同时确定了采用无腹筋U型UHPC梁桥与C50钢筋桥面板为组合的梁桥最优方案。由此可见，UHPC在工程领域具有非常广阔的应用前景5-6。但同时，由于钢纤维和胶凝材料掺量大，使得UHPC制备价格过高，这是限制其大规模应用的主要原因7-8。因此，制备出力学和耐久性能优异、环境效益良好且价格较低的环保型粗骨料UHPC具有非常重要的意义。在UHPC材料总成本中，钢纤维比例达到50%左右，而养护条件的苛刻也是由于UHPC材料中胶凝材料比例过高，早期水泥水化反应剧烈导致其结构自收缩严重。采用回收钢纤维可以显著降低UHPC材料的总成本，同时加入粗骨料，可通过骨架效应来提高UHPC的力学性能、降低收缩徐变，进而有效改善结构的稳定性9-10。邓宗才等11通过掺入膨胀剂和减缩剂对UHPC自收缩进行研究，结果表明质量分数6%的HP-CSA膨胀剂效果最佳，减缩剂掺量1.5%时效果最佳。李信等12通过掺入粗骨料抑制UHPC自收缩，结果表明与纯UHPC相比，掺入675 kg/m3的粗骨料能有效降低UHPC自收缩约34%。由此可见，在UHPC材料中掺入粗骨料的方法是可行的。但是，现有文献、研究与相关规范对该方面的报道较少。为进一步研究粗骨料UHPC的制备与性能，笔者研究了不同回收轮胎钢纤维体积掺量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）、不同粗骨料掺量（250、500、750 kg/m3）对UHPC的工作、力学和早期自收缩等性能的影响，并通过试验得出了各组分的最佳掺量。1原材料和试验方法1.1原材料水泥采用52.5级普通硅酸盐水泥（PO 52.5）；粉煤灰采用I级粉煤灰，需水量比93%，比表面积1 960 cm2/g；硅灰密度为2.2 g/cm3，平均粒径0.1 m。胶凝材料的化学组成见表1。细骨料为石灰岩机制砂，粒径不超过4.75 mm，表观密度为2 650 kg/m3；粗骨料为玄武岩碎石，粒径为4.759.5 mm，压碎值为8.1%；钢纤维为回收钢纤维，通过回收加工厂机械破碎和电磁筛选后得到的钢纤维长径比为50100，长度为540 mm，直径为0.10.4 mm，抗拉强度为2 500 MPa，见图1。减水剂则采用LC-HPC聚羧酸高性能减水剂，减水率为31.2%，含固量为25.28%。1.2配合比为研究钢纤维和粗骨料掺量对UHPC的工作、力学和早期自收缩等性能的影响，笔者设计了7个粗表1胶凝材料的化学组成Tab.1 Chemical composition of cementitious materials材料水泥粉煤灰硅灰19.7854.3771.274.4130.2414.273.0194.882.0365.944.102.482.131.300.6473.170.3920.012 60.1981.164.570.0541.824.22质量分数/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2O图1回收钢纤维图Fig.1 Recycled steel fiber36第3期骨料UHPC配合比方案，见表2。其中，方案C1、C2、C3、C4研究不同粗骨料掺量（0、250、500、750 kg/m3）对UHPC性能的影响；方案C3、C5、C6、C7研究不同纤维体积掺量（2.0%、2.5%、1.5%、1.0%）对UHPC性能的影响。1.3试验方法1）试件制备：按照表2的配合比方案进行原材料称取。首先将水泥、硅灰、粉煤灰、机制砂和粗骨料倒入搅拌机中干拌4 min，然后再加入水和减水剂搅拌4 min，最后将钢纤维均匀抖落到拌合料中搅拌5 min。搅拌结束后，立即进行工作性能测试，而后将其装入模具并在其表面附上1层塑料薄膜，以避免水分损失。2）性能测试：依据GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准测试工作性能，依据GB/T 500812019普通混凝土力学性能试验方法标准测试力学性能，依据GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准测试自收缩性能。2试验结果分析2.1工作性能分析新拌UHPC的工作性能试验结果见图2。由图2可知，粗骨料和钢纤维掺量的增加都会使UHPC的工作性能降低。其中，基准组C1的坍落度和扩展度分别为280mm和780mm，表现出良好的工作性能。当钢纤维掺量为2.0%，碎石掺量为750kg/m3时，UHPC的坍落度和扩展度分别为165 mm和520 mm。樊俊江等13在UHPC预制构件研究中得出，扩展度不宜小于650 mm，且现有规范考虑到混凝土的泵送问题，规定自密实粗骨料UHPC的扩展度不宜小于500 mm。如钢纤维和粗骨料掺量过大，是不利于实际工程施工的。因此，当粗骨料掺量从0 kg/m3增加至750 kg/m3时，扩展度降低了33.33%；钢纤维掺量从1.0%增加至2.5%时，扩展度降低了18.31%。其原因是配合比中胶凝材料的含量是固定的，随着粗骨料掺量的增加，机制砂的含量逐渐减少，粗骨料表面的砂浆润滑层厚度也