玻璃粉和碳酸钙基超高性能混凝土的干燥收缩研究_冯玲.pdf

行业聚焦房地产世界2023/1217玻璃粉和碳酸钙基超高性能混凝土的干燥收缩研究冯玲UHPC 具有优异的力学性能及耐久性,因而越来越受到人们的关注。UHPC 的配制过程主要包括消除粗骨料、优化颗粒混合、热处理固化和掺入纤维等阶段,其成分为硅酸盐水泥、微硅粉、石英粉、水、高效减水剂和细硅砂等。然而,由于成本相对较高,UHPC 在建筑行业尚未得到广泛应用。与传统混凝土相比,UHPC 中水泥和微硅粉的最低用量分别为 800 kg/m3和 250 kg/m3。为了降低 UHPC 中水泥和微硅粉的用量,各国研究人员对不同种类的生物质材料、矿物材料或工业废料在 UHPC 中的添加情况进行了广泛研究。使用稻草灰、棕榈叶灰、甘蔗叶灰、玉米秸秆灰等农业废灰部分代替水泥制造 UHPC 的实验结果表明,废灰代替样品具有较好的力学性能和耐久性。例如,添加含量为 20%的硅铁合金废料的 UHPC 样品,其 90 天后的抗压强度达到 210.4 MPa；添加含量为 25%的回收粗骨料和含量为 2%的钢纤维的 UHPC 样品,其 90 天后的抗压强度达到 180.9 MPa。在使用玻璃粉代替水泥生产UHPC 过程中,玻璃粉用量的增加会导致 UHPC 的透水率显著降低。干燥收缩通常会引起混凝土开裂。因此,研究矿物添加剂对 UHPC 干燥收缩值的影响具有重要意义。在工程实践中,由于材料的脆性,不含纤维的 UHPC 在土木工程中的使用受到限制。将纤维加入 UHPC 中,可以制备出UHPFRC。这种混凝土不仅具有很高的抗压强度,而且具有良好的延展性。该研究的主要目的是评估玻璃粉和碳酸钙对 UHPC 和 UHPFRC 干燥收缩值的影响。1 实验材料与方法1.1 实验材料在 UHPC 配制过程中,笔者使用了水泥、微硅粉、碳酸钙、玻璃粉、水、氧化硅微砂等原料。其中,水泥的中值粒径（累计分布百分数达到 50%时所对应的粒径值）为8m；微硅粉的中值粒径为 0.15m；氧化硅微砂的最大粒径为 600m,中值粒径为 165m。在实验过程中,笔者考虑使用碳酸钙和两种粒径的玻璃粉来代替水泥和微硅粉。碳酸钙的中值粒径为 2 m,介于水泥和微硅粉的平均粒径之间。添加碳酸钙,可以在减少水泥和微硅粉用量的同时,使颗粒填充均匀。笔者通过研磨,获得两种粒径的玻璃粉。粗、细玻璃粉的中值粒径分别为 28m 和 7 m。笔者通过向 UHPC 中添加含量为 2%的高强度钢纤维,制备出 UHPFRC,这种钢纤维的直径为 0.2 mm、长度为 13 mm、强度为 2600 MPa。UHPC 和 UHPFRC 的原料配比与性能如表 1 所示。摘要：本文评估了碳酸钙和玻璃粉等矿物掺和料对 UHPC（超高性能混凝土）和 UHPFRC（超高性能纤维混凝土）干燥收缩值的影响。笔者配制了三种不同成分的 UHPC，向 UHPC 中加入含量为 2%的钢纤维形成 UHPFRC 样品。研究结果表明，用玻璃粉和碳酸钙取代部分水泥和微硅粉，可以减小 UHPC 和 UHPFRC 的干燥收缩值。关键词：玻璃粉；超高性能混凝土；干燥收缩项目资助：湖南省教育厅科学研究项目一般项目“环氧树脂基混凝土力学性能实验研究”（项目编号：21C0136）。行业聚焦182023/12REAL ESTATE WORLD1.2 实验方法笔者以 60 转/分的转速将水和高效减水剂混合 1.5 分钟；然后添加水泥、微硅粉和其他掺和料,以 60 转/分的转速将混合物混合 3 5 分钟,将转速提高至 124 转/分,并搅拌 1 分钟,继续将转速提高至 255 转/分,并持续搅拌 3 分钟；其次,在 1 分钟内逐渐加入氧化硅微砂,以 60转/分的转速将混合物混合,将转速提高至 124 转/分,并持续搅拌 4 分钟；再次,在 1 分钟内逐渐加入纤维,同时以 60 转/分的转速将混合物混合,提高转速至 124 转/分,并搅拌2分钟；最后,在样品脱模后,立即测量样品的长度,并使用该测量值来估计干燥收缩值。需要注意的是,样品的储存环境温度为 20,储存环境湿度为 45%；样品的截面尺寸为 50 mm50 mm,长度为 300 mm。2 结果和讨论在该研究中,笔者检测了混凝土最初 25 天内的干燥收缩值（见图 1）。图 1 显示,在 20 25 天时,干燥收缩现象不明显,混凝土体积变化非常小。这在很大程度上可以归因于混凝土所处的环境温度和相对湿度较为稳定。需要强调的是,UHPC、UHPFRC 的临界收缩现象发生表 1UHPC、UHPFRC 的原料配比与性能实验材料UHPCUHPFRC材料编号D1D2D32%D12%D22%D3水泥用量/（kg/m3）852590603852590603微硅粉用量/（kg/m3）272100100272100100碳酸钙用量/（kg/m3）257128257128细玻璃粉用量/（kg/m3）192192粗玻璃粉用量/（kg/m3）321225321225氧化硅微砂用量/（kg/m3）834778788834778788高效减水剂用量/（kg/m3）26.521.52126.521.521水用量/（kg/m3）245210205245210205钢纤维用量/（kg/m3）157157157抗压强度/MPa170156152178158159坍落扩展度/mm255245250260249254堆密度/（kg/m3）0.840.810.780.840.810.78注：D1、D2、D3 分别表示三种不同的 UHPC，2%D1、2%D2、2%D3 分别表示三种不同的 UHPFRC（含有 2%高强度钢纤维）。行业聚焦房地产世界2023/1219在硬化的前几天。在硬化的第一天,混凝土产生裂缝和微裂缝的可能性较大。因此,用矿物掺和料取代部分水泥和微硅粉,能够有效减小干燥收缩值,避免混凝土出现裂缝和微裂纹。D2和D3用矿物添加剂取代部分水泥和微硅粉；与 D1 相比,其干燥收缩值较小。究其原因,一方面是 D2和 D3 中水泥用量较少,另一方面是 D2 和 D3 中微硅粉含量较低。图 1UHPC/UHPFRC 干燥收缩测试结果UHPFRC 干燥收缩现象较为显著。然而,在 15 天后,含碳酸钙和粗、细玻璃粉的 UHPFRC 干燥收缩值与对照组干燥收缩值大致相同。这可能是因为水泥完成了水化热释放。水泥和微硅粉含量较低的 UHPFRC（2%D2和 2%D3）的填充度较低,其体积容易受外部环境影响而发生变化。也就是说,与对照组相比,UHPFRC 的渗透性更强且孔隙更多,更容易失去水分。值得注意的是,外部环境引起的干燥收缩值远小于早期混凝土水化热释放产生的干燥收缩值。水化热会影响裂纹和微裂纹的发展,进而影响 UHPC、UHPFRC 的力学性能和耐久性。综合对比各组数据可以看出,用矿物添加剂代替水泥和微硅粉,可以有效减小 UHPC 和 UHPFRC 在初期的干燥收缩值。在混凝土龄期内,水化热释放量最大。然而,在15天后,添加和未添加钢纤维的混凝土都容易失去水分。这是因为相对于对照组（D1 和 2%D1）,它们的填充度较低,从而产生了更大的孔隙率。此外,添加钢纤维会减小混凝土的干燥收缩值。其原因可能是钢纤维的弹性模量远高于 UHPC 基体的弹性模量,UHPC 基体能够抵抗混凝土收缩引起的拉应力,却不会发生较大的变形,从而减少收缩。因此,直径为0.2 mm、长度为13 mm、含量为2%的钢纤维,不仅可以增强材料的延展性,还可以减小混凝土的干燥收缩值。样品干燥收缩值与变化率如表 2 所示。与参考样品相比,添加碳酸钙、玻璃粉和钢纤维的UHPFRC样品2%D2的干燥收缩率降低了 40.4%。在第 25 天,体积变化最小的样品为 2%D3,与参考样品相比,其干燥收缩率降低了 20.1%。其次是 2%D2 样品,其干燥收缩率降低了18.1%。通过使用矿物掺和料、添加含量为 2%的钢纤维、减少水泥与微硅粉的用量等方法,样品的干燥收缩率在前5 天高达 40.4%。在龄期为 5 天、15 天、20 天和 25 天时,样品 2%D1 的干燥收缩率分别为 10.8%、18.1%、12.1%和 12.2%。值得注意的是,样品表面的早期干燥收缩速度明显快于样品内部的早期干燥收缩速度,其原因是早期干燥收缩速度与微观结构的发展受环境影响较大。当孔隙之间的距离较小时,范德华引力和静电力等表面力会显著增大,导致样品压缩变形。此外,混凝土弹性模量与刚度密切相关。UHPC 的弹性模量随着时间的推移而增大,这归因于微硅粉和玻璃粉发生的火山灰反应可以通过消耗硅酸盐晶体来降低混凝土的孔隙率。混凝土的干燥收缩现象是由于干燥硬化时浆体孔隙中的水分蒸发而产生的。当周围环境的相对湿度小于混凝土的相对湿度时,混凝土内部的水分开始蒸发,导致干燥收缩。此外,如果混凝土的含水量增加,那么其毛细孔隙率也会增大,水分会更容易蒸发。因此,含水量越低,混凝土的干燥收缩率就越低。由于火山灰反应对孔径的影响较小,添加更多的微硅粉会使干燥收缩值增大。也就是说,UHPC 中的微硅粉和水含量越高,干燥收缩现象就越明显。在该研究中,笔者通过某统计软件建立了 UHPC 模型和 UHPFRC 模型,分析了干燥收缩实测值和预测值之间的相关性。UHPC 的干燥收缩实测值和预测值之间的相关性如图 2 所示。UHPFRC 的干燥收缩实测值与预测值之间的相关性如图 3 所示。行业聚焦202023/12REAL ESTATE WORLD图 2UHPC 的干燥收缩实测值与预测值之间的相关性笔者通过计算得到的模型拟合度分别为 97.0%和95.6%。因此,这两个模型具有较高的准确性,可为后续相关实验提供参考。3 结语综上所述,在 UHPC 和 UHPFRC 中,用碳酸钙和玻璃粉代替部分水泥和微硅粉是可行的,但其强度会显著下降。在掺入含量为 2%的高强度钢纤维后,UHPFRC的干燥收缩值减小。其原因是高弹性模量钢纤维能够降低收缩引起的内应力。因此,用碳酸钙和玻璃粉代替部分水泥和微硅粉,可以减小混凝土的干燥收缩值。参考文献：1 SHI C J,WU Z M,XIAO J F,et al,A review on ultra high performance concrete:Part I.Raw materials and mixture designJ.Construction and Building Materials,2015,101(1):741-751.2 ABBAS S,NEHDI M L,SALEEM M A.Ultra-high 表 2样品干燥收缩值与变化率样品干燥收缩值/（m/m）变化率/%5 天15 天20 天25 天5 天15 天20 天25 天D1-415-618-633-6432%D1-370-506-557-56510.8%18.1%12.1%12.2%D2-311-563-573-63025.1%8.8%9.5%2.1%2%D2-248-443-473-52740.4%28.3%25.3%18.1%D3-265-508-600-59136.1%17.8%5.3%8.1%2%D3-258-439-472-51437.8%29.0%25.5%20.1%图 3UHPFRC 的干燥收缩实测值与预测值之间的相关性行业聚焦房地产世界2023/1221performance concrete:Mechanical performance,Durability,Sustainability and implementation challengesJ.International Journal of Concrete Structures and Materials,2016,10(3)：271-295.3 ABELLAN-GARCIA J,GARCIA-CASTANO E.Development and Research on Ultra-High-Performance Concrete Dosages in Colombia:A Review