粗骨料粒径及掺量对超高性能混凝土性能的影响_张潇.pdf

试验研究Experimental Research17总163期 2023.01 混凝土世界引言超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC）是一种从材料组成、配合比设计、微观结构等各方面均不同于普通混凝土的新型水泥基复合材料1-4，具有超高力学性能和耐久性能，是结构体系创新和重大工程建设的突破性材料，在道桥、建筑、市政等工程中得到了广泛应用。虽然与普通混凝土相比，UHPC具有良好的性能优势，但现阶段从UHPC的材料组成来看，其仍存在着胶凝材料用量大、早期收缩大、材料成本高等缺点5-10，限制了UHPC的推广应用11-12。粗骨料的掺入可以有效减少胶凝材料用量、降低体系收缩变形。因此，越来越多学者将粗骨料引入到UHPC体系中，以促进UHPC的工程应用。相关文献13-17研究了粗骨料掺量对UHPC的工作性能和抗压、抗弯性能的关联影响，但不同粒径及掺量的粗骨粗骨料粒径及掺量对超高性能混凝土性能的影响张潇辽宁省交通规划设计院有限责任公司 公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心 辽宁 沈阳 110000摘 要：为了推动粗骨料在超高性能混凝土（UHPC）中的应用，探究了不同粗骨料粒径（510mm、516mm和520mm）及掺量对UHPC性能的影响。结果表明：UHPC的工作性能随着粗骨料掺量的增加及粒径的增大而不断下降；UHPC的抗压强度随着粗骨料掺量的增加出现先升高后下降的趋势，510mm、516mm、520mm粒径粗骨料分别掺入15%、15%、10%时抗压强度达到最大值，抗折强度随着粗骨料掺量的增加而不断下降；随着510mm粒径粗骨料掺量的增加，UHPC的弹性模量不断增加，UHPC的抗拉性能和抗冻性能先增大后减小，抗拉性能和抗冻性能均在粗骨料掺量10%时达到最优，其抗拉强度为8.38MPa及500次冻融循环后质量损失率仅为0.129%。关键词：超高性能混凝土；粗骨料；工作性能；力学性能；弹性模量；抗拉性能；抗冻性能The Effect of Particle Size and Mixing Amount of Coarse Aggregate on the Performance of Ultra-high Performance ConcreteAbstract:In order to promote the application of coarse aggregate in ultra-high performance concrete(UHPC),the effect of different particle size(510mm,516mm and 520mm)and mixing amount of coarse aggregate on the performance of UHPC were investigated.The results showed that the work performance of UHPC decreased with the increase of coarse aggregate content and particle size.The compressive strength of UHPC showed a trend of first rising and then falling with the increase of coarse aggregate content,the compressive strength reached the maximum when 510mm,516mm and 520mm coarse aggregate mixed with 15%,15%and 10%.The flexural strength decreased with the increase of coarse aggregate content.With the increase of 510mm coarse aggregate content,the elastic modulus of UHPC increased continuously,the tensile performance and frost resistance of UHPC first increased and then decreased.The tensile performance and frost resistance were the best when the content of coarse aggregate is 10%,its tensile strength was 8.38MPa and mass loss rate was only 0.129%after 500 freeze-thaw cycles.Key words:Ultra-high performance concrete;coarse aggregate;work performance;mechanical properties;elastic modulus;tensile performance;frost resistance收稿日期：2022-9-5第一作者：张潇，1989年生，硕士，工程师，主要从事超高性能混凝土及道桥工程养护材料研究工作，E-mail：项目信息：辽宁省交通科技项目（201915）；宁波市交通运输科技项目（202115）试验研究Experimental Research18CHINA CONCRETE 2023.01 NO.163料对UHPC的影响规律不同，其对UHPC抗拉性能及耐久性能的影响研究尚不完善。因此，本文在保证钢纤维掺量相同的情况下，系统研究了不同粗骨料粒径（510mm、516mm及520mm）及掺量对超高性能混凝土工作性能、力学性能、耐久性能的影响，建立了粗骨料关键参数（粒径、掺量）对UHPC宏观性能的作用机制，指导粗骨料的粒径及掺量选择，以达到降低UHPC成本、改善UHPC性能的目的，为粗骨料UHPC的工程应用提供理论基础。1 材料与方法1.1 试验材料水泥：大连小野田水泥有限公司生产的PO 52.5 R普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1。硅灰：上海埃肯公司生产，比表面积19800m2/kg，密度2.02g/cm3。粉煤灰：辽宁某公司生产，灰白色粉末，比表面积548m2/kg。石英砂：采用沈阳地区1020目、2040目、4070目及70140目粒径的石英砂，掺入超高性能混凝土中1020目 2040目 4070目 70140目石英砂质量比为44 1 1。碎石：沈阳地区510mm、516mm及520mm粒径玄武岩碎石，表观密度2.80g/cm3。聚羧酸减水剂：武汉某公司生产，固含量40%。钢纤维：苏州钰建钢纤维有限公司生产的镀铜微细端钩钢纤维，长度12mm，直径0.22mm。1.2 配合比参考相关粗骨料超高性能混凝土文献及GB/T 313872015活性粉末混凝土设计配合比，胶凝材料用量为1150kg/m3，胶砂比为1.1，水胶比为0.16，减水剂掺量为2%，具体见表2。其中，编号C0为不掺粗骨料配合比；编号CA、CB、CC分别为掺入510mm、516mm、520mm粒径粗骨料配合比，其中每种粗骨料粒径体积掺量均为5%、10%、15%、20%及25%。1.3 试件制备及养护按设计配合比称量好各原材料质量，首先将石英砂、粗骨料倒入强制式混凝土搅拌机内干混1min，然后倒入钢纤维再干混2min，利用石英砂、粗骨料的冲击力分散钢纤维，最后倒入水泥、硅灰、粉煤灰，再干混2min后加入称量好的水及减水剂，搅拌至混凝土完全流化后继续搅拌5min，装入试模。试块表面及时覆盖塑料薄膜并将试件移入温度为（202）室内养护48h后拆模，拆模之后水养至测试龄期。表 1 水泥物理性能表观密度/（g/cm3）比表面积/（m2/kg）抗折强度/MPa抗压强度/MPa3d28d3d28d3.084227.210.837.058.8 表 2 超高性能混凝土配合比 kg/m3编号水泥硅灰粉煤灰石英砂粗骨料水减水剂钢纤维C08631721151045018423.0164.8CA-182016310999314017521.9164.8CA-277715510494128016620.7164.8CA-37341469888842015619.6164.8CA-46901178283656014718.4164.8CA-56471298678470013817.3164.8CB-182016310999314018423.0164.8CB-277715510494128017521.9164.8CB-37341469888842016620.7164.8CB-46901178283656015619.6164.8CB-56471298678470014718.4164.8CC-182016310999314018423.0164.8CC-277715510494128017521.9164.8CC-37341469888842016620.7164.8CC-46901178283656015619.6164.8CC-56471298678470014718.4164.8试验研究Experimental Research19总163期 2023.01 混凝土世界1.4 试验方法根据GB/T 313872015进行试件抗压强度、抗折强度、弹性模量试验；根据GB/T 500812016普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行试件工作性能试验；根据T/CCPA 72018超高性能混凝土基本性能与试验方法进行试件抗拉性能试验；根据GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行试件抗冻性能试验。2 结果与讨论 2.1 不同粒径及掺量粗骨料对UHPC工作性能的影响粗骨料不同粒径及掺量的UHPC扩展度试验结果如图1所示，图2为不掺粗骨料C0，掺入10%、15%掺量的516mm粗骨料粒径CB-2、CB-3的工作性能现场试验照片。由图1可知，UHPC的扩展度随着粗骨料掺量的增加而减小，如CB-1、CB-2、CB-3、CB-4、CB-5组UHPC的扩展度分别为680mm、580mm、450mm、370mm、315mm，说明掺入粗骨料后UHPC工作性能明显降低。主要原因为粗骨料的掺入会减少基体中自由流动的浆体，且粗骨料粒径相对石英砂粒径较大，与钢纤维产生如图2所示的团聚现象，从而降低拌合物流动性。当粗骨料掺量一定时，随着粗骨料粒径的增加，UHPC的扩展度更小，如CA-2、CB-2、CC-2组的粗骨料UHPC的扩展度为610mm、580mm、555mm。从数据可以看出，相比于掺入516mm、520mm的粗骨料粒径，510mm的粗骨料对UHPC工作性能的负面影响相对较小。2.2 不同粒径及掺量粗骨料对UHPC力学性能的影响粗骨料不同粒径及掺量UHPC的28d抗压、抗折强度试验结果分别如图3、图4所示。由图3可知，加入粗骨料后，UHPC的抗压强度出现先升高后下降的趋势，510mm、516mm、520mm粗骨料分别掺入15%、15%、10%时抗压强度达到最大值，分别为167.8MPa、163.0MPa、152.2MPa，且相比C0试件，3组试件分别提高了17.1%、15.9%、8.3%。这是由于玄武岩粗集料具有较高抗压强度，在UHPC体系内形成刚性骨架结构，加之钢纤维在粗骨料与基体之间的锚固作用，使得体系整体性能更好，提高了试件的抗压强度；但粗骨料掺量过大会导致UHPC工作性能急剧下降，阻碍钢纤维在UHPC基体中的自由移动，从而钢纤维与粗骨料结团严重，导致UHPC内部结构缺陷增多及钢纤维分布不均匀，且粗骨料的掺入会降低UHPC浆体含量，导致浆体无法充分包裹粗骨料，造成骨料与浆体粘结力不足，因此导致抗压强度下降。试验结果与文献13-14,17-