矿物掺合料在UHPC的应用研究.pdf
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1、CONSTRUCTION MACHINERY 1392023/09总第571期矿物掺合料在UHPC的应用研究邹辉杰1,朱泽文2,3,毛 琳2,3,蔡金平4,史振华4,宋荣恒1(1.江西省交通投资集团有限责任公司,江西 南昌 330013;2.江西省交通科学研究院有限公司,江西 南昌 330013;3.江西省桥梁结构重点实验室,江西 南昌 330013;4.华东交通大学,江西 南昌 330013)摘要超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)具备高强度、高韧性和高耐久性等特性,应用前景广阔。UHPC需要消耗大量的硅灰及水泥,导致其成本高昂,且会显著
2、增大碳排放量。而且由于UHPC的水胶比较低,体系中水泥和硅灰的水化不充分,造成材料浪费。因此,本文通过总结一些常见的矿物掺合料,包括粉煤灰、高炉矿渣、偏高岭土和稻壳灰,通过对它们的水化机理、力学性能的研究与总结,揭示了各种矿物掺合料对UHPC的影响:粉煤灰和矿渣会降低UHPC的早期强度,对后期强度影响不大;偏高岭土会提高UHPC的早期强度,后期强度则会降低;稻壳灰则是对UHPC的早期和后期强度都有提升。关键词超高性能混凝土;粉煤灰;高炉矿渣;偏高岭土;稻壳灰中图分类号TU528 文献标识码A 文章编号1001-554X(2023)09-0139-07Research on the applic
3、ation of mineral admixture in UHPCZOU Hui-jie,ZHU Ze-wen,MAO Lin,CAI Jin-ping,SHI Zhen-hua,SONG Rong-hengUHPC是指抗压强度在150MPa以上,具有超高韧性和耐久性的纤维增强水泥基复合材料的统 称1。UHPC是一种领先的建筑材料,与传统混凝土相比具有极大的优越性能,在众多领域中都有着广泛的应用。除了出色的抗压强度外,基于颗粒堆积理论设计的UHPC在致密微观组织结构的帮助下也具有优于传统混凝土的耐久性2,3。通过提高组成成分的细度与活性,不使用粗骨料,使材料内部的孔隙与微裂缝减到最少,以获得
4、超高强度与高耐久性。通过使用砂、水泥、硅灰、纤维、外加剂,采用合理的配合比、高效减水剂和不同纤维,充分发挥超细颗粒和经仔细选择颗粒的化学和几何特性,并使这些颗粒通过正确的搅拌、浇筑和养护以达到基体的紧密堆积和超强的分子结合力,如图1所示4。UHPC虽然具有许多突出的性能,但是也有不足的方面。因大多数UHPC中水泥和硅灰用量大(水泥的含量为11001300kg/m3,硅灰含量为200350kg/m3),导致UHPC的成本远高于普通混凝土,高成本是当前制约UHPC发展应用的主要因素5,6。另一方面,水泥的生产也会产生大量a普通混凝土 b超高性能混凝土图1 普通混凝土和UHPC的二维颗粒堆积示意图的
5、CO2,水泥工业产生的CO2约占全球每年产量的7%8%7。此外,由于UHPC的水胶比较低,UHPC中大部分的水泥颗粒在极低的水胶比的情况下并未完全水化,体系中水泥的水化程度仅有30%40%,硅灰的水化程度仅有约30%8,9。因 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.023收稿日期2023-02-02基金项目江西省交通运输厅重大工程科技项目(编号:2021C0008),江西省自然科学基金资助项目(编号:2020 2BABL214043),江西省交通运输厅科技项目(编号:2022H0014、2022C0007)通讯地址蔡金平,江西省南昌市经开区双港东大街808号专题研究SP
6、ECIAL RESEARCH140 建筑机械此,为了更好地生产和使用超高性能混凝土,越来越多的学者通过对UHPC的原材料、水化机理以及力学性能等方面的研究以便更好的发挥出矿物掺合料的优异性能。1 矿物掺合料的作用机理UHPC代表性的矿物掺和料包括粉煤灰、矿渣、偏高岭土和稻壳灰,可以降低UHPC成本和碳排放量并改善其性能10。图2总结了UHPC中最常用的矿物掺合料的化学成分和典型含量。在化学组成中,掺合料中具有大量的SiO2或反应性CaO可通过火山灰或水化反应促进水泥水化11。发生水化反应时放热尤其是当W/B极低时,其SiO2+Al2O3+Fe2O350%wt为c级粉煤灰,SiO2+Al2O3+
7、Fe2O370%wt为f级粉煤灰12。矿物掺和料对UHPC强度的贡献主要有以下两方面:第一,矿物掺合料本身的细度比较低,填充UHPC中的空隙,降低了孔隙率,提高了整体密实度,最终提高强度13。第二,发生火山灰反应,将胶凝材料中的水泥水化,产生大量的氢氧化钙,并将氢氧化钙转化为C-S-H凝胶,与不添加矿物掺合料相比,具有胶凝性和较少孔隙的微观结构。之后水化产物也能发挥胶结作用使浆体强度增加,产物还可进一步发挥填充作用,提高密实度的同时提升了强度14。FA(c)020406080100Content/%FA(f)GGBSMKRHAMineral admixtureSiO2LOiCaOSO3Al2O
8、3Fe2O3MgO图2 矿物掺合料组成成分图2 粉煤灰对UHPC力学性能的影响粉煤灰是发电行业从燃煤过程中产生的废物。与石灰和水泥不同,粉煤灰没有胶凝特性,因此很难能够通过自身的性质发生硬化15。粉煤灰是一种细粉末状物质,其颗粒呈圆形,几乎呈玻璃状,其余部分形成空心或固态。根据燃煤的形式和燃烧速率,粉煤灰的化学结构各不相同。根据化学组成中的二氧化硅和钙含量以及铁百分比不同,将粉煤灰分为c类和f类,c型和f型粉煤灰已用于UHPC的开发。c型粉煤灰同时发生水化反应和火山灰反应,但f型粉煤灰CaO的含量较低,主要会发生火山灰反应。粉煤灰中火山灰材料的含量足够高以增强火山灰反应,反应会使胶凝产物产量增
9、加从而增强混凝土的抗压强度16。表1总结了粉煤灰掺量对UHPC抗压强度的影响。由抗压强度数据显示,不同掺量下粉煤灰的UHPC的28d抗压强度为114160MPa。数据表明,随着粉煤灰掺量的增加,会降低UHPC的早期抗压强度,在替代率为10%20%左右时,粉煤灰的使用可以在不影响UHPC强度的同时降低UHPC的成本。根据数据表明,细粉煤灰(fine fly ash,FFA)的使用和蒸汽养护也能提高UHPC的抗压 强度。表1 粉煤灰掺量对UHPC(28d)抗压强度的影响Mineral admixturesfc(28d)/MPaW/BCuring MethodReferenceFA(11.8%)+S
10、F1580.15Water21FA(12.8%)+SF1520.15Water22FA(15%)+SF1380.20Air23FA(20%)+SF114.50.16Water17FA(30%)+SF1250.26Water24FA(38.5%)+SF124.70.20Water18FFA(34.1%)+SF160.30.16Water and steam25粉煤灰可以减轻由干燥引起的自收缩,因此更多的自由水可用来保持孔隙溶液中的相对湿度。在水化硬化初期,粉煤灰主要以物理填充作用参与复合胶凝材料的水化硬化过程。前期粉煤灰水化反应活性较低,随龄期延长,粉煤灰的火山灰活性CONSTRUCTION M
11、ACHINERY 1412023/09总第571期作用逐渐明显,火山灰反应是缓慢的,但可以长期水化,粉煤灰取代水泥会延缓水化过程19,20。另外,由于粉煤灰中Al2O3含量较高,溶液中的钙很快被铝酸盐消耗,会在粉煤灰表面析出钙矾石,产生钙沉积作用。钙浓度的降低减少了早龄期富钙水化产物的生成,因此粉煤灰的使用抑制了水化过程,降低了早期强度。3 高炉矿渣对UHPC力学性能的影响矿渣是从高炉中提取的水或蒸汽中的铁或钢的副产品,之后将其干燥并在球磨机中研磨成非常细的矿渣粉末26。矿渣有两个不同的相:第一个是玻璃相,与矿渣的胶凝特性相关;而第二相是结晶相,与水化反应相关27。矿渣相对于水泥有许多优点,例
12、如增强耐久性,提高流动性并降低破坏内部反应的风险,如碱二氧化硅反应(ASR)如图3所示。由于矿渣具有非常细小的玻璃状粉末,它增加了颗粒之间的结合力并最大限度地降低了混凝土的渗透性,从而使混凝土更耐氯化物,并保护内部钢筋免受腐蚀28。a 碱二氧化硅反应前b 碱二氧化硅反应后fine particlesfine particlesASRcoarse particlescoarse particles图3 碱二氧化硅反应(ASR)表2总结了矿渣掺量对UHPC抗压强度的影响。在一定范围内,随着矿渣的掺量提高,UHPC的强度也会提高,另外抗压强度会随着矿渣粒度降低而提升。虽然矿渣易降低UHPC的早期抗压
13、强度,但许多研究表明,它能提高后期抗压强度。矿渣与氢氧化钙之间的二次火山灰反应产生的C-S-H增加了水泥基体的密度和抗压强度,这种现象发生在后期,这是由于矿渣水化缓慢。矿渣的粒径也是提高UHPC抗压强度的重要因素,较细粒径的矿渣表现出更高的抗压强度。与水泥相比,矿渣降低了UHPC的吸水率,减少了对水的需求,因此较低的水胶比下UHPC的抗压强度得到提升。表2 GGBS掺量对UHPC(28d)抗压强度的影响Mineral admixturesfc(28d)/MPaW/BCuring MethodReferenceGGBS(25.5%)+SF1480.15Water22GGBS(30%)+SF144
14、0.16Air31GGBS(38.5%)+SF139.40.20Air17GGBS(60%)+SF1620.20Water30FGGBS(8.4%)+SF1510.15Water22FGGBS(38.5%)+SF163.50.20Water17矿渣由于反应活性低,与水泥中的氢氧化钙和石膏反应时,反应速度较慢,在早期往往会降低UHPC的抗压强度。Abdulkareem等发现矿渣的使用可以加速水泥的水化反应,也可以提高填充密度,因为它的细度介于水泥和硅灰之间29。当矿渣掺量为胶凝材料的23.6%时,由于矿渣的加入提高了胶凝材料的堆积密度和水泥水化程度,因此矿渣可以提高UHPC的后期抗压强度;矿渣与
15、溶液中的氢氧化钙之间的二次聚合反应产生C-S-H,从而增加UHPC的堆积密度。当矿渣含量增加时,抗压强度也会随之增强,这是因为矿渣的二次火山灰反应伴随着氢氧化钙的消耗和硬化浆体的致密化。此外,还发现CaO的含量更高有助于C-S-H的形成,从而提高了强度发展。4 偏高岭土对UHPC力学性能的影响高岭土是中国历史上用来制造瓷器和纸张涂料的精细粉末。偏高岭土通常富含SiO2和Al2O3,以及存在少量的其他氧化物,例如MgO、CaO、TiO2和Fe2O3。偏高岭土直径介于0.55m之间,小于水泥颗粒直径,大于硅粉颗粒直径。一般来说,各种形式的偏高岭土都是基于其高岭土的来源和应用的热修复32。偏高岭土加
16、工过程可产生大量断裂的化学键,是一种稳态的无定形硅铝化合物。在碱激发作用下,化合物由解聚再缩聚形成硅铝酸盐网络结构,火山灰性质较为活泼,能极大加专题研究SPECIAL RESEARCH142 建筑机械速水泥水化。由于片状和管状晶体尺寸变小,具有较好的胶凝活性且结构的片状不规则,导致孔隙间的吸水性很强。偏高岭土中含有活性的SiO2和Al2O3与CH发生火山灰反应,消耗了对强度发展不利的氢氧化钙,容易产生C-S-H凝胶填充砂浆和混凝土中的空隙,改善了基体的微观结构。偏高岭土对UHPC抗压强度的影响见表3。由数据表明,偏高岭土的掺入会使UHPC的早期抗压强度提升,后期强度则会降低,在早期随着偏高岭土
17、替代率的增加,UHPC的强度有下降的趋势。表3 MK掺量对UHPC(28d)抗压强度的影响Mineral admixturesfc(28d)/MPaW/BCuring MethodReferenceNMK(1%)+MK1790.20Heat34MK(6.9%)+SF163.80.25Water35MK(16.7%)1340.20Water36MK(20%)+SF1460.22Water38MK(20%)+SF1190.22Water375 稻壳灰对UHPC力学性能的影响稻壳灰是稻壳燃烧过程中获得的产物。由于原料的性质以及原材料的处理方法,稻壳灰的颜色介于白、灰和黑色之间36。稻壳灰内部含有大量
18、的无定形SiO2,具有极细的纹理,表面为多孔结构和多层次性结构。如图4所示,在稻壳灰内外表面的夹层中,含有大量被纤维薄片包围的规则微孔结构,而薄片则是由SiO2微晶颗粒不规则堆积而成。稻壳灰为球形固体结构,是天然火山灰材料,可作为UHPC组分。由于其多孔结构,稻壳灰在水化过程中需要吸收大量的水来填充其表面,从而会降低其工作性能。水化后的钙离子可以在孔隙之间自由穿梭,更容易进入稻壳灰内部,与内部颗粒相结合,增强了其火山灰效应。Park等提供了一个模型,在模型中他们认为掺入稻壳灰的胶凝材料的抗压强度发展是由于提升了水化进程37。掺入稻壳灰的水化胶凝材料即使在低水灰比的情况下也能对抗压强度的发展起到
19、积极作用,因为稻壳灰的孔隙结构吸收的水分在水a 第一层次(11000m)b 第二层次(0.051m)c 第三层次(50nm)outside surfacemicroporenano SiO2interstitial holesmicrocrystallinefiber sheet inside surface图4 稻壳灰三层次结构模型化过程能得到释放,为周围提供足够的水分38。抗压强度的长期发展是一个提升的过程,但提升的速率会随时间的推移而降低。Bui等进行的一项研究表明,含有稻壳灰的混凝土在较低的水胶比下取代胶凝材料具有更好的力学性能39。Nehdi等研究证实,与硅灰相比,掺入稻壳灰的UHP
20、C在养护1d、28d和56d时具有更高的抗压强度,表明稻壳灰的水化过程更早发生40。而稻壳灰混合料的强度从第1d开始就迅速增加,这是由于稻壳灰具有加速水化进程的能力。在生产UHPC的过程中,稻壳灰具有很强的火山灰效应,可以作为一种良好的掺合料,用于替代硅灰和水泥时,并不会影响混凝土的抗压强度41。UHPC构件的堆积密度是抗压强度的关键42。用于UHPC的稻壳灰平均粒径范围为9m、6.3m、5.6m和3.6m,且平均粒径越小的稻壳灰对应的UHPC强度越高43。VanTuan等在研究中发现,平均粒径在3.65.6m之间的稻壳灰取代普通硅酸CONSTRUCTION MACHINERY 1432023
21、/09总第571期盐水泥20%时,UHPC的堆积密度均高于含有硅灰的UHPC,以获得最好的抗压强度结果44。Nguy-enV.T.等观察到,含有高达10%稻壳灰的UHPC抗压强度高于对照样品45。超过这个量,添加稻壳灰降低了UHPC的抗压强度,如图5所示。06080100120compressive strength/MPa1401601802002201020the replacement tate if RHA/%303d7d28d91d图5 RHA替代率对UHPC力学性能的影响6 结论与展望本文总结了在制备UHPC时使用除硅灰以外的主要矿物掺合料的研究,并将它们的性能进行了总结,得出以下
22、结论:(1)考虑到材料制造过程、产生的抗压强度、养护条件和混凝土的其他细节,很少有研究涉及二氧化碳排放和矿物掺合料在制备UHPC中消耗的能源。从已有的研究可知,矿渣作为UHPC的矿物掺和料对环境的影响最小。(2)粉煤灰通常与硅灰或矿渣一起用于UHPC的生产,以弥补早期粉煤灰的缓慢强度发展。从环保和降低混凝土成本的角度来看,可以通过粉煤灰+硅灰(作为水泥替代材料)的组合来制备UHPC。(3)硅灰作为UHPC的矿物掺和料,性能优于偏高岭土,但考虑到硅灰成本高,可以使用偏高岭土代替硅灰。(4)稻壳灰可以部分或完全替代UHPC中的硅灰,这是由于其在力学性能和流动性方面的良好表现及其相似的化学成分。稻壳
23、灰在强度发展和收缩减少方面优于硅灰的后期性能。与单独使用每种物质相比,稻壳灰和硅灰的组合(每种材料10%)可以提供更好的性能。对比普通混凝土,UHPC矿物掺合料的种类繁多,对UHPC性能的影响也各不相同。各国目前在追求UHPC性能的同时,也更加注重经济环保,单一的掺合料已经不能满足需求。根据目前的研究,复合掺料能够弥补单一掺合料缺点的同时将优势结合起来,发挥出更好的工作性能和力学性能。不同国家、不同地区的矿物掺合料的理化性质不尽相同,可以考虑搭建不同地区的掺合料的信息资料库以便于为后续研究提供参考。参考文献1邵旭东,邱明红,晏班夫,等.超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展J.材料导
24、报,2017,31(23):33-43.2Zhou Min,Wu Zemei,Ouyang Xue,et al.Mixture design methods for ultra-high-performance concrete-a reviewJ.Cement and Concrete Composites,124:104242.3Graybeal B,Crane C K,Perry V,et al.Advancing ultra-high-performance concreteJ.Concrete Inter-national,2019,41(04):41-45.4Richard P,C
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