石灰石粉基生态型超高性能混凝土设计和性能研究

陈嘉奇 余 睿 张早辉

（1 中山市武汉理工大学先进工程技术研究院；2 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室）

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC)是高强高韧低孔隙率的新型建材，是大型构件修补、轻薄建筑建设和严苛环境下服役的混凝土构件制备的理想材料[1]。然而，UHPC 单位方量用水泥量大（900～1150kg/m3）[2]，明显增加了其能耗，与当前提出的绿色混凝土的概念相悖。因此，设计制备低水泥用量的生态型UHPC，降低其碳排放显得尤为必要。

通过使用粉煤灰、矿粉等掺和料部分取代水泥制备UHPC 是降低水泥用量的重要途径，国内外开展了大量研究：邓宗才等[3]采用粒化高炉矿渣粉和粉煤灰取代50%水泥制备超高性能混凝土，抗压强度达到158MPa；Wu 等[4]研究了低水泥用量超高性能混凝土性能和可持续结构设计研究，采用矿渣和粉煤灰来替代60%超细水泥制备超高性能混凝土；Hassan 等[5]对选用矿渣替代40%水泥配制的超高性能混凝土，Shi 等[6]采用矿渣替代水泥，制备超高性能混凝土，同时研究了其工作性能、抗压强度、水化率和孔隙率，当矿渣掺量从10%到20%，其后期最高的抗压强度可以达到125MPa；国爱丽等[7]采用粉煤灰和石英砂并掺加钢纤维，并通过60℃的热水养护制备出抗压强度为160MPa。然而，随着高品质的粉煤灰和矿粉供不应求，粉煤灰和矿粉的价格逐年升高。因此，寻求新的廉价易得矿物掺和料制备低能耗的UHPC尤为重要。

石灰石粉是一种资源储备充足的矿物掺和料，通过使用石灰石粉来制备UHPC，国内外已经开展研究[8-11]，但利用大掺量的石灰石粉替代水泥来制备UHPC 的研究少，能否大量代替水泥发挥作用值得研究，因此本文验证大掺量石灰石粉制备生态型UHPC 的可行性。

1 实验

1.1 原材料

水泥：湖北华新水泥有限公司生产的P·Ⅰ52.5 水泥，28d 抗压强度53.4MPa，抗折强度8.4MPa；硅灰粒径范围在0.1μm～100μm 之间，试验用石灰石粉粒径范围在300～325 目。试验用砂分两种：粒径范围分别在0mm～0.6mm、0.6mm～1.25mm 之间的石英砂；减水剂为复配聚羧酸减水剂，固含量为25%，减水率为40%；拌和用水为洁净自来水。胶凝材料化学组成如表1 所示。

1.2 配合比设计

通过MATLAB 软件建立Modified Andreasen &Andersen mode，如式⑴和⑵，计算石灰石粉取代60%水泥所得的配合比为UHPC-C3，在此基础上其他配合比只改石灰石粉掺量。

表1 胶凝材料的化学成分组成

表2 UHPC 配合比 （kg/m3）

1.3 试验方法

UHPC 的流变性能试验步骤为：将浆体在60s 内剪切速率匀速加到30s-1，然后在60s 内将剪切速率从30s-1匀速降到0。

UHPC 的流动性能测试参照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419－2005）。

UHPC 的力学性能测试参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T 17671－1999)。

水化热参照GB /T 12959－2008《水泥水化热测定方法》。

采用CCR-Ⅲ无接触电阻率测定仪测定水化过程的电阻率，如图1 所示，连续测试74 小时，读数间隔为1分钟，记录电阻率数据，测试环境温度为20℃[11]。

图1 无电极电阻率测定仪

2 实验结果

2.1 流变性能

图2 所示为参照组（UHPC-Ref）和不同石灰石粉掺量的UHPC 净浆的剪切速率-剪切应变、剪切速率-表观粘度曲线。从图中可知，UHPC 流变特征符合典型的胀流型流体特征，并表现出剪切增稠行为，流变分析采用Herschel-Bulkley 模型，经验公式为式⑶。

图2 不同石灰石粉掺量的净浆流变曲线

另外Ferraris 和de Larrard 等通过大量研究，推导出计算塑性粘度的经验公式为式⑷。

利用两个方程拟合计算的各基体的屈服应力τ0、稠度系数m、流变行为学参数n 以及根据经验公式计算的塑性粘度μ 如表3 所示。

从表3 中可以看出，一定范围内，加入石灰石粉可以减小浆体的屈服应力与塑性粘度，当石灰石粉掺量过大时，浆体的屈服应力和塑性粘度反而增大。

表3 净浆拟合流变参数

2.2 工作性能

石灰石粉掺量对UHPC 流动度影响见图3。结果表明，随着石灰石粉掺量增加，UHPC 流动度先增大后减少，石灰石粉取代40%以内的水泥可以提高UHPC 的流动性。没有掺石灰石的流动度306mm，石灰石粉取代20%水泥UHPC 流动度提高到314mm，石灰石粉取代40%水泥UHPC 流动度提高到309mm，石灰石粉取代60%水泥UHPC流动度下降到296mm。石灰石粉的加入一方面可以降低浆体的塑性粘度，提高浆体的流动度；另外一方面由于石灰石粉自身不规则的形貌特征，在浆体中会吸附自由水，导致流动度的下降。当石灰石粉掺量≤40%时，浆体的塑性粘度减小从而使浆体的流动度增大；而当石灰石粉掺量达到60%时，石灰石粉吸收的自由水较多，导致浆体的流动度有较大下降。

图3 不同石灰石粉掺量对应UHPC 的流动度

2.3 力学性能

石灰石粉掺量对UHPC 在1d、7d、28d 抗压强度影响见图4。结果表明，随着石灰石粉掺量增加，同一龄期UHPC 强度逐渐下降。石灰石粉取代20%水泥的UHPC 在1d 强度为50.2MPa，7d 强度为110.2MPa，28d 强度为129.9MPa，与不掺石灰石粉空白组相比，28d 强度下降率为8.0%；石灰石粉取代40%水泥的UHPC 在1d 强度为40.4MPa，7d 强度为101.3MPa，28d 强度为120.6MPa，28d 强度下降率为14.6%；石灰石粉取代60%水泥的UHPC 在1d 强度为32.5MPa，7d 强度为87.2MPa，28d 强度为107.6MPa，28d 强度下降率为23.8%。石灰石粉在硬化浆体中起填充作用，而随着水泥用量减少，水化产物量减少，整体强度降低。虽然加入石灰石粉后降低了强度，但是UHPC 还是具备优异力学性能，若再掺入钢纤维或玄武岩纤维增强，材料强度等级会进一步提高，达到超高性能混凝土的性能。

图4 不同石灰石粉掺量对应UHPC 不同龄期抗压强度

2.4 水化性能

图5 不同石灰石粉掺量对应的UHPC 水化放热和单位放热量曲线

不同石灰石粉掺量的UHPC 水化放热速率和放热量随时间变化情况见图5。结果表明，石灰石粉掺量越大，水化放热峰值越低，单位放热量也越低，且石灰石粉的加入能明显延迟水化放热最大峰值的时间。石灰石粉取代20%水泥的UHPC 在80h 的单位放热量72.4J/g，水化放热最大峰值的时间为18.6h，石灰石粉取代40%水泥的UHPC 在80h 的单位放热量64.1J/g，水化放热最大峰值的时间为18.8h，石灰石粉取代60%水泥的UHPC 在80h 的单位放热量41.9J/g，水化放热最大峰值的时间为20.2h。水化放热速率曲线主要可以分为三个阶段：钙矾石（AFt）形成、C3S 水化以及结构形成与发展阶段。AFt 形成期主要为水泥熟料C3A 的水化，在石膏的作用下形成钙矾石，放热速率快但放热量不大；C3S 水化阶段为水泥熟料中C3S 水化并放出大量的热，并伴随C2S 的水化；结构形成与发展阶段为水泥水化产物的相互联结，并逐渐硬化，而随着石灰石粉替代水泥，使得C3A、C3S、C2S 含量减少，水化反应放热量也逐渐减少。

不同石灰石粉掺量的UHPC 水化过程电阻率变化见图6。结果表明，石灰石粉掺量越大，电阻率突变时间延长，且电阻率突变时间与水化放热突变时间规律基本一致，水化10h 后，同一时间点电阻率随石灰石粉掺量增加而减少。石灰石粉取代20%水泥的UHPC 在74h 电阻率为50.2Ω·m，石灰石粉取代40%水泥的UHPC 在74h电阻率为45.7Ω·m，石灰石粉取代60%水泥的UHPC 在74h 电阻率为33.3Ω·m。电阻率随时间升高是因为水化产物增多，石灰石粉掺入，降低早期水化速率，水化产物减少，所以电阻率随石灰石粉掺量增加降低，且电阻率变化与水化放热变化规律相符。

图6 不同石灰石粉掺量的UHPC 水化电阻率曲线图

2.5 碳排放的评价

UHPC 由于水泥用量大的特点，导致其耗能和碳排放也相对较大[12]。因此对UHPC 进行环境评价是必要的，通过建立UHPC 的CO2排放量模型，利用公式⑸、⑹，对原材料生产及运输产生CO2排放量进行计算并评估。

式中，C0为原材料生产碳排放量；Aij为第i 种原材料生产过程中第j 种能源消耗量；Mi为1m3UHPC 中第i种原材料的用量；Kj为第j 种能源碳排放量系数；G1为水泥生产过程中材料自身产生的碳排放量；C2为原材料运输至实验地产生的碳排放量；D 运输直接碳排放量系数；B 单位运输能耗为第j 种能源的间接碳排放量系数；Si为第i 种原材料的运输距离[13-17]。

不同石灰石粉掺量的UHPC 碳排放情况见表4，结果表明，未掺入石灰石粉时UHPC 碳排放量达352.9kg/m3，随着石灰石掺量的增加，碳排放量逐渐降低，当石灰石粉取代60%水泥时达最大降幅，为54.1%，每立方米UHPC 可节约环境成本22.6 元；掺入量为10%降幅最小为8.3%，每立方米UHPC 可节约环境成本18.2元。将碳排量转换成相应的绿化面积和绿色植物发现：各类UHPC 碳排放量基数较大，仅1m3UHPC 产生碳排放量的所需环境成本约达75.3 元，需约78.6㎡绿化面积或18.5 棵树木一年才能完全吸收。随着石灰石粉掺量增加，替代一定量的水泥，环境成本逐渐降低，所需的绿化面积或树木逐渐减少，最低为47.4㎡或10.2 棵树木，掺量越大对环境愈加友好。

3 结论

⑴随着石灰石粉掺量的增加，UHPC 浆体的屈服应力和塑性粘度先减小后增大，对应浆体流动度先增大后减少。

⑵随着石灰石粉掺量增加，同一龄期UHPC 强度逐渐下降，石灰石粉取代60%水泥28d 强度下降率为23.8%。

表4 m3UHPC 原材料碳排放量与转换

⑶石灰石粉掺量越大，水化放热峰值越低，单位放热量也越低，且石灰石粉的加入能明显延迟水化放热最大峰值的时间，石灰石粉掺量越大，电阻率突变时间延长，且电阻率突变时间与水化放热突变时间规律基本一致。

⑷随着石灰石粉掺量增加，环境成本逐渐降低，所需的绿化面积或树木逐渐减少，最低为47.4㎡或10.2棵树木，对环境愈加友好。