基于最紧密堆积密度下白云石砂在UHPC 中的应用研究

胡 泊，揭晓东,郭 远

江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001

1 研究背景

混凝土作为世界范围内基础建设需求量最大的材料，在其近百年来大范围的使用过程中，普通混凝土（C15～C60）相对于钢铁、木材、高分子材料等建筑材料具有原材料来源广泛、制备工艺简单、损耗率低等优点，由于其本身存在的诸多如刚度小、耐久性较差、自重大等问题，且其主要原材料水泥，生产过程中对不可再生资源：矿山、煤炭的大量消耗，同时排放大量的CO2。更高强度，高耐久性的混凝土在工程中实际应用可以有效减少结构体积，降低构件自重，提高结构寿命，UHPC 的概念正是在这一背景下1994 年由Larrard 提出［1］,UHPC 相对于普通混凝土在耐久性能、力学性能方面有着显著的优势，也可以作为工程维护与加固的修补材料，目前在部分工程领域已经得到了初步应用。

目前UHPC 的配合比设计理论依据主要来源于丹麦波特兰水泥混凝土试验室的Bache 提出的DSP 材料概念，即高致密水泥基均匀体系材料，（Densitified system containing homogeneously arranged ultrafine particles,DSP）［2-3］，目前通用性较强的UHPC配合比主要使用水泥、粉煤灰、硅灰等胶凝材料，以及石英砂作为骨料，引入高性能聚羧酸减水剂以满足0.2 以内的水胶比要求，同时加入一定体积的钢纤维以解决传统混凝土强度越高脆性越大的问题。UHPC 目前单体材料使用量最大的是石英砂，但石英砂对人体危害也是较大的，石英砂微粉可悬浮于空气中，作业人员长期吸入含石英砂的粉尘会罹患硅肺病，且用于UHPC 的石英砂售价在650 元/吨以上。寻找一种能够替代石英砂以用于UHPC 的材料对于降低UHPC 的高制造成本以及相关产业的作业工人都是有积极意义的。

江西高安矿产资源丰富，以高岭土、石灰岩、白云岩为主，其中白云岩主要的矿物组成部分为白云石，其主要化学成分为CaMg（CO3）2，晶体属三方晶系的碳酸盐矿物，晶体结构与方解石类似，晶形为菱面体，高安所产白云石，方解石含量在5%以内，纯度较高。

白云石可以作为炼钢时用的转化炉的耐火内层、造渣剂、水泥原料、玻璃熔剂、窑业、肥料、建筑与装饰用石材、油漆、杀虫剂与医药等各种用途。可用于建材、陶瓷、玻璃和耐火材料、化工以及农业、环保、节能等领域［4］。因其本身有完善的工业使用途径，已经形成了完善的加工产业链，白云石系列产品涵盖从10 目至80 目的白云石砂到140 目至1600 目的超细粉，有较好的颗粒梯度分布的成熟产品线，从UHPC 的材料密实堆积基理来说，白云石砂通过合理的配比达到密实堆积后，有应用于UHPC 的理论基础，且白云石砂市场售价约550 元/吨，按UHPC 中砂常规用量1～1.1 吨/立方米计算，约有110 元左右的单方差价。

2.1 试验原材料

（1）水泥

本试验采用江西万年青股份有限公司生产的万年青牌P.O52.5 水泥，其主要成分和物理性能见表1 和表2。

表1 水泥化学成分 %

表2 物理性能指标

（2）粉煤灰

试验用粉煤灰为湖北某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其主要指标与测试结果见表3

表3 粉煤灰主要指标与测试结果

（3）硅灰

试验采用江西上高某公司生产的硅灰其主要指标：比表面积为1700m2/kg，表观密度为2180kg/m3。

（4）石英砂

试验采用江西宜春某公司生产的40 目到70 目的三级配石英砂。

（5）减水剂

因UHPC 含粉量高且水胶比低，常规减水剂难以满足配合比所需，且聚羧酸天然的引气效果在高粘度的UHPC 拌合物中难以排出，故使用了江西迪特科技有限公司生产的UHPC 专用高性能减水剂，其通过醚酯共聚的合成工艺和针对性的加入聚醚改性有机硅消泡剂使得其在满足UHPC 拌合物工作性能的同时有效降低含气量。含固量为22%，掺量1.2%时减水率为34%。

（6）钢纤维

试验采用赣州大业金属纤维公司生产的镀铜平直型钢纤维，其主要指标见表4

表4 钢纤维主要指标及型貌

2.2 试验方案

因白云石砂本身硬度较低，压碎值指标较高，所以国内学者对白云石砂在UHPC 中的应用研究基本还处于空白阶段，但考虑到白云石砂有完善的产业链，有丰富的连续级配产品，可供UHPC 基体填充的级配区间选择性较多，故本文通过UHPC常用的三级配石英砂曲线，通过EMMA 砂石堆积计算软件初步拟合出相近的白云石砂二级配及三级配的配合比。

白云石砂的筛分析试验依据JGJ 52-2006 《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中6.1 砂的筛分析试验方法，白云石砂的颗粒级配如下表5 所示。

表5 白云石砂颗粒级配

根据白云石砂的颗粒级配分布情况通过EMMA 软件拟合出的堆积密度最大的掺配比例为40 目：60 目为0.9:1.1;40 目：60 目：80 目为0.8：0.9 :1.1。为验证软件拟合数据，通过堆积密度试验来优选出实际的最佳堆积密度的白云石砂配比，白云石砂的不同掺配比例详见表6。

表6 白云石砂掺配比例

不同配比下的白云石砂堆积密度详见图1。

图1 不同配比下的白云石砂堆积密度

由图1 所示，白云石砂在40 目、60 目、80 目以0.8:1.5:0.7的掺配比例下堆积密度为最大，为尽可能减少其他组分对于UHPC 密实结构的影响，通过在试验编号为9 号的掺配比例下达到了密实堆积的白云石砂作为变量，与基准石英砂UHPC 进行对比试验，同时我们挑选了试验编号为2、7 的两组堆积密度最小的配比，作为对比试验试以验证白云石砂密实堆积程度对UHPC 力学性能的影响，配比如下表7 所示。

表7 UHPC 配合比 kg/m3

依据表7 配合比称取材料后使用强力搅拌机搅拌后成型试件，成型后按T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法 》中5.2.4 条要求，立即在试模表面覆盖塑料薄膜，静置24h 后脱模，将脱模后的实际放入蒸养箱，以不超过15℃/h 的速率升温至90℃±1℃，恒温48h 后以不大于15℃/h 的速率降温至20℃±5℃。

3 结果与分析

力学性能试验方法依据T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法 》5.4 条与GBT 50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》,试验结果如下表8所示。

表8 力学性能试验结果

图2 力学强度试验结果

由表8 与图2 可知，通过EMMA 软件拟合计算、密实堆积试验得出了最佳掺配比例的白云石砂替代石英砂在UHPC 中，抗压强度与抗拉强度略低于基准样，抗折强度略高于基准样。根据《超高性能混凝土基本性能与试验方法 》中4.3 与4.4 条，其石英砂样与白云石砂样抗拉性能符合UT07 等级要求，抗压性能符合UC150 等级要求。而B 与C 两组试验所用白云石砂配比密实程度较差，其抗压、抗折与抗拉强度均有不同程度明显下降，这也说明骨料是否最紧密堆积对其配置UHPC 的力学性能的有着直接的影响。虽然白云石砂的摩氏硬度只有3.5～4左右，且压碎值较高，但其通过软件拟合的良好颗粒分布可充分发挥填充效应，对UHPC 整体强度影响微乎其微，在UHPC的整体强度中，抗压强度主要靠细颗粒与水泥石晶体的范德华力产生，而钢纤维的加入使得UHPC 高强带来的脆性问题得以解决，使得UHPC 由脆性材料转变为韧性材料，从而大大提高其抗折、抗拉强度。

4 结论

密实堆积的白云石砂用于UHPC 基本可保持石英砂同等的力学性能，在性能基本一致的前提下，其材料较低的成本则可为UHPC 降低约105 元左右的单方成本，经济效益颇为可观，且在UHPC 应用推广中，高昂的材料成本也一定程度上制约了UHPC 的大规模应用，主要材料的廉价替代物对UHPC 的应用推广有一定的价值。考虑到白云石材料本身的低硬度与高压碎值，有待于对白云石砂制UHPC 的长期性能和耐久性能做进一步的深入研究，目前其用于非结构部位及装饰用途是较为稳妥的选择。