骨料级配对超高性能混凝土强度及孔结构的影响

商晓阳，刘润清，李永华，鲍恩达

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)以其强度高、服役年限长等特性，近年来已在铁道、桥梁、水电站等多个领域得到广泛应用[1-7]。其配置原理为通过降低水胶比、剔除粗骨料、优化细骨料级配并掺入高活性组分等多种方式完善内部结构，以提升力学与耐久性能[8]。

砂作为混凝土组分之一，已被证实与混凝土工作性、耐久性及力学性能有密不可分的联系[9-11]。与制备普通混凝土所用的河砂、机制砂不同的是，石英砂通常被用作制备UHPC的细骨料，其具有颗粒圆润、硬度较高且杂质较少等优点，但因其价格相对昂贵，所以目前对UHPC骨料的研究主要集中于寻求成本相对低廉的替代骨料制备UHPC并研究其性能[12-14]。已有研究表明，骨料级配同样对UHPC各项性能有显著影响：姚瑶[15]选用≤0.16mm、0.16～0.315mm、0.315～0.63mm三种粒级石英砂，以逐级填充的方式，确定了石英砂致密堆积时各粒级石英砂的比例，发现UHPC抗压强度与石英砂堆积密度变化趋势相同。李金臻[16]以细度模数为指标发现石英砂级配对UHPC工作性、强度与干缩都会造成影响，石英砂细度模数越大，UHPC拌合物流动度越好，成型后的强度越高，干燥收缩值越小。张荣华等[17]认为利用致密堆积的骨料与基于Dinger-Funk方程设计得到的胶凝材料配比，再选用合适的砂胶比，可制备出力学性能更优越的UHPC。

综上，目前关于骨料级配的研究主要探讨其对UHPC一般性能的影响，而对UHPC孔结构的影响未作深入研究。因此，本文采用三种不同粒级的细骨料，以人工调配的方式，设计出制备UHPC常用的0.16～0.63mm、0.16～1.25mm两种粒径区间的细骨料，并通过调整掺配比例的方式，使两种粒径区间的细骨料致密化，研究骨料级配对骨料堆积密度及所配制的UHPC强度和孔结构的影响规律，并采用热力学分形模型对不同骨料级配下的孔结构进行表征，建立宏观抗压强度与微观孔结构关系模型。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5级普通硅酸盐水泥，沈阳冀东水泥有限公司；硅灰：巩义市元亨净水材料厂；矿渣粉：S95级矿渣粉，巩义市元亨净水材料厂；石英砂：郑州卓凡环保科技有限公司生产的三种不同粒级石英砂，SiO2含量大于99.3%，粒径区间分别为0.315～1.25mm、0.315～0.63mm、0.16～0.63mm；外加剂：西卡牌540P型号粉状聚羧酸高效减水剂，上海臣启化工科技有限公司；水：饮用水。

水泥、硅灰及矿渣粉化学成分见表1所示。

表1 水泥、硅灰和矿渣粉化学成分表 wt%

石英砂筛分情况见表2所示。

表2 石英砂累计筛余百分率 wt%

1.2 成型及养护方式

先将称量好的减水剂溶解于水中配制成溶液，将水泥等胶凝材料按照配合比称量后倒入搅拌锅干搅1min，加入石英砂继续干搅30s，然后将减水剂溶液缓慢倒入搅拌锅，慢搅3min，再快搅3min，采用40mm×40mm×160mm三联模具装料，振捣台振捣120s成型，标准养护室(温度为20℃±2℃，相对湿度≥95%RH)中覆膜养护，成型后拆模，并继续养护至7d和28d龄期待测。

1.3 骨料级配与配合比设计

UHPC通常采用0.16～0.63mm或0.16～1.25mm连续级配骨料，因此采用人工调配的方式，选用细砂与特细砂进行混合配制成0.16～0.63mm连续级配石英砂；中砂与特细砂进行混合配制成0.16～1.25mm连续级配石英砂。对于每种掺配方式，选择特细砂的掺量为20%、40%、60%、80%四种水平，以研究不同粒径区间的石英砂所能达到的最大堆积密度。UHPC配合比见表3所示。

表3 UHPC配合比 kg·m-3

1.4 测试及表征方法

1.4.1 骨料堆积密度测试方法

骨料堆积密度按照GB/T 14684—2011《建筑用砂》进行测定。

1.4.2 抗压强度测试方法

抗压强度测试按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。

1.4.3 孔结构测试及表征方法

对试块中间部位进行破碎处理，选取部分破碎试样，烘干至恒重，利用上海将来实验设备有限公司生产的AutoPore IV9500型全自动压汞仪进行孔结构测定。

分形维数是表述物体复杂程度的参数，其数值越大，表明形体越复杂。为进一步表征不同级配下UHPC孔结构的复杂程度，建立UHPC微观孔结构与宏观力学抗压强度之间的联系，基于热力学分形模型计算得到不同骨料级配下UHPC的孔体积分形维数[18-19]，其公式为

(1)

(2)

2 试验结果与讨论

2.1 骨料级配对堆积密度的影响

对于不同掺配方式，特细砂掺量对骨料堆积密度的影响如图1所示。

图1 特细砂掺量对骨料堆积密度的影响

由图1可知，随着特细砂掺量增大，两种连续级配骨料的堆积密度都呈现先增加后降低的趋势，并且在特细砂掺量为40%时，两种粒径区间的骨料均形成致密堆积，此时0.16～0.63mm连续级配骨料堆积密度为1537.25kg/m3；而0.16～1.25mm连续级配骨料堆积密度为1624.58kg/m3。这说明采用0.16～1.25mm连续级配石英砂可得到更高的骨料堆积密度。此后，当特细砂掺量增加至80%，0.16～1.25mm骨料堆积密度下降至1559.13kg/m3；0.16～0.63mm骨料堆积密度下降至1528.60kg/m3。分析其原因，可能是形成致密堆积后，骨料间空隙小于掺入颗粒粒径，使得之后掺入的细颗粒无法填充到空隙中去，反而产生粒子干涉效应[20-21]，破坏致密堆积结构，致使骨料堆积密度下降。

2.2 骨料级配对UHPC抗压强度的影响

将不同级配的骨料按照同一配合比配制UHPC，养护成型后进行抗压强度测试。骨料级配对UHPC不同龄期抗压强度的影响见图2所示。

图2 骨料级配对UHPC抗压强度的影响

由图2可知，0.16～0.63mm连续级配骨料制备的UHPC，7d最高抗压强度为87.2MPa，28d最高抗压强度为113.8MPa；0.16～1.25mm连续级配骨料制备的UHPC，7d最高抗压强度为92.4MPa，28d最高抗压强度为116.8MPa，相比0.16～0.63mm骨料制备的UHPC同龄期抗压强度分别提升5.96%与2.64%。这说明采用0.16～1.25mm连续级配骨料制备出的UHPC具有更优异的力学性能表现，此外，对于两种粒径区间骨料制备的UHPC，其7d与28d的抗压强度都随特细砂掺量的增加呈现出先升高后降低的趋势，这与骨料堆积密度随特细砂掺量的变化趋势基本一致，说明采用堆积密度较高的骨料可提升UHPC强度。

2.3 骨料级配对UHPC孔结构的影响

为探究骨料级配对UHPC微观孔结构的影响，将养护龄期为28d的不同级配的试块破碎、烘干后进行压汞测试，得到不同级配下UHPC的微观孔隙率，如图3所示。依据吴中伟院士的孔径划分法[22]，按孔径对强度的影响程度，将孔隙分为四大类，即无害孔(<20nm)、少害孔(20～100nm)、有害孔(100～200nm)与多害孔(>200nm)，得到不同级配下UHPC的孔径分布情况，如表4所示。

图3 骨料级配对UHPC孔结构的影响

表4 骨料级配对孔径分布的影响

由图3与表4可知，对于同一连续级配区间骨料制备的UHPC，随着特细砂掺量的增加，不仅孔隙率降低，而且有害、多害孔所占比例减小，少害、无害孔占比增大，这说明孔结构得到了改善；但特细砂掺量过大，反而会导致孔隙率升高，有害孔与多害孔比例增大，劣化孔结构。对比两种连续级配区间制备的UHPC孔径分布情况，发现与采用0.16～0.63mm连续级配骨料制备的UHPC相比，0.16～1.25mm连续级配骨料制备的UHPC，其孔隙率与有害、多害孔比例较低，这说明良好的骨料级配可降低UHPC的微观孔隙率，细化孔结构，表现出宏观力学性能的优异性。

2.4 孔结构表征

表5为不同级配下UHPC的孔结构分形维数与相关系数。由表5可知，各样品的R2均大于0.99，说明UHPC孔结构的分形特征非常明显；对于同一连续级配区间，随着特细砂掺量的增加，分形维数D先增大后减小，即孔结构先趋于复杂而后规则化，这与表4中骨料级配对孔径分布的影响规律基本一致。

表5 分形维数与相关系数

混凝土常用的孔结构参数有孔隙率、孔比表面积、最可几孔径、平均孔径与中值孔径等。孔隙率指样品内部孔隙体积占样品总体积的百分比，是描述混凝土孔结构中最常用的一项指标。图4为分形维数与孔隙率的关系。

图4 分形维数与孔隙率的关系

由图4可知，分形维数与孔隙率呈良好的负相关关系，相关系数R2为0.8437，分形维数越大，孔隙率越低。这说明较低的孔隙率通常伴随着更复杂的孔结构，随着分形维数的增大，UHPC内部孔结构得到优化，大孔隙被细化为小孔隙，小孔隙被填充密实，在一定程度上降低了孔隙率。

孔比表面积是描述单位质量样品内部所有孔隙的表面积之和。当孔隙率一定时，细小孔隙越多，孔比表面积越大。图5为分形维数与孔比表面积的关系。

图5 分形维数与孔比表面积的关系

由图5可知，分形维数与孔比表面积呈良好的正相关性，相关系数R2为0.8926，在分形维数由2.9154增加至2.9945时，孔比表面积也随之同比增长约72.04%。这说明孔比表面积的大小可通过分形维数进行表征，分形维数的值越大，表明孔隙中细小孔隙所占比例提高，则孔比表面积随之增大，孔结构的不规则性进一步加强。

最可几孔径是指孔结构中分布最多或出现概率最大的孔径。图6为分形维数与最可几孔径的关系。

图6 分形维数与最可几孔径的关系

由图6可知，分形维数与最可几孔径呈良好的负相关性，相关系数为0.8685，随着分形维数的增大，最可几孔径逐渐减小，说明更为细小的孔隙在结构中分布比重更大或出现概率更高，侧面反映了孔结构愈加复杂的变化趋势。

平均孔径是表征孔径平均大小的参数。图7为分形维数与平均孔径的关系。

图7 分形维数与平均孔径的关系

由图7可知，分形维数与平均孔径呈良好的负相关性，相关系数为0.8383，随着分形维数的增大，平均孔径呈逐渐下降趋势，即孔结构复杂程度增加时，大孔径孔隙所占比例降低，从而在一定程度上降低了平均孔径，孔隙细化，孔结构得到改善。

中值孔径表示累计孔体积为总计孔体积50%时所对应的孔径。图8为分形维数与中值孔径的关系。

图8 分形维数与中值孔径的关系

由图8可知，分形维数与中值孔径呈良好的负相关性，相关系数为0.7786，中值孔径随分形维数的增大逐渐降低，这和分形维数与最可几孔径、平均孔径等孔结构参数表现出的关系基本一致。分形维数增大时，中值孔径减小，细小孔隙比例增大，孔结构愈加不规则。对比分形维数与各项孔结构参数的相关系数，发现分形维数与孔比表面积相关程度最高，与中值孔径相关程度最低；分析其原因，可能是由于孔结构中每一个孔径的变化都会对孔比表面积造成影响，而中值孔径只能粗略描述总计孔体积50%时所对应的孔径值，对孔径变化的敏感性稍弱，因此相关系数略低。

综上，分形维数作为一项综合指标，可较好地表征孔结构的复杂程度，因此可采用分形维数建立UHPC微观孔结构与宏观力学抗压强度的联系。图9为分形维数与UHPC 28d抗压强度的关系图。

图9 分形维数与UHPC 28d抗压强度的关系

由图9可知，分形维数与抗压强度呈良好的正相关关系，相关系数R2为0.8854。根据拟合关系式y=80.4257x-125.2424，UHPC抗压强度随分形维数的增大而增大，即孔结构越复杂，抗压强度越高。

3 结论

针对两种粒径区间的骨料，研究了骨料级配对骨料堆积密度、UHPC抗压强度及孔结构的影响，得出结论如下。

(1)0.16～1.25mm连续级配骨料相较于0.16～0.63mm连续级配骨料，在形成致密堆积时拥有更高的堆积密度。

(2)相比于0.16～0.63mm连续级配骨料，采用0.16～1.25mm连续级配骨料制备的UHPC抗压强度更高，对于同一连续级配区间制备的UHPC，其抗压强度与骨料堆积密度变化规律基本一致。

(3)良好的骨料级配可降低UHPC的微观孔隙率，细化孔结构，从而表现出宏观力学性能的优异性。

(4)UHPC孔结构具有明显的分形特征，孔结构的各项参数都可用孔体积分形维数很好地表征，相关系数均大于0.77，可作为评价孔结构复杂程度的参数，分形维数随孔结构复杂化而逐渐增大，且分形维数与UHPC抗压强度呈良好的正相关关系，孔结构复杂程度越高，抗压强度越大。