固废在UHPC中的应用研究

吕建仁（甘肃省建设工程检验检测认证中心有限公司，甘肃 兰州 730070）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC）是一种具有高强度、韧性和耐久性的新型水泥基复合材料[1]。UHPC的发明，满足了结构向更大跨度、更高高度和更高性能发展的需要，经过近40年的发展，现已应用于建筑构件、桥梁及防爆工程等部位[2,3]。UHPC 具有优异的强度和耐久性，在配制中具有如下特点[4-6]：①需要添加大量水泥（800kg/m3～1000kg/m3）及矿物掺合料；②水胶比低（不超过0.2）；③去除粗骨料等。这就使得UHPC 在配制中需要大量优质原材料，如水泥、石英砂及纤维等，导致UHPC 的配制成本较普通混凝土大大提高[7]，限制了UHPC 在实际工程中的进一步应用。因此，寻求来源广泛且价格低廉的替代材料，是UHPC当前及以后的重点研究方向。

工业固体废弃物（以下简称固废）是指在工业生产等过程中产生的固体废弃物，包括但不限于硅灰、粉煤灰、矿渣、锰渣及磷石膏等[8]。我国每年固废排放量约为33亿吨，累积堆存量超600亿吨，实现固废的资源化利用是当前研究的热点和难点问题[9-11]。

随着原料的日趋减少和环境保护意识的增强，绿色发展已然成为一种趋势。2020 年9 月，在联合国第75 届大会上，我国提出了2030 年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的双碳战略目标。固废资源化利用作为一项绿色产业是变废为宝、兴利除弊的重要突破口，不仅经济利益可观，而且还可以大量节省矿产资源，减少环境污染，降低安全风险[12]。

采用固废替代水泥或矿物掺合料，制备满足性能要求的UHPC 具有良好的应用前景。本文总结了各类固废材料对UHPC工作性能、力学性能及体积稳定性的影响，并对其相应的作用机理予以分析，旨在提高固废的资源化利用程度，同时也能进一步拓展UHPC的应用空间。

1 工作性能

张吉松等[13]将硅灰、稻壳灰和高岭土添加至UHPC，结果发现，控制扩展度在250mm～280mm，随着硅灰掺量的增加，减水剂用量减少，可能是由于硅灰颗粒粒径较小，其球形的微观形态起到颗粒间的润滑作用；卫煜[14]将钢渣、矿渣及粉煤灰粉磨制得矿物掺合料，并采用内掺法替代部分硅灰添加至UHPC，试验结果显示，与单掺20%硅灰相比，掺超细掺和料的拌合物流动度提高34.28%，表明矿物掺合料对提高工作性能有利；肖锐等[15]研究了粉煤灰对UHPC流动性的影响，发现其取代水泥能提高UHPC 的流动度。此外，研究发现，利用磷渣替代部分水泥，会延长UHPC 中水泥的水化休眠期，显著改善UHPC 的流动性[16]。与此相反，沸石超细粉的多孔结构会吸收一部分水，反而降低了浆体的流动性[17]。

2 力学性能

适量的硅灰会提高UHPC的力学性能，这主要是由于硅灰的微集料效应和形态效应[18]，显著提高了UHPC的密实度。此外，硅灰会增加UHPC体系中的二次反应（火山灰反应），10%～15%的硅灰会使得UHPC具有较低的黏度和更均匀的纤维分布[19]。因此，硅灰在UHPC配制中几乎不可或缺。采用粉煤灰替代部分超细水泥会提高UHPC的抗压强度和抗折强度，这可能是由于在超低水胶比条件下，粉煤灰会降低浆体的孔溶液电阻和阻抗，同时粉煤灰具有负电效应，促使水泥浆体更容易包裹集料和纤维，增加了UHPC基体的密实度[18,20,21]。粒化高炉矿渣（ground granulated blast-furnaces slag，GGBS）单掺对UHPC早期抗压强度影响不大，但会显著提高后期抗压强度和劈裂抗拉强度[22]。这显然与硅灰及粉煤灰等火山灰材料不同，可能是由于GGBS中含有的CaO高于前者，对水泥水化促进作用不明显。但掺有GGBS的UHPC，为火山灰反应提供了充足的Ca(OH)2，在硅灰的成核作用下，增加了后期的火山灰反应，因而对后期力学性能提供了保障。但若考虑同时将GGBS、硅灰及粉煤灰粉磨后复掺至UHPC，10%的超细粉可使得UHPC试样28d抗压强度高达150MPa[1]，这可能是由于超细粉调节了粉体颗粒的颗粒集级配，且火山灰效应生成更多的水化产物C-S-H凝胶，填充了浆体的孔隙，使得UHPC更为密实，从而提高了UHPC的力学性能。此外，研究表明，提高养护温度会进一步促进含超细粉UHPC的早期力学性能，这可能是由于提高养护温度会降低UHPC基体的孔隙率，促进了复合体系的水化反应程度，增加了微观致密性，同时在一定程度上降低了水化产物的Ca/Si比[23]。

3 体积稳定性

UHPC 收缩的特点是[24]，早期收缩（0～7d）发展快，约占总收缩的61.3%～86.5%；中期（7d～28d）发展缓慢，占比13.5%～27.9%；而后期趋于稳定。因此，围绕UHPC 早期收缩占比大的难题展开了系列研究。除减缩剂[25,26]、膨胀剂[27,28]及内养护材料[29,30]可以减少UHPC 的早期收缩外，采用固废替代水泥，可以从源头上减小UHPC的早期收缩，同样具有广阔的应用前景。

王冠[31]研究发现，活性掺合料（硅灰、粉煤灰等）部分取代水泥会降低UHPC浆体早期的水化反应速度，从而降低UHPC的早期收缩。同样地，涂亚秋[32]将粉煤灰和矿粉替代部分水泥，发现两者均能有效降低UHPC的早期收缩，且低掺量矿粉替代硅灰效果更明显，分析认为，活性矿物在早期产生了更多的Ca(OH)2是补偿收缩的主要原因。采用10%的复掺超细粉（GGBS-硅灰-粉煤灰）替代水泥会进一步降低UHPC的自收缩和干燥收缩[1]。事实上，总结以上固废基UHPC 可以降低早期收缩的主要原因，一方面，是由于掺合料减少了体系中水泥的体积分数，减少了水泥水化放热量，这从根本上降低了UHPC 的早期收缩；另一方面，矿物掺合料可能促进膨胀组分（如Ca(OH)2）的生成，补偿了UHPC 早期收缩。同时，经粉磨的超细粉具有更小的颗粒集配及更大的比表面积，在诱导前期具有明显的“争水效应”，从而降低了体系中水泥的水化程度，对降低收缩有利。

4 耐久性

相比于纯水泥制备的UHPC，矿物掺合料基UHPC可明显提高基体抗氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀及抗盐雾腐蚀性能，尤其是长龄期（＞56d），但并不会明显改善UHPC 的抗碳化性能[1]。硅灰在胶凝体系中一般在24h后水化，且早期快后期慢。而粉煤灰则需要7d 时间方开始水化，并在7d后开始逐渐加速，粉煤灰中的无定型玻璃体水化后生成水硬性C-S(A)-H，能有效填充于基体孔隙中。因而，粉煤灰对UHPC耐久性贡献要高于硅灰[33,34]。石灰石粉（LP）能促进水泥水化，其晶核作用和填充效应（超低w/b下，LP为惰性组分），形成坚硬的碳铝酸盐，有效填充基体的孔隙，同样会提高UHPC 的密实度[35]。此外，采用废橡胶纤维替换细骨料，并加入5%的硅灰来制备混凝土，可增加基体与纤维之间的粘接性能[36]，提高混凝土耐久性。因此，在实际应用中，可以考虑不同固废间的协同效应来进一步提高固废基UHPC的性能。

5 环保性和经济效益

2025年，大宗固废的综合利用能力应显著提升，新增固废利用率达到60%，存量大宗固废有序减少，因此，采用固废制备水泥基材料，对于提高固废利用率意义深远。水泥作为使用最广泛的建筑材料，占全球CO2排放总量的7%[37]，采用固废替代水泥，可以有效减少水泥熟料生产中的CO2排放，有助于推动了绿色发展。

如表1 所示，以某项目为例，配制1m3UHPC 需要800kg 水泥，而每生产1t 水泥熟料约产生1tCO2。由此可知，每生产1m3混凝土，以粉煤灰替代部分水泥，便从源头上减少CO2排放量高达100kg，而提高矿物掺合料使用比例，这种降碳效应将更为明显。此外，与理论配合比相较，实际配比中使用粉煤灰等矿物掺合料具有明显的经济效益。

表1 某项目UHPC配比

6 结论与展望

6.1 结论

（1）UHPC 具有超高的力学性能和优异的耐久性，但UHPC生产成本高，不利于推广使用。使用矿物掺合料制备固废基UHPC，具有明显的经济效益，且适量的固废可以进一步提高UHPC 的流动性、力学性能、体积稳定性和耐久性。

（2）绿色发展已成为一种趋势，采用固废制备UHPC 是一种有前途的选择，将固废掺合料用于制备UHPC，可以从源头上减少CO2排放。

（3）固废在UHPC中的作用机理可以归结为微集料的填充效应、成核效应及火山灰效应。在超低水胶比条件下，部分惰性组分起到了填充效应，尤其是经过进一步加工粉磨的矿物掺合料优化了UHPC 中粉体的级配，起到了填充效应。而以硅灰、粉煤灰等为代表的活性掺合料，在胶凝材料水化中起到了成核作用，并增加了体系的二次水化（火山灰效应），消耗Ca(OH)2并产生更多的C-S(A)-H凝胶，填充了UHPC基体的孔隙，使得UHPC更为致密。

6.2 展望

（1）固废作为一种价值低廉且来源广泛的材料，可以部分替代水泥来制备UHPC。当前重点研究了部分一元及二元固废对UHPC体系的影响。事实上，不同的废物掺合料物理性质不同，因此应注意掺合料的协同作用，可以考虑三元或更多元废物掺合料对UHPC的协同影响，以期在保证UHPC 性能的前提下，进一步提高固废的使用量。

（2）目前，我国主要研究的固废为硅灰、粉煤灰、赤泥、钢渣及脱硫灰等，而一些普通的固体废物垃圾，如废弃混凝土、废弃橡胶制品等，也可经过预处理，制备如橡胶纤维UHPC，以期进一步提高UHPC 的各项性能。