风积砂和铬铁渣对UHPC收缩性能的影响.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.001混凝土ConcreteTHEORETICAL RESEARCH理论研究风积砂和铬铁渣对UHPC 收缩性能的影响杭美艳1，程腾1，曲树强，蒋明辉1，董伟1，李京军1（1.内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头0 1 40 1 0；2.包头市安顺新型建材有限责任公司，内蒙古包头0 1 40 1 0)摘要：目的：研究不同掺量风积砂、铬铁渣对超高性能混凝土(UHPC)力学性能、早期收缩率、后期干燥收缩率以及内部孔结构的影响规律。方法：选用绿色环保型铬铁渣、风积砂等质量取代UHPC中的石英粉制备低收缩UHPC,取代率分别为0、2 5%、50%、7 5%，通过力学试验选出较优掺量，进行UHPC收缩试验及孔结构试验。结果：当风积砂、铬铁渣取代率5 0%时，抗折、抗压强度相对最好；与石英粉组相比，能显著降低UHPC的早期收缩和后期干燥收缩,其中铬铁渣对UHPC早期收缩和后期收缩的改善效果最为明显；当风积砂为5 0%时，其内部气孔含量相对最低，密实性最好。结论：风积砂、铬铁渣在一定程度上降低了流动性，但可以明显的降低UHPC的收缩性能，改善其毛细孔结构。关键词：超高性能混凝土；力学性能；早期收缩；干燥收缩；孔结构中图分类号：TU528.01Research on the shrinkage performance of UHPC by aeolian sand and ferrochrome slagHANG Meiyan,CHENG Teng,QU Shuqiang,JIANG Minghui,DONG Wei,LI Jingjun(1.Shool of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.Baotou City Anshun New Building Materials Limited Liability Company,Baotou 014010,China)Abstract:It was to study the influence of different contents of aeolian sand and ferrochrome slag on the mechanical properties,earlyshrinkage,late drying shrinkage and internal pore structure of ultra-high performance concrete(UHPC).The environmentally low shrinkageUHPC was selected to replacing the quartz powder in the UHPC with ferrochrome slag and aeolian sand.The relative replacementrates of ferrochrome slag and aeolian sand was 0,25%,50%and 75%,respectively.The optimal dosage was selected by mechanicaltest,and then the shrinkage test and the pore structure test were investigated.The experiment indicated that when the replacement rateof aeolian sand and ferrochrome slag was 50%,the flexural and compressive strength of UHPC showed the best.Compared with thequartz powder group,both of them could significantly reduce the early shrinkage and late drying shrinkage of UHPC,and ferrochromeslag showed the most obvious improvement effect on the shrinkage of UHPC.In addition,when the replacement rates of aeolian sandwas 50%,the internal porosity content was relatively lowest and the compactness was better.In conclusion,the aeolian sand andferrochrome slag could reduce the fluidity of UHPC to some extent and significantly reduce the shrinkage performance of UHPC,improvethe pore structure.Key words:ultra-high performance concrete;mechanical property;early contraction;dry shrinkag;pore structure文献标志码：A文章编号：1 0 0 2-3 5 5 0(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-0 5少收缩，大大造成了养护成本高，限制了工程应用，这些缺0引言陷成为UHPC发展呕待解决的问题。超高性能混凝土因具有超高强度与优异耐久性等优目前，研究者开展了大量试验研究，用以降低原材料越的特性 1-4,因此,适用于各种严苟环境下的大跨高层建的成本及收缩问题,其中比较有效的方法是采用绿色、环保、筑结构,其研究与应用已成为近年来土木工程的热点与前低能耗的固废材料，包括风积砂、铬铁渣、稻壳灰、铁矿石沿技术。传统的UHPC制备原理是基于“均布超细致密理等 5-。如高原等 7 研究发现8 5 高温蒸养可提高棱柱体抗论”，使用坚硬的石英砂与石英粉代替大粒径粗骨料，通过压强度，但是对抗折强度的影响相对较小；崔存森等8 研究很低的水胶比,并在制备过程中加人具有活性矿物掺合料，发现与标养相比，热水养护、干热养护和组合养护等方式利用矿物掺合料的颗粒之间的集料效应来改善混凝土内均可以有效降低UHPC 的收缩性能;董伟等 9 研究发现,在部的微观特性。但是传统UHPC具有诸多缺陷，包括：原材砂浆中掺人风积砂可以改善骨料的颗粒级配,提高砂浆的料成本高、能耗高、工作性能差、收缩大、养护方式复杂等，抗压强度；龚建清等 1 0 研究发现2%减缩剂和1 0%HCSA其中最主要的问题是传统UHPC采用高温蒸养方式来减膨胀剂复掺对UHPC收缩的抑制作用最好,对UHPC力学收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 2基金项目：国家自然科学基金（5 2 1 6 8 0 3 3）性能的发展产生积极的影响；杨峰等川研究了混凝土物理力学性能随不同掺量铬铁渣粉的变化规律，研究表明当铬铁渣的掺量适宜时可以提高混凝土的力学性能；然而，大多数关于风积砂和铬铁渣的研究都集中在砂浆和普通混凝土上，而对风积砂、铬铁渣制备UHPC的研究很少；大多数UHPC的研究采用不同的养护方式来减少收缩，高能耗且繁琐复杂，而从骨料搭配选取上来解决UHPC收缩大等问题尚无研究。因此，呕待开展风积砂、铬铁渣对UHPC力学性能和收缩性能的影响,这对于降低UHPC 自收缩大、养护成本高等问题具有重要意义。本研究采用风积砂、磨细铬铁渣粉分别取代石英粉0、25%、5 0%、7 5%，与传统方法制备的UHPC进行分析对比，研究不同取代率的风积砂、铬铁渣对UHPC的工作性能、力学性能、早期收缩以及后期干燥收缩的影响,并通过硬化混凝土气泡间距系数仪器观察硬化后UHPC内部的气泡含量和分布情况及其内部的不同孔径范围的孔隙数量。本研究成果很好的改善了UHPC的自收缩问题,同时风积砂、铬铁渣的使用，对于开发低碳、绿色、经济、环保的固体废弃物建筑材料具有重要意义。1试验原材料及试验方法1.1原材料水泥选用蒙西P052.5级水泥，密度为3 1 2 0 kg/m；矿物掺合料选用包头河西电厂的II级粉煤灰（0.0 45 mm筛网负压筛析测得细度为2 5%,2 8 d活性指数为7 6%)和宁夏特种科技有限公司的硅灰（比表面积为1 7 9 3 0 m/kg，2 8 d活性指数1 1 5%）；细集料选用达拉特旗0.2 1 2 0.8 5 0 mm的石英砂、0.0 7 5 0.2 1 2 mm的石英粉，0.0 7 5 0.2 1 2 mm的风积砂以及0.0 7 5 0.2 1 2 mm的磨细铬铁渣粉（行星式球磨机磨制铬铁渣而成),其中铬铁渣来源于高碳铬铁合金冶炼产生的一种废渣，风积砂和磨细铬铁渣粉颗粒的放大形貌图如图1、2 所示，铬铁渣激光共聚焦电镜扫描外观形貌图和铬铁渣外观样点高度曲线 1 2 如图3、4所示,其物理性能指标和化学成分分析如表1、2 所示；钢纤维选用上海真强纤维有限公司生产的端钩形镀铜钢纤维，性能指标如表3 所示；减水剂选用包头市安顺新型建材有限责任公司生产的含固量为2 6%和减水率为3 5%的聚羧酸高性能减水剂。图1 风积砂颗粒放大形貌图1.2试验方法及检验依据(1)新拌UHPC的落扩展度：参照GB/T50080一2016普通混凝土拌合物性能试验方法相关规定进行。2图2 磨细铬铁渣粉颗粒放大形貌图图3 铬铁渣激光共聚焦电镜扫描外观形貌图900800700600500400细集料种类石英砂0.2120.850石英粉0.0750.212风积砂0.0750.212铬铁渣0.0750.212表2细集料化学成分分析名称Al,0;SiO2MgoCr.0;CaoFe:O;其他Loss石英粉1.2090.600.50风积砂12.5276.273.90铬铁渣31.2630.2423.407.622.823.241.320.1表3 钢纤维性能指标密度长度类型长径比/(kg/m)/mm端钩形镀铜钢纤维7800(2)UHPC的力学性能试验：抗折强度试件尺寸1 0 0 mmX100mmx400 mm、抗压强度试件尺寸1 0 0 mmx100 mmx100mm，参照GB/T500812019混凝土物理力学性能试验方法标准中有关规定进行,将试块标准养护至7 2 8.5 6 d，测试试件的抗折强度和抗压强度。522334446886268504938图4铬铁渣外观样点高度曲线表1 不同细集料的物理性能指标粒径范围表观密度堆积密度空隙率/mm/(kg/m)2.58626162.5982.75203.232.501.170.800.400.204.512.2抗拉强度/MPa136012233344样点/(kg/m)1 568133813261640/%39.448.949.040.4%2850(3)UHPC的收缩试验：试件尺寸采用1 0 0 mmx100mmx515mm，参照GB/T50082一2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准第8 节相关规定进行，早期收缩采用HC-NES型非接触式混凝土收缩变形测定仪器对UHPC早期收缩进行测定，测量间隔3 h，总时长7 2 h；干燥收缩采用接触法,2 d拆模后作为其收缩的初始值，依次测试其3、5、7、1 4、2 8、5 6、7 2、9 0、1 8 0 d 的干燥收缩值。（4)孔结构：采用NELD-BS610型硬化混凝土气泡间距系数分析仪对UHPC内部孔隙特征进行测试分析,采用机械切割的方式将试件切割成试件尺寸为1 0 0 mmx100mmx编号水胶比砂胶比粉煤灰/%硅灰/%石英砂/%石英粉/%风积砂/%铬铁渣/%外加剂/%钢纤维/%相对取代率/%SUC10.18FUC2-I0.18FUC2-II0.18FUC2-III0.18GUC3-I0.18GUC3-II0.18GUC3-II0.182结果与分析2.1 UHPC 工作性能本试验研究的UHPC均为大流态超高性能混凝土，扩展度均在6 5 0 8 0 0 mm之间。图5 为不同取代率风积砂、铬铁渣UHPC的落扩展度变化规律，由图5 可知，风积砂、铬铁渣的掺人会降低了UHPC的扩展度，且扩展度随取代率的增加而逐渐降低，相对取代率与扩展度呈负相关关系。当风积砂、铬铁渣相对取代率为7 5%时，UHPC的扩展度降低效果最为显著，分别降低了8.2 8%和1 0.3 4%；针对于风积砂组,其原因在于风积砂相较于传统石英粉来说，其比表面积和需水量比较大,故会显著降低新拌UHPC的流动性；而对于磨细铬铁渣粉，由于其颗粒表面粗糙且伴随有大量的开口孔隙，从而在每立方米用水量不变的时，会较大程度上降低拌合物的流动性；且铬铁渣粉的吸水率比风积砂的吸水率大,相对降低UHPC 的流动性较大。730.千7207106806706606500图5 集料相对取代率与落扩展度的关系图2.2UHPC 力学性能不同掺量风积砂、铬铁渣UHPC的7、2 8、5 6 d抗折强度和抗压强度如图6、7 所示。由图可知,随着龄期的增加，各个组UHPC试件的抗折强度和抗压强度逐渐增加，当风积砂取代石英粉5 0%时，风积砂会显著提高UHPC各个龄10mm薄片状，打磨、抛光至平整，然后在试件表面涂上白色荧光粉进行气孔结构研究。1.3UHPC配合比本研究所用的UHPC配合比为如表4所示,基准UHPC强度为1 5 0 MPa以上，所有配合比中每立方米水泥用量为580kg,水胶比均为0.1 8,砂胶比为1.2 5 钢纤维的掺量均为2%（体积分数），用SUC1表示基准配合比，所用细集料为石英砂和石英粉;FUC2,GUC3表示风积砂、磨细铬铁渣粉分别取代基准配合比中的石英粉,取代率分别为其质量的0、2 5%、5 0%、7 5%，采用普通搅拌装备制备UHPC。表4不同的UHPC配合比1.25201.25201.25201.25201.25201.25201.2520一落扩展度（风积砂）落扩展度（铬铁渣）2550相对取代率/%161616161616168080808080808075201510515105期的强度，7、2 8、5 6 d抗折强度和抗压强度分别提高了13.59%和3.2 5%、5.5 7%和7.0 4%、7.1 9%和5.9 8%，主要原因在于风积砂中的酸性氧化物SiO2和两性氧化物AlO3含量超过8 0%,大量活性SiO和少量Al,O，与碱性激发剂Ca(OH),发生水化反应 1 3 ,生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H),C-S-H与水泥其他水化产物交织排列在一起,形成致密的网状结构,故会提高UHPC强度；此外,适量的风积砂掺量会提高骨料之间的颗粒填充度，提高UHPC的密实度；当风积砂按石英粉质量的2 5%和7 5%取代时，相较于基准组强度会有所下降,其原因在于风积砂掺量过少时不能起到良好的填充效应，内部孔隙率较大而强度较低；而风积砂掺量过大时，其吸附有效的水分子造成混凝土内部有效水分子的缺失，会延缓后期发生水化反应,降低了UHPC的后3051015000353025201510501601401201007060402000000510157图6 UHPC的抗折强度图728龄期/d图7 UHPC的抗压强度图1.71.71.71.71.71.71.728龄期/d222222256560255075255075口SUC1FUC2-IIFUC2-IIFUC2-IIIGUC3-1IGUC3-IIGUC3-II口SUC1口FUC2-1口FUC2-IIFUC2-IIIGUC3-IIGUC3-IIGUC3-III期强度；而铬铁渣的掺入会一定程度上降低UHPC的抗折、抗压强度，主要原因在于铬铁渣颗粒开口孔隙大，颗粒质地不坚硬，造成前期强度发展相对较低1 4。2.3UHPC 早期自收缩针对上述工作性能和力学性能方面的研究结果，在其工作性能满足施工要求的情况下，风积砂、铬铁渣分别取代石英粉5 0%时强度最佳。为近一步研究其对收缩性能的影响，解决UHPC收缩大的问题,本试验分别测试了风积砂、铬铁渣取代5 0%石英粉组的早期收缩。图8 为传统UHPC组，风积砂、铬铁渣取代5 0%石英粉时UHPC早期收缩率实测值和拟合值随时间变化的关系图；如图8 所示，风积砂、铬铁渣取代5 0%石英粉后均会显著降低UHPC的早期收缩率，7 2 h时风积砂组、铬铁渣组的早期收缩率与传统UHPC组相比分别降低了2 4.0 8%和3 3.2 8%，且铬铁渣组的早期收缩率相对最低，初始有微膨胀现象，且早期收缩均在24h后趋于稳定。对铬铁渣组，其原因在于掺人铬铁渣不仅可以优化UHPC内骨料级配,且磨细的铬铁渣中由于存在较多含量的MgO,又由于铬铁渣多孔疏松的特性,部分游离的MgO与水在碱性的 Ca(OH),环境下会生成Mg(OH)2,造成体积的微膨胀，会较大程度的降低UHPC早期收缩率，解决UHPC早期收缩较大这一技术难题；对风积砂组，胶凝体系中的 Ca(OH)2会与风积砂中的 SiO,和 Al,O,等酸性氧化物发生二次水化反应生成强度更高的C-S-H凝胶，削弱了由于Ca(OH)2晶体富集而产生的过渡区,提高了混凝土内部的密实度，从而提高了强度，减缓了早期收缩。GUC3-II(50%铬铁渣)SUC1(基准组)FUC2-II(50%风积砂)一GUC3-II(50%铬铁渣）拟合曲线-SUC1(基准组）拟合曲线700r.-FUC2-II(50%风积砂）拟合曲线6005009-01/率斯X4003002001000-10001020304050607080时间h图8 UHPC早期收缩的实测值与拟合值变化规律采用HC-NES型非接触式混凝土收缩变形测定仪器对UHPC早期收缩进行测定，根据实测数据的发展规律，依据Logistic模型 1 5 对收缩数据进行拟合，拟合结果表明：早期UHPC早期收缩率和测量时间之间的关系符合式（1),拟合曲线和拟合参数分别图8 和如表5 所示，各个组的相关系数均大于0.9 8，表明拟合效果良好。通过上述拟合曲线，可以更加直观的得出：相较于传统石英砂组，前6 h风积砂组与基准组收缩率基本接近,6 h后风积砂组的收缩幅度明显降低；对于铬铁渣组，前3 h内伴随有微膨胀，早期收缩率明显降低，且在2 4h后趋于稳定。通过拟合曲线可以较清楚的看出UHPC的早期收缩率发展规律,该拟合式为UHPC早期收缩率的定量计算提供相应的理论支撑。4表5 UHPC的早期收缩率拟合参数组别aSUC11.395FUC2-II-9.404GUC3-II-26.06y=(a-b)/(1+(x/xo)+b式中：y早期收缩率；测量时间；a.b-一早期收缩率初始值和最终值；Xo-收缩快速增长期中值；P-早期收缩率系数。2.4UHPC后期干燥收缩图9 为传统UHPC组、5 0%取代率的风积砂组、5 0%取代率的铬铁渣组UHPC后期干燥收缩率随时间变化规律；从图9 中可以明显看出传统UHPC组、风积砂组、铬铁渣组2 8 d干燥收缩率分别达到3 3 1 1 0-1 9 6 1 0-、1 6 5 1 0，相较于传统UHPC组,风积砂组、铬铁渣组干燥收缩率明显降低，收缩率分别降低了40.7 9%和5 0.1 5%，其中铬铁渣组28d的干燥收缩率降低幅度最大;最终1 8 0 d时风积砂组、铬铁渣组相较于传统UHPC组，收缩率分别降低了3 6.9 1%和44.19%。对铬铁渣组，原因是UHPC本身水胶比极低，后期在UHPC胶凝体系中参与水化反应的水分子相对较少,而磨细铬铁渣粉颗粒因为其多孔疏松的结构，表面含有大量的毛细开口孔，在水化反应初期开口孔中吸附了部分水分子，当后期UHPC内部缺水时，其开口孔中吸附的水分子得以释放并参与水化反应，同时铬铁渣中含有较多的氧化物（MgO),MgO会与水在特定环境下发生反应生成具有微膨胀性的Mg(OH)2产物,膨胀与收缩会部分抵消,故后期收缩率低于传统UHPC组和风积砂组。对风积砂组,是由于风积砂中的AlO3和SiO2含量超过8 0%，相较于传统AAA.石英粉组，风积砂表面光滑呈球形状，能起到很好的骨料填充润滑作用，发挥了一定的微集料效应，可以降低收缩。综上，针对传统单一的石英粉组，掺入适量风积砂、铬铁渣能很好的减缓UHPC的收缩，可以有效改善传统UHPC干燥收缩大的问题,这为UHPC在实际工程中大量使用提供了理论指导和技术依据。3503002509-01/率斯200150100500-500204060880100120140160180200龄期/d图9 UHPC的干燥收缩率变化规律图2.5孔结构变化表6 为5 0%取代率的铬铁渣组，5 0%取代率的风积砂组，传统石英砂基准组的硬化混凝土气泡间距试验相关数据，研究表明风积砂组2 8 d其内部气泡含量最低，且气泡6643.256477.158428.063-SUC1(基准组)-FUC2-II(50%风积砂)GUC3-II(50%铬铁渣)1P5.8591.601 47.9691.93599.5322.5123AR20.986040.986 640.99184(1)平均弦长最小,相对孔隙率最低,较为密实；且从表6 中可以看出3 组配合比的气泡间距系数都相对较低,结合前面相关试验，整体强度都较高，耐久性能良好。表6UHPC内部气泡试验相关数据相应含气量气泡间距系数气泡孔隙率气泡平均弦长参数/%GUC3-II1.496FUC2-II0.609SUC10.659图1 0 为UHPC表面气泡的宏观形貌图，观察整体宏观形貌，气泡分布还是比较均匀的，但铬铁渣组相对于基准组和风积砂组，大气孔的数量相对增多；图1 1 为传统石英砂、风积砂取代5 0%石英粉和铬铁渣取代5 0%石英粉UHPC内部孔隙变化规律。从图1 1 的3 D瀑布图中可以明显看出风积砂组的气泡分布相对均匀，内部含气量和大气孔的数量明显较低,这是因为掺人适量的风积砂后能明显改善UHPC内部的孔结构，大大降低多害大气孔的数量，使UHPC内部总的孔隙数量较少，密实度显著提高；而铬铁渣组,其含气量明显高于传统石英砂组和风积砂组，大气孔的数量也相对较多,结合前面的研究数据，可以明显看出前期由于大气孔数量相对较多,降低了部分UHPC的强度，但铬铁渣的掺入会明显降低UHPC 的收缩性能,提高UHPC 的工程应用范围。(a)FUC2-II50%风积沙组(c)GUC3-II50%铬铁渣组图1 0 UHPC内部气泡的宏观形貌图0.520.390.26含0.1312彭雅娟.铬铁渣作天然砂替代性骨料的优化与改性的研究 D包0头：内蒙古科技大学，2 0 2 0.SUC113董伟,申向东,林艳杰,等.风积沙的掺入对浮石轻骨料混凝士(基准组)性能的影响 J硅酸盐通报，2 0 1 5,3 4（8）：2 0 8 9-2 0 9 4,2 1 0 6.GUC3-II14JJENA S,PANIGRAHI R.Performance assessment of geopolymer(50%铬铁渣)concrete with partial replacement of ferrochrome slag as coarseaggregateJJ.Construction and Building Materials,2019,220(30):FUC2-II(50%风积砂)000000气泡大小/mm图1 1 UHPC内部的孔结构变化规律图3结论（1)在单位用水量一定的情况下，掺入风积砂、磨细铬铁渣粉会一定程度上降低UHPC的流动性,风积砂对流动性的影响较低。但整体落扩展度均高于6 5 0 mm,能够满足工程施工泵送的要求。（2）相较于传统UHPC组，风积砂取代5 0%石英粉能有效的提高其抗压强度和抗折强度,UHPC中掺入铬铁渣粉也能满足UHPC120的强度要求；原因在于风积砂的掺入会在一定程度上优化其内部毛细孔结构,降低大气孔的含量；铬铁渣大气孔含量较高，早期强度虽有所降低，但随着水化反应的/mm/mm0.4950.0650.7850.0240.5570.036(b)SUC1基准组123/mm0.2300.1840.195进行，吸附在铬铁渣开口孔中的水分子参与水化反应，其水化产物封堵孔洞,提高了密实度,大大减缓了UHPC 的收缩。(3）传统UHPC收缩较大，采用风积砂、磨细铬铁渣粉分别取代5 0%石英粉都能明显降低UHPC的早期收缩率和后期干燥收缩率，分别降低了2 4.0 8%和3 3.2 8%、3 6.9 1%和44.1 9%，从骨料选取和掺量上很好的解决了UHPC收缩大等问题，从而大大减少了养护费用，方便了UHPC在工程中的大量使用。参考文献：1 吴林妹,超高性能混凝土早期收缩性能与长期稳定性研究 D长沙：湖南大学.2 史金华,史才军,欧阳雪,等.超高性能混凝土受压弹性模量研究进展 J.材料导报，2 0 2 1,3 5(3：3 0 6 7-3 0 7 5.3 PYO S,ABATE S Y,KIM H.Abrasion resistance of ultra highperformance concrete incorporating coarser aggregateJConstructionand Building Materials,2018(165):11-16.4马新伟,薛欢,祁锦明,等.基于氯离子渗透机制的超高性能混凝土生命周期预测 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2 0 1 8,3 4(1):22-30.5 NGUYEN V T,YE G,VAN 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