鄒 劍

(衡陽公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 衡陽 421001)

0 引言

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)升級(jí)為國家戰(zhàn)略，標(biāo)志著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)正處于去碳化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，建筑行業(yè)的可持續(xù)性也已成為學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)研究對(duì)象。在此情況下，必須開發(fā)能延長既有結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)使用壽命的創(chuàng)新材料。Bache等[1]在上世紀(jì)八十年代提出了DSP(Densified with Small Particles)概念，為高性能混凝土的發(fā)展指明了方向?；贒SP設(shè)計(jì)理念的超高性能混凝土(UHPC)更是成為建筑領(lǐng)域最具創(chuàng)新性的水泥基復(fù)合材料，其與普通混凝土(NC)或高強(qiáng)混凝土(HSC)相比，具有顯著的性能優(yōu)勢。有研究表明[2]，NC的抗壓強(qiáng)度通常為20～40 MPa，HSC的強(qiáng)度超過了40 MPa，但很少達(dá)到100 MPa，而UHPC的抗壓強(qiáng)度可達(dá)120 MPa以上。NC的吸水率遠(yuǎn)高于3.5%，HSC的吸水率為1.5%～3.0%，而UHPC吸水率低于1.5%，這也從側(cè)面證實(shí)了UHPC具有超低的孔隙率[3]。

然而，在獲得優(yōu)異性能的同時(shí)，UHPC的材料成本遠(yuǎn)高于NC和HSC，主要由3個(gè)方面原因所致： ①DSP體系中大量使用水泥和硅灰等超細(xì)膠凝材料顆粒以實(shí)現(xiàn)最緊密堆積；②剔除了砂石等粗骨料，主要使用極細(xì)的優(yōu)質(zhì)石英砂(SiO2含量≥95%，最大顆粒直徑≤600 μm)；③摻入了體積分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%的鋼纖維以提高UHPC的耐久性和抗沖擊性，避免脆性破壞和減少自收縮。

UHPC成分中常用的膠凝材料、細(xì)骨料和鋼纖維不僅增加了其制備成本，而且在可持續(xù)性方面也存在缺陷[4-6]，如水泥和石英砂的生產(chǎn)過程會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。為助力建筑行業(yè)的綠色發(fā)展，有必要從材料組分的角度解決UHPC可持續(xù)性問題。本文擬介紹典型UHPC的材料組成，綜述目前各種回收材料和工農(nóng)業(yè)固廢作為UHPC輔助膠凝材料、骨料、纖維的潛力，將UHPC的超高性能與可持續(xù)性發(fā)展相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)新型生態(tài)UHPC復(fù)合材料體系提供借鑒和參考。

1 UHPC簡介

1.1 現(xiàn)代混凝土材料發(fā)展歷程

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，混凝土技術(shù)已朝著新的方向發(fā)展。高性能混凝土(HPC)相比于普通混凝土不僅具有更高的強(qiáng)度，還兼具優(yōu)異的耐久性、對(duì)外部不利介質(zhì)的抵抗力和高硬化率，同時(shí)也存在脆性大、抗拉強(qiáng)度低、延性差等缺點(diǎn)。纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)則通過摻入不同種類的纖維(如鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、聚乙烯纖維等)來提升脆性水泥基漿體抵抗開裂和裂縫擴(kuò)展的能力。在鋼筋和箍筋密集的區(qū)域，混凝土澆筑困難，同時(shí)會(huì)降低構(gòu)件的質(zhì)量，自密實(shí)混凝土(SCC)應(yīng)運(yùn)而生。而UHPC被認(rèn)為是一種可以滿足前述多項(xiàng)需求的新型混凝土技術(shù)，具有0.16～0.22的超低水膠比。

1.2 UHPC基體的顆粒堆積特征

UHPC的高強(qiáng)度和延展性是通過優(yōu)化填充細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒以及摻入鋼纖維來實(shí)現(xiàn)的。圖1展示了傳統(tǒng)混凝土材料與UHPC顆粒堆積的差異[7]。由圖可以發(fā)現(xiàn)，UHPC剔除了粗骨料，并在微觀層面上分布著超細(xì)顆粒以填充較大顆粒之間的空隙，進(jìn)而形成具有低滲透性的致密基體，宏觀上表現(xiàn)為超高性能[8]。

(a) 傳統(tǒng)混凝土

1.3 典型UHPC的材料組分

UHPC的典型配合比范圍如表1所示。

表1 1 m3UHPC拌和物的典型配合比[9]成分配合比范圍/kg水泥610～1 080硅灰50～334石英砂490～1 390鋼纖維40～250水126～261減水劑9～71

1.3.1硅酸鹽水泥

水泥主要由石灰石和黏土這2種基本原料構(gòu)成。如表1所示，硅酸鹽水泥作為UHPC材料體系中主要的膠凝材料，其含量為610～1080kg/m3，大約是傳統(tǒng)混凝土相應(yīng)值的3倍。

然而，大比例使用水泥對(duì)UHPC成本控制及可持續(xù)性產(chǎn)生了不利的影響：一方面，近些年來世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)提倡低碳、無碳化的生活生產(chǎn)方式，高耗能、高污染的水泥行業(yè)因出臺(tái)的多項(xiàng)環(huán)保政策受到前所未有的沖擊，導(dǎo)致水泥價(jià)格持續(xù)攀升；另一方面，UHPC中水泥用量遠(yuǎn)高于理論值，在超低水膠比條件下僅有少部分水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，大部分水泥顆粒作為填充材料存在于基體內(nèi)，并沒有發(fā)揮其潛在價(jià)值。

因此，亟需優(yōu)化材料組分以降低UHPC膠凝材料比例，或在不降低性能的前提下引入建筑垃圾等惰性材料或工農(nóng)業(yè)固廢等高附加值材料替代水泥，盡力解決水泥用量大帶來的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。

1.3.2硅灰

硅灰或微硅粉來自生產(chǎn)硅金屬和硅鐵合金的工業(yè)副產(chǎn)品。具有火山灰特性的硅灰是UHPC基體中粒徑最小的顆粒，常作為制備UHPC的必要成分用以填充較大顆粒的空隙。圓形的硅灰顆粒平均直徑為0.15 μm，大部分顆粒粒徑小于1 μm。研究表明，硅灰的摻量范圍宜為50～334 kg/m3(相當(dāng)于水泥質(zhì)量的10%～30%)，在此范圍內(nèi)，UHPC抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增加而有所提高，同時(shí)可以明顯改善UHPC漿體與骨料之間的界面過渡區(qū)[10-12]。

硅灰的主要缺點(diǎn)是其極細(xì)的粒徑溶解和水化需要更多的自由水，并易導(dǎo)致UHPC在新鮮狀態(tài)下的和易性和穩(wěn)定性降低[13]。

1.3.3石英砂

細(xì)骨料是UHPC的重要組成材料，其顆粒形態(tài)顯著影響基體組織填充密度和對(duì)水的需求量，目前使用效果最佳的是石英砂。石英砂作為UHPC基體中尺寸最大的顆粒，粒徑通常為150～600 μm，其摻量范圍常取490～1390kg/m3。由于石英砂具有較大的承載能力，有助于保持基體的穩(wěn)定性；又由于其為惰性材料，可以抵抗風(fēng)化，提高UHPC的耐久性。

大量使用極細(xì)的優(yōu)質(zhì)石英砂是造成UHPC成本過高的又一因素。因?yàn)檫@種精細(xì)和優(yōu)質(zhì)細(xì)骨料的提取、研磨和精煉過程均是能源密集型和高投入型，同時(shí)石英砂的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生諸如CO2排放、植被破壞、土壤退化、粉塵污染等不利影響[3]。

1.3.4鋼纖維

眾所周知，混凝土是一種“抗壓不抗拉”的脆性材料。因而，常摻入40～250 kg/m3纖維用于增強(qiáng)UHPC基體，以提供更好的抗裂能力以及更高的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)纖維在基體中的良好取向分布(即沿拉伸荷載方向)將會(huì)進(jìn)一步改善UHPC的應(yīng)力傳遞方式，即當(dāng)基體在加載過程中發(fā)生斷裂時(shí)，纖維可以將基體黏結(jié)在一起，并通過向四周延伸的微裂紋分散應(yīng)力，進(jìn)而抑制主裂縫的擴(kuò)展[14]。眾多纖維中，應(yīng)用于UHPC最為廣泛的是鋼纖維，表2給出了市售鋼纖維的性能參數(shù)。鋼纖維作為UHPC材料體系的重要組成部分，其成本直接影響UHPC的價(jià)格。

表2 鋼纖維的性能參數(shù)[15]長度/mm等效直徑/mm密度/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa130.27.852 000750

2 UHPC的發(fā)展趨勢

目前，UHPC在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用多集中于建筑外墻、人行天橋等。

UHPC材料的成本約為普通混凝土的20倍，且其生產(chǎn)過程給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的負(fù)擔(dān)，限制了其在大型建筑工程領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。因此，有必要從原材料方面入手，開展兼具高性能和低成本的新型綠色UHPC材料的研究。

早在1997年，吳中偉院士就提出了高性能混凝土的綠色發(fā)展設(shè)想，即具備高性能特征的同時(shí)，注重混凝土全壽命周期的綠色程度。具體體現(xiàn)在原材料的選取盡可能減少自然資源的消耗，并注重不可再生材料的循環(huán)利用。在混凝土生產(chǎn)、使用過程中加強(qiáng)質(zhì)量和環(huán)境管控，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，形成可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)供應(yīng)體系[16]。

2.1 政策導(dǎo)向

為提高建筑行業(yè)的“含綠量”和推動(dòng)建筑材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，住建部和工信部于2015年聯(lián)合出臺(tái)了《綠色建材評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)管理辦法實(shí)施細(xì)則》和《綠色建材評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》，明確了水泥及其制品的高質(zhì)量發(fā)展方向，并提倡使用高附加值的高性能混凝土，促進(jìn)建筑行業(yè)和建材生產(chǎn)的綠色化、協(xié)調(diào)化和融合化發(fā)展。

自2015年11月以來，國家大力實(shí)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。在此背景下，眾多效能低、污染大的中小型地方水泥制品企業(yè)被依法取締，混凝土行業(yè)產(chǎn)能過剩問題得到緩解。此外，混凝土及水泥制品行業(yè)還存在著不平衡、不協(xié)調(diào)和不匹配的供需關(guān)系。因此，具備高附加值的綠色高性能混凝土成為解決建材行業(yè)供需結(jié)構(gòu)性失衡的突破點(diǎn)和發(fā)力點(diǎn)，同時(shí)，現(xiàn)代綠色工程的建設(shè)為綠色高性能混凝土創(chuàng)造了充分的市場需求。

2.2 UHPC朝著綠色方向發(fā)展

建筑行業(yè)的碳排放主要來自水泥生產(chǎn)過程，水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2約占全球CO2排放量的6%～7%，而UHPC中水泥的用量更是普通混凝土的3倍。大量水泥顆粒在超低水膠比條件下未發(fā)生水化，這直接增加了UHPC的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本，并且大用量的水泥造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[17]。

從生命周期評(píng)價(jià)的角度來看，混凝土的綠色程度通常采用其在整個(gè)生命周期中造成的環(huán)境負(fù)荷來量化，最常用的定量指標(biāo)包括生態(tài)力學(xué)指標(biāo)、材料效率指標(biāo)和附加可持續(xù)性指標(biāo)等[18]。所謂綠色高性能混凝土，正是通過科學(xué)的材料選配設(shè)計(jì)與先進(jìn)的生產(chǎn)工藝使其做到高性能與綠色環(huán)保的有機(jī)統(tǒng)一，具體特征體現(xiàn)為： ①替換能耗大、污染大的水泥熟料；②替換天然砂石骨料，減少對(duì)環(huán)境不利的開采過程；③替換造價(jià)高的鋼纖維，有效降低材料制備成本。

3 UHPC組分的優(yōu)化方案

為加快UHPC在現(xiàn)代建筑中的推廣應(yīng)用，如何降低其昂貴的生產(chǎn)成本成為問題的關(guān)鍵。目前，相關(guān)學(xué)者正積極探索采用可持續(xù)性材料來替代UHPC中水泥、石英砂和鋼纖維等原材料。以下著重介紹具有潛力的可再生替換材料或工農(nóng)業(yè)固廢。

3.1 輔助膠凝材料的應(yīng)用

輔助膠凝材料可用于完全或部分替代水泥，起到黏合骨料的作用。近年來，各國學(xué)者開始采用工農(nóng)業(yè)固廢作為水泥或天然砂石的替代材料，并在建筑工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用，該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，這種回收利用將直接減少用于處置工業(yè)固廢的垃圾填埋場數(shù)量，以及減少水泥生產(chǎn)中涉及的能源消耗和溫室氣體排放；其次，合理級(jí)配的填充輔助膠凝材料能有效改善新拌UHPC的和易性和泵送性，并提高基體的密實(shí)度，從而增強(qiáng)UHPC的力學(xué)性能以及抵抗外部介質(zhì)的侵蝕能力；最后，有助于減少如石灰石、砂石開采等勞動(dòng)密集型產(chǎn)品的需求，這將有效降低UHPC的生產(chǎn)成本。

常用的輔助膠凝材料包含有高爐礦渣、硅灰、沸石粉、稻殼灰和粉煤灰等[10，19]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖石粉0～25%取代水泥時(shí)，蒸壓養(yǎng)護(hù)的UHPC力學(xué)性能優(yōu)于對(duì)照組，并且對(duì)孔隙率影響不大[20]。鄭曉博等[21]通過流變性能試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)重建速率測試和圖像分析技術(shù)研究了偏高嶺土對(duì)UHPC流變和纖維分布情況的影響，結(jié)果表明，當(dāng)偏高嶺土摻量從5%增加到10%時(shí)，UHPC的流變特性變化不大，但有助于纖維在漿體中的分散。桂許蘭等[4]以超細(xì)粉煤灰代替部分水泥并摻入硅灰等活性材料，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過加壓高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)后，UHPC內(nèi)部會(huì)生成更多的S-C-H。唐咸遠(yuǎn)等[22]用鋼渣粉灰替代石英粉，得出當(dāng)水膠比為0.18、0.19時(shí)，摻有鋼渣微粉的UHPC工作性能更理想。

3.2 天然砂石材料的替換

替代性骨料可顯著減少石英砂、河砂等天然骨料的開采，從而降低過量開采對(duì)自然環(huán)境的破壞。

為減少石英粉的使用，楊震櫻等[23]采用玻璃粉制備了一種綠色UHPC，由于“圓?！辈ＡХ鄣谋砻孑^為光滑，可明顯改善漿體的流動(dòng)性，雖不利于UHPC早期強(qiáng)度的發(fā)展，但可顯著增強(qiáng)其后期強(qiáng)度，試驗(yàn)表明玻璃粉的理想摻量為20%。陳志武[24]設(shè)計(jì)了5種摻量的再生細(xì)骨料(0、25%、50%、75%和100%)等質(zhì)量替代河砂以制備UHPC，隨著骨料摻量增加，漿體流動(dòng)性逐漸降低，骨料與漿體的界面過渡區(qū)裂縫增多，從而導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低。馬正先等[25]利用機(jī)制砂部分替代石英砂，然后通過單因素試驗(yàn)分析石英砂、粉煤灰等摻量對(duì)混摻骨料UHPC流動(dòng)性及力學(xué)性能的影響，當(dāng)石英砂摻量為32%(機(jī)制砂含量68%)、粉煤灰摻量為15%、減水劑摻量為0.39%、鋼纖維摻量為2%時(shí)，UHPC具有最佳性能。

3.3 纖維材料的替換

纖維能否在拌和物中均勻且隨機(jī)分布是纖維增強(qiáng)混凝土技術(shù)的關(guān)鍵，它們在基體中發(fā)揮著釋放應(yīng)力和阻止裂縫擴(kuò)展的作用，從而改善UHPC的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和延展性，有效避免基體脆性破壞的發(fā)生。最早開始應(yīng)用于混凝土中的是石棉纖維，但與之相關(guān)的纖維均存在著危害人員健康的風(fēng)險(xiǎn)，因而逐漸發(fā)展了其他纖維材料，例如鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維(如聚丙烯)和天然纖維(如棕櫚樹纖維)等。

目前，UHPC中應(yīng)用最為廣泛的是鋼纖維，但其價(jià)格高昂，1%體積摻量的鋼纖維其成本甚至超過了其他剩余材料的成本總和。南雪麗等[26]研究證實(shí)回收鋼纖維與工業(yè)鋼纖維對(duì)UHPC的流動(dòng)性和力學(xué)性能無明顯影響；張貴等[27]采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)聚乙烯纖維進(jìn)行改性，得出當(dāng)改性聚乙烯纖維摻量為3%時(shí)，UHPC具有較好的應(yīng)變硬化效果，多縫開裂效果更為顯著；孔德成等[28]研究表明，摻入聚丙烯粗纖維可改善UHPC的斷裂韌性，其荷載-位移曲線存在緩慢下降段，并且隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加(0～2%)，UHPC的斷裂參數(shù)均明顯提高；Abdolpour和池寅等[29-30]采用廢舊輪胎中提取的鋼纖維或改性聚乙烯/聚丙烯纖維添加到UHPC中，發(fā)現(xiàn)回收纖維或再生纖維在不同方面對(duì)UHPC的力學(xué)性能有一定的改善作用，包括開裂后行為和抗沖擊性能。

采用高性能及低價(jià)纖維材料替換傳統(tǒng)的鋼纖維，可有效降低UHPC的造價(jià)，這將對(duì)UHPC的推廣應(yīng)用發(fā)揮了積極的作用。

4 結(jié)語

近年來，具有顯著性能優(yōu)勢的UHPC受到了建筑行業(yè)的高度關(guān)注，但高昂的造價(jià)限制了其在實(shí)際工程項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用，另外，UHPC中大摻量的水泥、石英砂等原材料的生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，不利于現(xiàn)代建筑業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。本文從UHPC材料組成方面綜述了惰性材料或高附加值材料生產(chǎn)UHPC的潛力，擬將UHPC的超高性能與可持續(xù)性發(fā)展相結(jié)合，為未來UHPC技術(shù)發(fā)展指明方向。隨著生態(tài)型UHPC的不斷發(fā)展，其材料體系愈發(fā)復(fù)雜，構(gòu)建能同時(shí)滿足材料性能和成本的配合比的設(shè)計(jì)方法將成為未來UHPC優(yōu)化發(fā)展的新方向。