生态型超高性能水泥基复合材料

生态型超高性能水泥基复合材料

蒋顺利，曾伟洪，石波

重庆交通大学，重庆市，400074

摘要：超高性能水泥基复合材料以其优异的力学性能和耐久性能，被广泛运用于建筑、国防等对结构及性能有特殊要求的领域。但巨大的能耗和昂贵的造价限制了其发展，开发新的废渣资源以用于制备生态型超高性能水泥基复合材料变得非常重要。本文通过查阅相关文献，总结出制备生态型超高性能水泥基复合材料可行路线，即以偏高岭土等生态型矿物掺合料部分代替胶凝材料，并通过对比分析制备出的复合材料力学性能，验证路线的可行性，为发展生态型超高性能水泥基复合材料提供思路。

关键词：超高性能水泥基复合材料；偏高岭土；

0  引言

随着人类生活环境的进一步恶化以及开发和利用未知空间需求的亟需，基础工程的建设越来越向高层、大跨度方向发展，且越来越多的面临着严酷环境的威胁，传统的普通混凝土材料已越来越难满足这种需要，而超高性能水泥基复合材料以其优异的力学性能和耐久性能成为目前学术界研究的热点，且广泛用于土木、建筑、水利、交通、隧道、桥梁、国防等对结构及性能有特殊要求的诸多领域[1]。

国际上超高性能水泥基复合材料的制备多使用磨细石英砂取代普通骨料，最大粒径只有600um，粉磨过程的能耗大；高水泥含量在增加用料成本的同时也产生可持续问题；掺活性混合材料品种单一，硅灰掺量大，价格昂贵，高额的价格也为超高性能水泥基复合材料的工程应用带来困难。因此开发利用其他具有活性组分的掺合料和其他细骨料成为解决资源枯竭、保持社会可持续发展的必由之路。本文通过查阅相关文献，总结两种可用于替代硅灰的生态型矿物掺合料，其均能在复合材料体系中替代部分胶凝材料并发挥火山灰活性，保证复合材料满足性能要求。另外，通过总结尾矿砂部分代替天然砂配置超高性能水泥基复合材料，为开发生态型超高性能水泥基复合材料提供另一种思路。

1  生态型矿物掺合料制备UHPCC

1.1  掺合料化学组成与性质

偏高岭土是以高岭土为原料，在适当温度下经脱水形成的无水硅酸铝（Al2O3·2SiO2，AS2）。其中含有大量的活性氧化铝和活性氧化硅，能迅速与水泥水化生成的Ca(OH)2反应，促进水泥的水化。已有的实验研究表明[2]，偏高岭土能显著提高普通混凝土的抗拉、抗压和抗弯强度等力学性能，同时相比较于粉煤灰，CaO和SO3含量较少，有利于复合材料的体积稳定性。

表1粉煤灰、偏高岭土的化学组成

Table 1Chemical composition of fly ash, metakaolin and steel slag powder

1.3  宏观力学性能

1.3.1  掺偏高岭土UHPCC

戎志丹[2]等系统研究了偏高岭土对超高性能钢纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响规律。通过制备掺与未掺偏高岭土的水泥基复合材料，测定不同龄期其静态力学性能，测试结果如图1所示。

图1不同龄期UHPCC静态力学性能[2]

图中MK00~MK03是不同水胶比未掺偏高岭土试件，其余为掺偏高岭土。从图中可以看出不同系列的UHPCC材料的抗压强度随着龄期的增长而增大，同时相对于未掺加偏高岭土的材料而言，掺加10%的偏高岭土取代水泥之后，材料在不同龄期条件下的抗压强度不仅没有明显的下降趋势，反而有所增加，这主要在于偏高岭土中存在大量的活性SiO2和Al2O3，可以促进水泥的水化，且与水泥的水化产物进一步反应生成C-S-H凝胶，进一步填充了复合材料内部的空隙，使得材料整体的密实度得以提高，从而使复合材料呈现出优异的力学性能。此外，在相同龄期条件下，掺加偏高岭土的复合材料的抗折强度比未掺的试件略有提高，但其提升幅度比抗压强度的提升幅度要小。随着养护龄期的延长，其火山灰效应不断发挥，可以进一步提高复合材料的密实度和纤维/基体间的界面粘结力，因此可以推测该材料的力学性能将随着龄期的进一步延长而提高。

2  结论

通过对比分析生态超高性能水泥基复合材料相关文献报道，总结出制备生态型超高性能水泥基复合材料可行路线，即以偏高岭土等生态型矿物掺合料部分代替胶凝材料，实验数据表明具有可行性。偏高岭土具有和粉煤灰相似的化学组成，在复合材料中表现出良好的火山灰活性。其水化产物主要由超高密度C-S-H凝胶组成，强化界面区，掺偏高岭土的UHPCC拥有优良的力学性能，并且该材料的力学性能将随着龄期的进一步延长而提高。

参考文献：

[1] 刘一星.浅谈超高性能水泥基复合材料的制备方法[J].福建建材,2019(03):7-10.

[2] 戎志丹,姜广,孙伟,邱瑞,金鑫.超高性能钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能及微结构分析[J].河北工业大学学报,2014,

43(06):30-34.

[3] 白斯宇,占世兵,周万清,丁超,刘凯.超高性能轻质混凝土研究进展[J].湖北电力,2019,43(06):94-99.

[4] 赵素晶.超高性能水泥基复合材料的力学性能和微结构研究[D].东南大学,2016.

[5] 姜广.生态型偏高岭土超高性能水泥基复合材料的制备及机理分析[D].东南大学,2015.

[6] 阚黎黎,陶毅晨,朱瑨,徐超,曹号.粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料性能的影响[J].材料科学与工程学报,2017,35(06):934-939.

[7] 罗敏,李斌,李秀领.粉煤灰掺量对绿色高性能纤维增强水泥基复合材料工作性能的影响[J].混凝土,2016(03):94-95+101.