摘要
超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete，UHPC）是一种高密实度、超高强度以及耐久性优异的水泥基建筑材料，掺入钢纤维也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-HighPerformanceFiberReinforcedConcrete，UHPFRC）。传统UHPC以优质石英砂作骨料，水泥掺量大，存在优质资源依赖度大、能源消耗高、环境污染严重等问题，发展生态型UHPC意义重大。利用粉煤灰、硅灰、偏高岭土等固废替代水泥，以河砂等天然细骨料替代石英砂制备UHPC研究较多，而已有研究的矿物掺合料和细骨料日渐紧俏，价格飙升，且地区分布差异大，势必会逐渐无法满足超高性能混凝土的迅猛发展。我国作为陶瓷生产大国，陶瓷废弃物堆积成山，造就了严重的污染，若能将陶瓷废弃物应用于超高性能混凝土中，必然对陶瓷废弃物资源的利用和环境污染问题的治理，以及超高性能混凝土的长远发展有着重要的生态、经济以及战略意义。 针对陶瓷废弃物在水泥基复合材料中的研究现状，发现陶瓷废弃物作为矿物掺合料和骨料在普通混凝土中应用较多，但是在UHPC中的应用研究鲜有报道。因此本文探讨废陶瓷基UHPC的制备及其性能影响规律，系统研究了废陶瓷粉、废陶瓷砂分别作为矿物掺合料和骨料对UHPC、UHPFRC的新拌性能、硬化性能以及微观结构的影响，具体开展工作如下： （1）基于多目标优化方法，采用响应曲面法中的Box-BehnkenDesign（BBD）进行试验设计，探讨粉煤灰掺量、硅灰掺量、水胶比以及砂胶比对UHPC工作性能和力学性能的影响规律。并建立自变量的最佳回归模型，通过方差分析判断模型显著性。最终得到基准组UHPC配合比优化方案：粉煤灰、硅灰掺量分别占胶凝材料总质量的14.48%和15.84%，水胶比0.183，砂胶比0.997，流动度实测值为285mm，28d抗压强度实测值为135.7MPa，较未优化的对照组分别提高了16.33%、12.89%。 （2）研究废陶瓷粉掺量对UHPC性能的影响。以废陶瓷粉（粒径小于0.075mm）取代部分（10%、20%、30%）水泥制备UHPC，废陶瓷粉掺量10%时可以获得28d抗压强度和抗折强度分别为143.9MPa和23.5MPa的UHPC，以及28d抗压强度和抗折强度分别为190.1MPa和27.6MPa的UHPFRC，UHPC干缩率随着废陶瓷粉的掺加逐渐减小，废陶瓷粉掺量30%时56d干缩率较基准组试件减小了33.81%。XRD、TG/DTG以及SEM测试发现，废陶瓷粉具有一定的微火山活性，Ca(OH)2含量随废陶瓷粉掺量的增加逐渐减小，在适量掺量下废陶瓷粉能够降低界面过渡区宽度，使试件内部更加致密。 （3）研究废陶瓷砂掺量对UHPC性能的影响。以废陶瓷砂（粒径0.075-0.6mm）为骨料取代（20%、40%、60%、80%、100%）石英砂制备UHPC、UHPFRC。结果表明，废陶瓷砂取代率为60%时，UHPC力学性能最优，28d抗压强度、抗折强度分别为151.8MPa、26.3MPa，较未掺废陶瓷砂的基准组试件分别提高了11.86%、9.58%，56d干缩率较基准组减小了47.48%，且SEM结果显示界面过渡区结构密实；此外废陶瓷砂的掺入能够减轻超高性能混凝土自重，在废陶瓷砂100%取代率下，UHPC干表观密度下降至2222kg/m3，较基准组试件（2426kg/m3）降低了8.41%。 （4）研究废陶瓷粉、废陶瓷砂复掺对UHPC性能的影响。将废陶瓷粉、废陶瓷砂在最优掺量（CF10CS60）以及最大掺量（CF30CS100）进行复掺制备UHPC以及UHPFRC。结果表明，二者复掺可以成功制备废陶瓷颗粒占混凝土原材料总体积掺量50%以上的生态型UHPC。复掺后由于废陶瓷颗粒的低表观密度、吸水、蓄水和“内养护”等作用，掺量越大，浆体流动度、容重和力学性能越低；干缩性能得到进一步改善。CF10CS60力学性能优于CF30CS100，28d抗压强度、抗折强度及其相对基准组增幅分别为150.8MPa（↑11.13%）、28.7MPa（↑19.58%）；CF30CS100强度较基准组有所降低但符合UHPC规范要求，干表观密度低至2156kg/m3，较基准组试件减小了11.13%。
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