高流态超高性能混凝土的制备及性能研究

引言UHPC作为未来混凝土的重要发展方向之一，已经在预制构件、桥面铺装、墩柱加固等工程中得到了成功应用。但是，由于UHPC的超高性能要求，往往需要牺牲自身的工作性，且需要通过加压成型、蒸压养护等改善性能的措施，使UHPC达到优越的耐久性能和力学性能[1]，而这些改善措施具有局限性，从而限制了UHPC在实际工程中的大范围应用推广，因此，本文针对高流态UHPC的配制技术开展试验研究，旨在为其进一步应用推广提供一定的借鉴。

1、原材料

水泥：山东产52.5硅酸盐水泥。硅灰：贵州产高品质硅灰，SiO2含量≥95%。粉煤灰：河南大唐产Ⅰ级粉煤灰。矿粉：S95级矿粉。石英砂：广东产40～80目石英砂。聚羧酸减水剂：UHPC专用减水剂，减水率＞35%。钢纤维：镀铜微丝钢纤维，抗拉强度＞2800MPa。水：自来水。2、试验方法及配合比

采用常规搅拌工艺，按配合比称取粉料倒入搅拌锅后添加水和外加剂，搅拌至流态状后加入钢纤维，搅拌3min以上直至均匀。在标准养护条件下对混凝土进行养护。按照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定UHPC拌合物的流动度；按照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》测定UHPC拌合物的7d及28d抗压、抗折强度。UHPC基体的基准配合比见表1。表1

UHPC基准配合比研究不同胶砂比（0.7、0.9、1.1、1.3）、不同水胶比（0.15、017、0.19、0.211）、不同硅灰掺量（0.10%、0.15%、0.20%、0.25%）、不同钢纤维掺量（0.07%、0.09%、0.11%、0.13%）对UHPC流动性和强度的影响。表2为试验设计因素表。表2

试验设计因素表3、结果分析

3.1胶砂比对UHPC流动性及强度的影响UHPC的胶砂比直接影响了UHPC结构的匀质性，试验结果见表3、图1、图2。

表3胶砂比因素试验结果图1不同胶砂比下UHPC的流动性图2不同胶砂比下UHPC的强度由图1可知，随着胶砂比的增大，UHPC的流动性显著变好，主要原因一是减水剂掺量为胶凝材料的1.8%，减水剂的总量随着胶凝材料总量增加而增加，因此，胶砂比越大胶凝材料越多，减水剂总量就越多，起到的分散效果越好，从而UHPC整体流动性就越好；二是胶砂比较小时，减水剂总量较少，集料总量较多，会吸附减水剂，从而使UHPC整体流动性下降明显。由图2可知，胶砂比介于0.7～1.3时，UHPC的强度呈先增大后减小的变化规律，在胶砂比为1.1时强度值达到峰值。一般来说，适量提高集料用量对混凝土的抗压、抗折强度是有提高作用的，而试验结果与理论有较大出入，可能原因是胶砂比为0.7、0.9时，由于集料吸附减水剂使UHPC整体流动性下降明显，成型时集料过多使得浆体难以填满孔隙，试件内气泡较多而导致强度降低。从UHPC拌合物的工作性和强度角度考虑，胶砂比宜介于0.9～1.1。3.2水胶比对UHPC流动性及强度的影响水胶比因素试验结果见表4、图3、图4。表4

水胶比因素试验结果图3

不同水胶比下UHPC的流动性图4

不同水胶比下UHPC的强度由图3可知，水胶比从0.15增大到0.21，UHPC的流动性从145mm增加到280mm，水胶比对UHPC的流动性影响显著，水胶比为0.21时UHPC的流动性达到最大，并且可以自流平。由图4可知，UHPC的抗压、抗折强度整体趋势是随着水胶比的增加而下降。水胶比在0.15～0.21时，28d抗压强度从142.5MPa下降到114.7MPa，降低了19.5%，28d抗折强度从23.7MPa下降到20.3MPa，降低了14.3%，说明水胶比是UHPC强度关键影响因素。同时，我们发现，在水胶比较低时（0.15、0.17），强度几乎不受水胶比影响。分析原因一是水胶比低，胶凝体系中的自由水很少，自由水反应完之后，就不再进行水化反应生成C-S-H凝胶以及不发生火山灰反应，这一点已有学者通过X射线衍射分析方法证实，低水胶比的混凝土衍射图中有C3S衍射峰，说明低水胶比的混凝土中依然有水泥颗粒未发生水化反应[2]；二是水胶比较低时，混凝土拌合物的黏度很大，导致搅拌过程中带入的气泡难以排出，从而影响了强度的增长，因此水胶比低到一定程度时，如果拌合物流动性不好，降低水胶比不一定能为提高试件强度做贡献。从UHPC拌合物的工作性和强度角度考虑，水胶比宜介于0.17～0.19。3.3硅灰掺量对UHPC流动性及强度的影响硅灰掺量因素试验结果见表5和图5、图6。表5硅灰掺量因素试验结果图5不同硅灰掺量下UHPC的流动性图6不同硅灰掺量下UHPC的强度由图5可知，硅灰掺量介于0.10～0.20时，UHPC的流动性从230mm增加到了270mm，流动性得到改善主要得益于硅灰的微填充效应，硅灰颗粒粒径极小，能够置换出UHPC颗粒间孔隙的自由水，并在水泥微粒之间充当滚球效应的作用[3]，从而不仅可以起到增大浆体密实度的作用，还能提高浆体的流动性；硅灰掺量为0.25%时，流动性显著降低，可能原因为硅灰掺量过度饱和而无法起到填充作用，反而影响了流动性。硅灰掺量宜介于0.15%～0.2%之间。由图6可知，硅灰掺量为0.10%时，UHPC的28d抗压强度为113.5MPa，28d抗折强度为21.3MPa；硅灰掺量为0.20%时，UHPC的28d抗压强度为135.1MPa，28d抗折强度为22.9MPa，抗压、抗折分别提高了19.0%和7.5%，这是因为硅灰微填充效应增大了浆体密实度，从而提高了整体强度。硅灰掺量为0.25%时，强度不升反降，可能原因为硅灰掺量过度饱和而无法起到填充作用，反而影响了强度。从UHPC拌合物的工作性和强度角度考虑，硅灰掺量宜介于0.15%～0.2%。3.4钢纤维掺量对UHPC流动性及强度的影响钢纤维掺量因素试验结果见表6和图7、图8。

表6

钢纤维掺量因素试验结果图7

不同钢纤维掺量下UHPC的流动性图8

不同钢纤维掺量下UHPC的强度由图7可知，钢纤维掺量介于0.07%～0.13%时，随着钢纤维掺量的增加，UHPC的流动性显著降低，主要原因可能是钢钎维作为UHPC组成的一个整体是需要浆体来包裹的，因此，在浆体一定时，钢纤维越多，流动性越差。由图8可知，UHPC强度的整体变化趋势为随着钢纤维掺量的增加而变大，钢纤维掺量介于0.07%～0.13%时，UHPC的28d抗压强度从168.4MPa提高到187.2MPa，提高了11.1%，28d抗折强度从26.8MPa提高到了30.4MPa，提高了13.4%。存在异常数据情况的有：钢纤维掺量为0.13%时的7d抗压强度小于钢纤维掺量为0.11%的强度，异常数据产生的原因可能有两方面，一是钢纤维过多，流动性较差，浆体无法填满孔隙，二是钢纤维过多，导致在UHPC拌合物中分散不均。从UHPC拌合物的工作性和强度角度考虑，钢钎维掺量宜介于0.09%～0.11%之间。结论

（1）胶砂比介于0.7～1.3时，胶砂比越大，UHPC的流动性越好；UHPC的强度随胶砂比增加而先增大后减小，在胶砂比为1.1时强度达到峰值；从UHPC拌合物的工作性和强度角度考虑，胶砂比宜介于0.9～1.1。（2）水胶比介于0.15～0.21时，水胶比越大，UHPC的流动性越好；抗压、抗折强度整体趋势为随着水胶比增加而降低，水胶比较低时，UHPC体系中的自由水和拌合物的流动性对强度影响较大；从UHPC拌合物的工作性和强度角度考虑，水胶比宜介于0.17～0.19。（3）硅灰掺量介于0.10%～0.25%时，UHPC的流动性和强度均呈先增大后减小的变化规律，均