基于装配式建筑设计超高性能混凝土(UHPC)试验研究

翟红侠，方伟，刘运林

(1.安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

十三五期间我国经济发展已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，建筑业在能源消耗上一直处于前沿，约占全社会能耗46%，碳排放量占排放总量30%[1]，鉴于目前提出的绿色发展、生态文明建设等要求，建筑业转型升级、转型发展方式已迫在眉睫。培育和发展装配式建筑[2]，推动建筑产业化、绿色化、信息化融合发展越来越得到社会重视，仅2017年1月到10月，我国新建装配式建筑已落实1.27亿m2，[3]在《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中，明确要求装配式建筑在2025年占新建建筑面积的比例达到30%[4]，但就目前装配式建筑在技术集成及单一材料研究还有待于探讨和开发，如外墙保温材料及高强材料复合问题，见图1。

本试验针对装配式夹芯外墙材料——高性能混凝土进行探索，围绕一种高强度、高韧性、高耐久性的超高性能水泥基材料即超高性能混凝土(ultra high performance concrete，简称 UHPC)[5]进行试验研究。从其在装配式墙体材料应用入手，选择常用矿物掺合料配制UHPC，辅以了解几种矿物掺合料、水胶比、钢纤维掺量、减水剂掺量等组成材料对UHPC流动性和力学性能的影响。

图1 装配式夹芯外墙构造图

1 试验

1.1 原材料

试验主要原材料有水泥、硅灰、石英粉、细砂、高效减水剂、钢纤维等，具体指标如下表1所示。

1.2 UHPC配合比设计

通过对相关文献的查阅[6-14]，在进行部分单因素试验的基础上，选取了硅灰掺量、石英粉掺量、水胶比、钢纤维掺量、减水剂掺量等五个因素和四个水平来探究几种材料对UHPC性能的影响，其中硅灰和石英粉掺量是占水泥用量的百分比，减水剂掺量为胶凝材料(水泥+硅灰)的百分比，钢纤维掺量为体积掺量。其具体参数如表2所示。

表2 正交试验设计因素水平表L16(45)

1.3 试验方法

试验主要分为两部分，包括流动性试验和强度试验。分别参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)和《水泥胶砂强度检测方法》(GB/T 17671-1999)进行。

1.4 试件制备与养护

按照配合比要求，计算各材料用量并提前称好，把水泥、硅灰、石英粉倒入搅拌锅内，慢搅1.5 min，然后将称量好的减水剂溶入水中，先加大约一半的用水量，搅拌1 min，再将剩余用水量加入搅拌锅内，搅拌1.5 min。当搅拌出现流动状时，将细砂缓慢均匀的加入搅拌锅，继续慢搅1 min。最后将钢纤维缓慢均匀的加入到搅拌锅内，全部加完后，搅拌1.5 min。从水泥等第一批掺合料入锅后，搅拌机应处于持续工作直到拌合物搅拌完成。

表1 混凝土材料

完成搅拌后对拌合物进行流动性测试，记录数据，入模，并在振动台上辅以振动增进密实度，制成40 mm×40 mm×160 mm的试件。抹平后用塑料膜对试件进行覆盖、编号，将试件放入标准养护室养护24 h后再拆模，然后将试件放入(20±2)℃的水箱中继续养护至规定期龄。

2 试验结果与讨论

2.1 正交试验结果

通过7d和28d的标养后，对试件进行强度检验，具体数据如表3所示，其中水泥固定掺量875 kg/m3，细砂固定掺量1050 kg/m3。

通过对16组试块的强度检验发现，Z5、Z6、Z9、Z15、Z16这几组的抗压强度已超过150 MPa。

表3 UHPC正交试验强度测试结果

表4 28d抗压强度数据分析表

表5 流动度数据分析表

2.2 正交试验数据分析

对上述正交试验结果进行数据分析，其28d抗压强度和流动度数据如表4、表5所示。

在满足流动性的条件下，通过正交试验，希望得到更高强度的UHPC。28d分析数据中其强度最优组为 A4B4C1D4E4，流动性最优组为。

2.3 验证试验

通过对正交试验的数据分析，得出此正交试验强度最高混凝土试验组为A4B4C1D4E4；综合考虑抗压强度、流动性能，选取试验组合A4B2C2D4E3，进行理论分析后，重新对这两组进行验证试验，编号分别为Z17、Z18。试验结果如表6所示。

从试验结果看，Z17组强度是最高的，但扩展度不够；Z18组虽然强度也已达标，但对比此前16组发现，其流动性还是有待提高；综合考虑之后，可采用Z9组，即硅灰掺量25%、石英粉掺量15%、水胶比0.18、钢纤维掺量2.0%、减水剂掺量5%，作为本试验装配式外墙的试验配合比。

3 结论

通过本试验研究结果，可以得出以下结论:

(1)钢纤维掺量对UHPC强度性能影响最大，当钢纤维掺量由0.5%增加到2%时，其强度提升了37.5%；

(2)减水剂掺量对UHPC新拌物的流动性影响是最大的，当其掺量由4%增加到7%时，扩展度增加了91.8%；但对其强度影响不够明显，所以在保证新拌物流动性的基础上，避免减水剂添加过量；

(3)在保证试验要求的基础上，综合来看，Z9组是较为符合此次试验条件的一组。

表6 UHPC强度试验数据附表