超高性能混凝土配合比优化研究

袁明，贺文杰，颜东煌，韦炳灯，刘昀

(1.长沙理工大学 土木工程学院,湖南 长沙 410114；2.湖南交通职业技术学院)

超高性能混凝土(UHPC)是混凝土技术和现代材料科学快速发展基础上出现的一种新型土木工程材料，与普通混凝中标号较高的C50相比，力学性能表现优异，耐久性提升很大，工作性能也优良，既可以作为桥梁和建筑的加固材料，又可以作为新型构件的基材。超高性能混凝土处于工程结构安全使用期、环境条件适应性、经济合理性等各个方面都产生了很明显的效益，各国学者都认为超高性能混凝土材料是以后混凝土技术的主要方向之一 。

该文主要在超低水胶比和蒸气养护条件下，优化骨料级配和不同钢纤维掺入量，探究不同水胶比、砂胶比对UHPC力学性能和工作性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥为南方P.O.52.5级普通硅酸盐水泥。硅灰为超细硅灰，SiO2含量为91.89%，比表面积为1.43×104m2/kg。石英砂为精致水洗石英砂，粒径范围为0.12～0.63 mm。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，淡黄色粉末，减水效率大于30%。水为普通自来水。钢纤维采用3种不同形状：平直形、端钩形、波纹形，具体参数如表1所示。

表1 钢纤维的主要技术参数

1.2 试验方法与步骤

根据GBT 31387-2015《活性粉末混凝土》抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，抗折强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，塌落扩展度参照GBT 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行。

1.3 石英砂级配

UHPC是基于最大密实度理论配制而成的，所以需要考虑石英砂的级配，以得到4个连续粒级石英砂的最大堆积密实度的粒级配比，该试验仅做了简单的密实堆积试验，试验分为3组，试验步骤如下：① 混合：首先将两种砂按照不同的比例混合完全，混合总量为2 kg；② 将混合好的砂倒入1 L的正方体容器中，倒入大约一半时，振动30 s；③ 最后将容器倒满，继续振动30 s后，将其表面刮平称重。

(1) 试验组1：将70～120目与40～70目石英砂按表2进行级配，得到不同石英砂级配的堆积密度。

表2 不同混合比例的堆积密度

由表2可得：40～70目与70～120目石英砂按照15∶5进行混合时，能达到最大密实度，最大堆积密度为1 617.3 g/L，在此称其为一级混合料。

(2) 试验组2：将一级混合料与26～40目石英砂按照一定的比例混合，得到不同石英砂级配的堆积密度如表3所示。

表3 不同混合比例的堆积密度

由表3可以看出：一级混合料与26～40目石英砂的混合比例为6∶14时，能达到最大密实度，此时的堆积密度为1 641.9 g/L，此处称其为二级混合料。

(3) 试验组3：二级混合料与16～26目石英砂按比例混合，得到不同石英砂级配的堆积密度见表4。

表4 不同混合比例的堆积密度

由表4可以看出：二级混合料与16～26目石英砂的混合比例为11∶9时，能达到最大密实度，此时的堆积密度为1 708.6 g/L。换算成石英砂的级配为：(16～26目)∶(26～40目)∶(40～70目)∶(70～120目)=0.55∶0.15∶0.22∶0.08。

2 配合比研究

为了获得更好的力学性能，优化UHPC配合比，试验前参考相关文献，以确定UHPC材料的水胶比、砂胶比和钢纤维掺量范围。

2.1 钢纤维掺量对UHPC性能的影响

选择钢纤维掺量分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，研究不同钢纤维掺量对UHPC工作性能、力学性能的影响。试验采用砂胶比1.1，水胶比0.16，养护模式采用蒸气养护3 d。试验结果见表5。

表5 钢纤维掺量对HUPC工作性能、力学性能的影响

由表5可以看出：

(1) 当钢纤维掺量为0%～2%时，钢纤维掺量对扩展度的影响比较小，每增加0.5%，塌落扩展度平均减少4.3%左右；当钢纤维掺量为2%～3%时，钢纤维掺量对扩展度的影响比较大，每增加0.5%，塌落扩展度平均减少19%，下降幅度较大。其主要原因是，钢纤维属于细长型，比表面积较大，增大了钢纤维与UHPC基体的接触面积，使得黏结度加大，流动扩展度下降，同时，钢纤维在基体中的分布杂乱无章，形成了骨架效应，对其流动性也有较大影响。当钢纤维掺量小于2%时，主要是基体与钢纤维的黏结力产生作用，此时钢纤维在基体中的间隙比较大，并不能在基体中产生骨架效应，所以流动性影响比较小，当钢纤维的掺量大于2%时，钢纤维与基体的黏结力与钢纤维在基体中的骨架效应同时作用，故塌落扩展度减幅较大。

(2) 抗压抗折强度随着钢纤维的掺量增加有很明显的上升，当钢纤维掺量由0上升至1%、2%、3%时，抗压强度分别上升了38.44%、53.36%、73.99%,抗折强度分别上升了31.23%、53.00%、105.22%。其主要原因是钢纤维掺入后，由于其三维乱向分布，在UHPC基体中形成了劲性骨架，在裂缝中能起到桥接作用，能够限制裂缝的出现与发展。由于钢纤维与混凝土基体之间存在着黏结作用，钢纤维掺量为0.5%以上的UHPC试件进行抗压试验时，几乎没有出现崩裂飞溅的情况，而没有掺钢纤维的试件，抗压强度试验中，会有严重崩裂飞溅，脆性很大。

2.2 钢纤维形状对UHPC性能的影响

不仅钢纤维的掺入量对UHPC性能会产生影响，钢纤维的形状在其中也能起到十分重要的作用。试验主要针对常用3种镀铜钢纤维进行单掺试验，以探究平直形、端钩形、波纹形钢纤维对超高性能混凝土(UHPC)性能的影响。

试验继续采用砂胶比为1.1，水胶比为0.16，钢纤维形状对UHPC的工作性能和力学性能的影响结果如表6所示。

表6 不同形状钢纤维对UHPC性能的影响

注：编号DX为端钩形，BX为波纹形，ZX为平直形。

由表6可以看出：

(1) UHPC流动扩展度伴随着钢纤维的掺入量增加而下降，当钢纤维掺入量为1%以下时，钢纤维形状对UHPC的工作性能影响不大，掺量为1%时，塌落扩展度的最大变化量为34.5 mm，变化率仅为5.1%。当钢纤维掺量大于1%时，钢纤维形状对流动扩展度的影响加大，3%掺量时，塌落扩展度的最大变化量为169 mm，变化率为45.5%。其主要原因是当钢纤维掺量较小时，微细钢纤维之间在基体中相隔的距离比较大，其相互作用比较小，所以在掺量比较小时，钢纤维的形状对流动性的影响并不明显，但是，随着钢纤维掺入量的增大，微细钢纤维在基体中的相互作用变强，主要是钢纤维形状在其中起到了作用。

(2) 钢纤维的增韧效果为：端钩形>平直形>波纹形，对于体积掺量为2%的不同种类钢纤维中，波纹形、平直形、端钩形对UHPC强度的抗压强度分别提升了45.90%、53.36%、59.35%。平直形、端钩形相比波纹形提高了8.83、16.06 MPa。其主要的原因是钢纤维的形状改变了钢纤维与基体的黏结力，使得UHPC基体的内部受力不一样，因此三向受力的受压混凝土构件的横向约束就会有差异。其中波纹形之所以低于平直形，主要是由于其长度只有端钩形、平直形的8/13，在钢纤维基体内部不能产生足够的黏结力，所以其内部的抵抗横向受力的作用不强，导致抗弯抗折强度比平直形都要低一些。

极限应变很小是混凝土脆性的主要原因，当混凝土受力开裂时，裂缝会迅速发展并贯穿整个试件，导致结构瞬间开裂破坏，极具安全隐患。适量地加入钢纤维后，混凝土的部分受拉应力由钢纤维与基体间的剪切应力承担，试件开裂后受拉应力更是全部由钢纤维与基体的剪切应力承担，而其中的剪切应力主要来自于钢纤维与UHPC基体的黏结力，不同钢纤维的类型对黏结力的影响不同，从而导致其剪切应力不同，进而导致不同钢纤维对抗折性能的影响也不同。有关文献指出，在受拉破坏时，与普通混凝土相比，裂缝口处因钢纤维的桥搭作用，其韧性和抗拉强度有很大提升，其破坏方式为钢纤维被拉出破坏，而非拉断破坏。

(3) 当钢纤维掺入量为2%时波纹形、平直形、端钩形UHPC抗折强度相对于素混凝土分别提高了40.9%、53.0%、61.9%。对于不同的钢纤维形状来说，平直形钢纤维UHPC相对于波纹形抗折强度提高了8.6%，端钩形钢纤维UHPC相对于平直形抗折强度提高了5.8%。因此，端钩形钢纤维UHPC相对于平直形和波纹形来说，抗折强度提高最大。

2.3 水胶比对UHPC性能的影响

砂胶比为1.0时，不同水胶比的UHPC的塌落扩展度、力学性能结果如表7所示。

表7 不同水胶比对UHPC性能的影响

由表7可以看出：

(1) 水胶比越大时，UHPC的工作性能越好，当水胶比从0.14增大到0.19时，UHPC扩展度从487.5 mm升高到了760.5 mm，扩展度提升了56%，水胶比的增大提高了用水量，使得颗粒间水分子增多，促进了其流动性。但当水胶比大于0.19时，UHPC流动度过大，浆体趋于液态，使其工作性能大大减弱。

(2) 随着水胶比的增大，7 d抗压和抗折强度都有下降趋势。当水胶比从0.14提升到0.19时，抗压强度从128.43 MPa下降到了113.66 MPa，同比下降了11.5%，抗折强度从26.65 MPa下降到了17.14 MPa，同比下降了35.68%，因为UHPC水化反应大多发生在早期，由于水胶比较高时，在活性粉末水化反应完成后，还会有很多多余的水分存在于孔隙中，当孔隙中的水分被蒸发时，在基体中留下了大量的空隙，使得实际有效受力面积下降，强度下降。而低水胶比，在保证正常的工作性能的前提下，能有效地降低基体空隙率，提高基体的堆积密度，体内的钢纤维与混凝土有更好的咬合力。

2.4 砂胶比对UHPC性能的影响

在水胶比为0.18，砂胶比为1.0、1.1、1.2、1.4、1.6时，UHPC的性能试验结果如表8所示。

表8 不同砂胶比对UHPC性能的影响

由表8可以看出：

(1) 随着砂胶比增大，UHPC的流动性呈下降趋势，砂胶比从1.0提升到1.6时，扩展度从750下降到了230 mm，总体下降了69.3%，随着砂胶比的增大，实际上水的掺入量是减少的，另外由于石英砂都是机制破碎而成，颗粒呈不规则的棱角分明的多面体形状，这会阻碍UHPC的流动，随着石英砂含量的增加，这种阻碍性会越来越明显。当砂胶比为1.6时，UHPC几乎没有流动性，并且在浇筑时难以成型。

(2) 随着砂胶比的增大，抗压、抗折强度呈现出先上升后下降的趋势，砂胶比为1.2时，力学性能表现最好，7 d标准养护的抗压强度和抗折强度分别达到了128.76、28.69 MPa。当砂胶比较小时，凝胶材料用量很大，浆体较多，容易出现离析现象，当砂胶比较大时，胶凝材料用量很少，浆体较少，不能很好地包裹骨料和填充骨料间的间隙，使得有效受力面积下降，力学性能相继下降。

3 结论

(1) UHPC的工作性能随着钢纤维的掺量增加而下降，当掺量为0～2%时，混凝土的工作性能下降缓慢，掺量大于2%时，工作性能下降较快。因为掺量小时主要是钢纤维与浆体的黏结性能增大而降低了流动性，掺量较大时主要是钢纤维在浆体中的骨架作用而降低了流动性，后者影响大于前者，所以钢纤维掺量大于2%时工作性能下降较快。

(2) 掺不同种类钢纤维的UHPC力学性能排序为：端钩形>平直形>波纹形，其主要原因是钢纤维的形状改变了钢纤维与基体的黏结力，使得UHPC基体的内部受力不一样，因此三向受力的受压混凝土构件的横向约束就会有差异。

(3) UHPC的塌落扩展度随着水胶比的增大而升高，而其力学性能表现相反，在保证其良好工作性能的同时，达到最佳的力学性能，该文试验的最佳水胶比为0.17。

(4) 随着砂胶比的增大，塌落扩展度呈现下降趋势，而力学性能则先上升后下降，在砂胶比为1.2时，力学性能表现最佳。