超高性能混凝土工作性能及力学性能影响因素研究

李爽，李云军，沈锐，韩昊，余林文，杨长辉

（1重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030；2重庆天维绿色建筑技术开发有限公司，重庆 400700；3中建西部建设建材科学研究院，四川成都 610094；4中交二航局第二工程有限公司，重庆 630042）

0 引言

20世纪90年代，法国Richard等人[1]发明了一种新型超高性能水泥基复合材料，活性粉末混凝土 （reactive powder concrete），简称RPC。活性粉末混凝土具有胶凝材料用量大、强度高等特点。根据强度不同，RPC可以分为RPC 200和RPC 800两级，分别指强度达到200MPa和800MPa以上的活性粉末混凝土。由于RPC被Richard所在的法国Bouygues公司注册了专利，为了避免知识产权纠纷，学术界将该类产品称为超高性能混凝土（ultra-high performance concrete），简称UHPC。 UHPC具有强度高、韧性好、耐久性优异等性能特点，用于结构工程中可大大降低结构自重，提高结构服役寿命，具有极高的应用价值和潜力[2]。

一般来说，UHPC水灰比极低（通常小于0.2），胶凝材料等粉体材料用量大，外加剂掺量大，导致UHPC具有粘度大的问题。降低UHPC粘度、提高其流动性，有利于提高施工效率、降低施工强度、加快施工速度，对于推动UHPC的工程应用具有重要作用。目前国内外学者[3-11]针对如何降低UHPC粘度、增大流动度开展了大量研究，能够制备出跳桌流动度200mm以上、标准养护28d或90℃热养护2～3d，抗压强度超过了150MPa的UHPC。不同地区原材料性能差异巨大，本文研究的目的在于利用川渝地区原材料，通过调整水胶比、砂的种类和粒径分布、硅灰种类以及加入消泡剂等手段降低UHPC粘度，提高流动性及抗压强度，配制出流动度大于200mm、抗压强度高于150MPa的活性粉末混凝土。为制备高流动性高力学性能的UHPC提供理论依据和参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

采用P.O.52.5级普通硅酸盐水泥，其密度为3.10g/cm3，比表面积为399cm2/g，中位粒径为16.6μm。所用矿粉为S95级矿粉，密度为2.88g/cm3，比表面积为453cm2/g，中位粒径为13.8μm。石英粉细度为600目，表观密度为2.65g/cm3，中位粒径为11.8μm。采用的超细粉煤灰密度为2.55g/cm3，中位粒径为7.9μm。水泥、超细粉煤灰、矿粉的化学组成见表1所示。采用了三种硅灰，分别为半加密、不加密和全加密硅灰，其主要性能如表2所示。

表1 原材料的化学组成 /wt%

表2 硅灰的主要性能

试验采用聚羧酸高性能减水剂，减水率高于40%。采用聚醚型消泡剂，推荐掺量为外加剂液体掺量的1‰～8‰。采用的钢纤维直径为0.2mm，长度为13mm。采用了3种单粒径的石英砂（含水率均小于0.1%），A石英砂细度为20～40目，表观密度为2.64g/cm3；B石英砂细度为40～70目，表观密度为2.65g/cm3；C石英砂细度为70～140目，表观密度为2.67g/cm3。

1.2 试验方法

搅拌：先将胶凝材料倒入搅拌锅中慢搅2min，再加入石英砂慢搅2min，然后加入80%水和外加剂，慢搅90s，停30s，刮净搅拌锅及搅拌叶片上所粘的材料，加入剩下的水和外加剂，继续慢搅2min，并在30s内加入钢纤维，然后快搅3min，搅拌完成。

成型：将UHPC拌合物倒入40mm×40mm×160mm的试模中，置于振动台上振动30s，用抹刀刮平，表面覆保鲜膜，室内（15℃～25℃）养护1d后脱模，然后将试块放入养护箱中，养护箱内温度为（90±2）℃，湿度不小于95%。2d后取出试件，冷却至常温，然后置于标准养护条件下养护至7d。按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T 17671-1999测定UHPC抗压强度（Fc）、抗折强度（Fl）。

采用高度为60mm，上下口内径分别为70mm和100mm的截锥圆模测试UHPC流动度，将截锥圆模置于平板玻璃上，在截锥圆模内填满新拌UHPC，插捣密实，用刮刀将表面刮平，轻轻提起截锥圆模，1min后读取UHPC的扩展度，将其作为新拌UHPC的流动度。参考Yu等人[12]提出的方法测试新拌UHPC的含气量，将新拌UHPC装入固定容器中，放入振动台振动30s，然后刮平测试容重，然后根据公式（1）计算新拌UHPC的含气量，式中ρ1为实际表观密度，ρ2为理论表观密度。

2 结果与讨论

2.1 消泡剂对UHPC性能的影响

拌合物含气量是影响水泥基材料工作性能及力学性能的主要因素，UHPC由于粘度大的问题，在搅拌过程中会引入大量气泡，从而对材料工作性能及力学性能不利。消泡剂的引入可降低泡沫弹性膜的强度从而破坏气泡稳定性，导致气泡破裂或合并，降低体系含气量，改善浆体流动性及力学性能。本节主要通过加入消泡剂调整UHPC含气量，研究不同水胶比条件下UHPC含气量对其坍落度、抗压强度和抗折强度的影响。 水胶比选取了0.171、0.187、0.203和0.220，A、B两组分别为基准组和掺消泡剂组，图1a所示为不同水胶比情况下有无消泡剂对UHPC含气量的影响，图1b所示为新拌UHPC的流动度，图1c和图1d为UHPC抗压强度和抗折强度。

图1 不同水胶比下空气含量对UHPC性能的影响

如图1a所示，当不掺消泡剂时，UHPC含气量随着水胶比的增大而显著增大；掺入消泡剂时，UHPC含气量无显著变化。当水胶比较小时，拌合物流动性差，搅拌过程中剪切应力大，使得气泡无法稳定存在于新拌UHPC中，随着水胶比逐渐增大，UHPC拌合物流动性增大，搅拌过程中会引入一些气泡稳定存在于拌合物中，从而使得不掺消泡剂时拌合物含气量增长明显。掺入消泡剂以后，虽然水灰比增大使得搅拌过程中会形成一些气泡，但是消泡剂在流动性高的砂浆中可以更好更均匀的分散，更好地发挥其消泡效果：一方面分散均匀的消泡剂渗透进入泡沫弹性膜并且在膜中分布，通过表面张力的降低导致薄层破裂，另一方面分散均匀的消泡剂渗透进入泡沫薄层并且形成单分子膜，使其附着力降低，气泡破裂，从而使得UHPC拌合物含气量降低。

图1b所示为水胶比和消泡剂对UHPC流动度的影响，可以看出有无消泡剂时，UHPC的流动度均随水灰比增大而增加，同水胶比条件下掺入消泡剂使得UHPC流动性略有下降。从图1c、图1d可以看出，随着水胶比的增加，A、B两组试件的抗压强度、抗折强度均随水胶比增大而逐渐降低，水胶比增大会增加界面过渡区宽度和孔隙率，降低基体密实度，使强度降低。但随着消泡剂的加入，UHPC抗压强度和抗折强度均明显得到改善，其中抗折强度改善效果更为明显。这主要是由于消泡剂的加入使得UHPC大气泡和气孔破灭，从而使强度得到改善，而混凝土抗折强度对气孔缺陷的存在更为敏感，因此消泡剂的掺入使得抗折强度提升效果更加明显。

2.2 骨料级配对UHPC性能的影响

为消除粗骨料和浆体界面过渡区内存在的缺陷对UHPC强度等性能的不利影响，UHPC通常仅采用小于4.75mm的细集料作为骨料。本节研究三种不同粒径的石英砂搭配对UHPC含气量、流动度以及力学性能的影响，共采用了四种不同砂的组合， 包括A∶B的混合比例0.5∶0.5，A∶C的混合比例0.5∶0.5，B∶C的混合比例为0.5∶0.5，以及A∶B∶C的混合比例为0.25∶0.25∶0.5。图2a所示为不同骨料组合的紧密堆积密度及制备的UHPC流动度，可以看出UHPC流动度与细骨料堆积密度间无明显关系。图2b和图2c分别为细骨料组合对UHPC含气量及抗压、抗折强度的影响，随着砂的堆积密实度的提高，UHPC的抗压、抗折强度先提高后降低；A+B+C组合强度最高，含气量最低，表明此种粒径搭配使骨料之间相互填充，有更佳粒径分

布，体系缺陷降低，含气量减少，强度较高；A+C组合制备的UHPC力学性能较A+B+C和B+C组合差，但较A+B组合好；骨料颗粒粒径越大[13-14]，UHPC的缺陷越大，强度越低，一般UHPC的骨料紧密堆积密度越大，体系匀质性越好，UHPC强度越高。由于A+C组合为间断级配，骨料的整体颗粒粒径大于A+B+C和B+C组合，使基体缺陷增多，并且A+C组UHPC空气含量最大，即使A+C组紧密堆积紧密度大，但是其抗压强度仍然小于A+B+C和B+C组。

2.3 硅灰种类对UHPC性能的影响

分别采用I1半加密硅灰、I2不加密硅灰和I3全加密硅灰配制UHPC，研究不同种类硅灰对UHPC流动度、含气量、抗压强度及抗折强度的影响，试验结果见图3。从图3a可以发现，三类硅灰制备的UHPC含气量无明显区别，流动度按大小顺序则依次为I1半加密硅灰＞I3全加密硅灰＞I2不加密硅灰；从图3b中可以看到，抗压强度按大小顺序依次为I2不加密硅灰＞I1半加密硅灰＞I3全加密硅灰。I2不加密硅灰流动性差但抗压强度高，主要原因可能是，硅灰I2的比表面积最大，需水量大，增加了拌合物粘度，因此其制备的UHPC拌合物流动度最差[5]。但由于I2不加密硅灰粒径最小且最容易分散，在基体中可填充孔隙使基体更加致密，因此其抗压强度最高。硅灰I1和硅灰I3经过加密，在搅拌过程中不易分散，颗粒之间聚集成团，使其比表面积减少，吸附性能减弱，对水的需求量降低，但颗粒团聚也导致其填充性较I2更差，因此在相同水胶比下，其具有更高流动性，但强度却更低。综合来看，不加密硅灰虽抗压强度高，但流动性差；全加密硅灰虽流动性好，但抗压强度低；而半加密硅灰在更好流动度条件下抗压强度也满足要求，更适合制备UHPC。

2.4 砂胶比对UHPC含气量及力学性能的影响

本节主要研究了砂胶比分别为0.8、1.0和1.2时UHPC的流动度、含气量及力学性能。图4a所示为砂胶比对UHPC流动度和含气量的影响，可以看出随着砂胶比从0.8提高到1.2，覆盖在细骨料表面的净浆层厚度降低，颗粒间摩擦力增大，试件内部缺陷增加，使得其流动度从245 mm下降到170 mm。而随着UHPC砂胶比增大，其空气含量从1.8%增加到2.1%，这是由于砂胶比增大，砂子总比表面积增加，吸附水分增多，导致浆体粘度增加，在拌合过程中引入更多气体，使含气量增大。除此之外，砂胶比较大时，意味着浆体相对较少，不能填充于骨料孔隙或不能很好包裹骨料表面，导致基体孔隙率增加，含气量也相应增大。图4b所示为砂胶比对UHPC抗压强度和抗折强度的影响，可以看出UHPC抗折强度随着砂胶比的提高呈增加的趋势，而抗压强度则略有降低。

图4 砂胶比（S/B）对UHPC性能的影响

3 结论

（1）当水胶比较大时，使用消泡剂可明显降低UHPC拌合物的含气量；加入消泡剂使得UHPC抗压强度和抗折强度对水胶比的敏感性降低；消泡剂的加入可消除UHPC拌合物中的大气泡，从而使得UHPC抗折强度明显改善。

（2）连续级配的细骨料可明显提升UHPC的密实度，提高其流动度及力学性能。

（3）硅灰加密状态对UHPC流动度和力学性能均有明显影响，采用不加密硅灰制备的UHPC流动度差，但抗压强度和抗折强度最高；采用半加密硅灰制备的UHPC流动度最大。

（4）砂胶比在0.8～1.2范围内，UHPC流动度随砂胶比增大而降低，砂胶比对抗压强度无明显影响，而抗折强度则随砂胶比增大而明显提高。