基于最大密实理论的UHPC配合比设计研究

2021-11-08黄利友耿嘉庆

西部交通科技 2021年8期

黄利友，耿嘉庆

(广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)作为一种性能优异的水泥基材料，因其有超高强度、高耐久性、高韧性及良好的体积稳定性等性能，受到国内外研究人员的广泛关注，且已经应用于大跨径桥梁、抗爆结构和薄壁结构等特殊结构。但其配合比设计的具体方法以及成型、养护条件的设定却缺少具体可参考的规范依据。本文以某大桥UHPC(设计抗压强度标准值为120 MPa)桥面铺装为工程依托，提出了基于最大密实理论的UHPC配合比设计方法，并总结出了UHPC试件具体的成型方式和养护方式。

1 原材料

为满足UHPC的超高强度、高工作性及高耐久性的要求，UHPC对原材料的选取较为苛刻。本文选用的原材料分别为硅酸盐水泥、硅灰、矿渣粉、粉煤灰、石英砂(粗)、石英砂(细)、石英粉、钢纤维、高效减水剂以及水。

1.1 硅酸盐水泥

水泥为英德海螺水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。

1.2 硅灰

硅灰均由山东三垚新型建筑材料有限公司生产，此种硅灰的外观形状呈灰白色粉末状，粒径的均值为0.1μm。

1.3 矿渣粉

矿渣粉由广东某新型建材有限公司生产，型号为P8000。

1.4 粉煤灰

粉煤灰由广东某粉煤灰工程设备有限公司生产，外形为灰色粉末。其表观密度实测值为2.6 g/cm3。

1.5 石英砂(粗)

石英砂(粗)为16～26目，其堆积密度为1.62 g/cm3，表观密度为2.63 g/cm3。

1.6 石英砂(细)

石英砂(细)为26～40目，其堆积密度为1.51 g/cm3，表观密度为2.64 g/cm3。

1.7 石英粉

石英粉的掺加可以更好地填充UHPC水化产物的孔隙，使其具有稳定的化学性能。本文掺加的石英粉为机制石英粉，其粒径为5～50μm，325目。其表观密度实测值为2.65 g/cm3。

1.8 钢纤维

本文选用的钢纤维主要性能参数如表1所示。

表1 钢纤维主要性能参数表

1.9 高效减水剂

本试验中采用的高效减水剂是由某国外公司生产的聚羧酸系高性能粉体减水剂，减水率>40%。其特点是不仅对胶凝材料凝结时间影响较小，同时其与胶凝材料适应性也较佳。

2 基于最大密实理论的UHPC配合比设计方法

本文在参考借鉴传统混凝土配合比设计思路的基础上，还借鉴了国内外学者的超高性能混凝土文献数据、《活性粉末混凝土》(GBT31387-2015)[1]、陈建奎教授的《高性能混凝土配合比设计新法——全计算法》[2]等规范及文献，提出了基于最大密实理论的UHPC配合比设计方法：(1)基于试验数据的拟合确定UHPC配制强度与水胶比的定量关系，而后依据配制强度来确定水胶比；(2)基于最大密实理论确定UHPC中各骨料的单位用量；(3)在综合前两步已确定的水胶比和UHPC中各骨料单位用量的前提下，依据绝对体积法确定单位用水量和各胶凝材料的用量；(4)确定UHPC的初步配合比。

2.1 UHPC配制强度与水胶比的定量关系确定

本文参考当石英砂作为骨料填充时国内外文献实验数据[3-7]，并以此来拟合水胶比与UHPC在标准养护条件下标准龄期抗压强度的定量关系。本文参考文献中胶凝材料总量包括水泥用量及矿物掺合料用量之和，所用水泥强度等级均为P·O42.5及P·O42.5R。由于钢纤维的掺入会在一定程度上提升UHPC的立方体抗压强度，本文参考的试验数据均为未掺加钢纤维基准组强度。本文所选用的拟合工具为Matlab拟合工具箱，拟合UHPC标准龄期抗压强度与水胶比的关系。其中，参考文献实验数据如表2所示。

表2 水胶比与强度实验数据表

利用Matlab拟合工具箱拟合表2的试验数据，拟合结果如图1所示，拟合公式为式(1)：

图1 UHPC标准龄期抗压强度与水胶比的实验数据拟合图

(1)

式中：fcu,o——混凝土标准龄期抗压强度；

fce——水泥的实测强度；

最终拟合公式如式(1)所示。该公式的置信区间为95%，其中R的平方为0.992 7，接近于1(统计学概念中，一般认为R的平方超过0.8的模型拟合度较高)，因此对实验数据的拟合精度较高。

在此基础上，参考《活性粉末混凝土》(GB T31387-2015)中活性粉末混凝土配制强度的公式：

fcu,o≥1.1fcu,k

(2)

式中：fcu,o——活性粉末混凝土的配制强度；

fcu,k——活性粉末混凝土立方体抗压强度等级值。

其中，本文预配制的用于桥面铺装的UHPC强度的设计值为120 MPa，依据式(2)，超高性能混凝土的配制强度应≥132 MPa。当水胶比为0.18时，依据式(1)求得标准龄期抗压强度为121.6 MPa。但是，当UHPC基体中掺入2%体积掺量的钢纤维后，相较于UHPC基体，其标准龄期立方体抗压强度可以提升约12%[8]。则当水胶比为0.18时，本文理论上配制强度可以达到136.2 MPa，满足强度设计值及配制强度的要求。本文初定水胶比为0.18。

2.2 基于最大密实理论确定骨料用量

经查阅文献，为满足UHPC较高的配制强度及较好的工作性能，UHPC骨料的总量一般都介于800～1 400 kg/L之间[7-8]。本文暂定骨料总量，包括石英砂(粗)、石英砂(细)及石英粉总用量为1 100 kg/m3。

相较于普通混凝土配合比设计，UHPC骨料的级配及粒径范围暂无明确界定。而在工程实践中，集料的最大理论密度曲线为级配指数n=0.45的级配曲线，对应本文已选用骨料的筛分试验结果，本文尝试采用最接近最大理论密度的级配曲线来确定各集料的掺入比例。其中，当满足最大理论密度时，集料颗粒在筛孔上的通过百分率应满足式(3)。

(3)

式中：P——集料颗粒在筛孔尺寸d上的通过百分率(%)；

d——集料颗粒的筛孔尺寸(mm)；

D——集料的最大粒径(mm)；

n——级配指数，当满足最大理论密度时，取值为0.45。

利用规范求解来确定合成级配中各集料的掺入比例，目标函数采用误差平方和的最小值，即最大理论密度与合成级配差值的最小值。最终合成级配及理论级配的数值如表3及图2所示。

表3 UHPC骨料级配规划表

图2 UHPC骨料合成级配曲线图

通过最大密实理论，本文可以确定各种粒径范围内骨料的最优掺入比例。其中，石英砂(粗)、石英砂(细)及石英粉的掺加比例分别应为35%∶35%∶30%，在此情况下集料所合成的合成级配最为接近最大密实理论。又由于骨料的总掺量为1 100 kg/m3，可最终确定石英砂(粗)、石英砂(细)、石英粉在配合比中的用量分别为385 kg/m3、385 kg/m3、330 kg/m3。

2.3 基于绝对体积法确定单位用水量及各胶凝材料的用量

基于陈建奎教授的高性能混凝土全计算法，本文采用全计算法确定UHPC配合比设计中的单位用水量及胶凝材料的用量。在单位体积的UHPC中，UHPC的总体积包括了骨料(不同粒径范围的石英砂、石英粉)、水泥、硅灰、矿渣粉、粉煤灰、水、高效减水剂以及空气的体积之和。各掺合料的体积应满足关系式(4)和式(5)：

Ve=Vw+Vc+Vf+Va

(4)

Ve=1 000-Vs

(5)

式中：Ve——单方UHPC配合比中砂浆的体积；

Vw——单方UHPC配合比中单位用水量；

Vc——单方UHPC配合比中水泥用量；

Vf——单方UHPC配合比中矿物掺合料的总用量；

Va——单方UHPC配合比中空气的体积；

Vs——单方UHPC配合比中骨料的总体积。

其中，骨料体积包括不同粒径石英砂的体积及石英粉的体积。由于前述步骤已经确定了各骨料的掺量，且参考原材料性能中各骨料的表观密度，可以计算得知骨料的总体积。由于UHPC配置过程中不可避免地引入部分空气，UHPC中含气量介于0.86%～3.87%之间，因此本文暂定单位体积UHPC中空气体积占比为1.5%，由此可以计算得出骨料的总体积和空气的体积，见式(6)及式(7)。

Vs=385/2.63+385/2.64+330/2.65=416.75L

(6)

Va=15L

(7)

在UHPC配合比设计中，假定矿物掺合料(包括硅灰、粉煤灰、矿渣粉)在胶凝材料中的体积掺量为φ，则可以得知水泥与矿物掺合料的体积之比，见式(8)。

Vc∶Vf=(1-φ)∶φ

(8)

结合前期试验，已明确当水泥与矿物掺合料的体积之比为75∶25时，不仅能确保混凝土基体的工作性能最优，而且能使混凝土基体的强度得到有效的保证，于是可确定为φ=25%。

由原材料实验数据得知水泥的表观密度为3.15 kg/L，矿物掺合料的平均密度取值为2.75 kg/L，水胶比已确定为0.18，而后根据式(5)至式(10)，可计算得单方UHPC中单方用水量mw、单方水泥用量mc及单方矿物掺合料的总质量mf。

mw=201 kg；mc=867 kg；mf=252 kg；

通过上述步骤已基本确定UHPC配合比设计中各组分的掺量，仅剩下矿物掺合料中各组分占矿物掺合料总量的比例。硅灰的加入主要是增加UHPC的强度，而粉煤灰的加入主要是调节UHPC工作的流动性，矿渣粉的加入也在一定程度上改善UHPC的工作性能。依据项目前期试验，本文确定单方UHPC中矿物掺合料硅灰用量为152 kg/m3、粉煤灰用量为50 kg/m3、矿渣粉用量为50 kg/m3时，所配制的UHPC力学强度及工作性能相对较优，因此本文最终确定的初步配合比如表4所示。

表4 UHPC初步配合比表(kg/m3)

在此初步配合比情况下，UHPC抗压强度标准值可达到120.4 MPa。当UHPC基体中掺入2%体积掺量的钢纤维后，相较于UHPC基体，其标准龄期立方体抗压强度可以提升约12%[8]，则本配合比在掺入钢纤维后理论上抗压强度标准值可以达到134.8 MPa，可以满足设计强度要求。

经试验验证，本配合比在添加2%钢纤维后，立方体抗压强度标准值可达到131.56 MPa，可以满足广东清远北江四桥桥面铺装UHPC强度设计的要求，本配合比可以作为广东清远北江四桥桥面铺装UHPC的初步配合比。

3 试件制作及养护

3.1 试件制作

本文试件制作方法是先将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、石英粉、石英砂、减水剂加入震荡式拌和机，干拌120 s，而后将钢纤维通过筛网，保证钢纤维在拌和机中均匀分散，再次启动震荡式拌和机，干拌30 s。随后按配合比设计加入定量的水，加入水后再次启动震荡式拌和机，湿拌60 s。搅拌结束后，出料立即成型。具体步骤说明如下：

(1)与普通混凝土的拌和方式不同，由于UHPC水胶比极低且胶凝材料组分较多，若干拌的时间不够充分，则高效减水剂及胶凝材料在搅拌机中无法分散均匀，当加入水后，可能导致减水剂分散不均匀，无法起到很好的减水效果，也可能导致部分胶凝材料在成型过程中没有充分的自由水来裹覆，使UHPC在养护过程中胶凝材料无法参与水化反应，最终致使UHPC的强度下降。因此，UHPC的配制过程中应加长干拌时间。本文所用的搅拌机为震荡式拌和机，搅拌效果较好，最终确定干拌的震荡搅拌时间为120 s。

(2)钢纤维在UHPC中的分散无论是在施工中还是实验室实验中都尤为重要，为保证钢纤维的均匀分散，干拌结束后，在搅拌的同时，利用定制规格的筛网将钢纤维筛入拌和机，以此来达到钢纤维在UHPC中充分分散的目的，再次震动搅拌30 s。

(3)UHPC之所以能达到较高的配制强度，主要是由于其极低的水胶比，因此水的加入显得尤为重要。在干拌加入钢纤维结束后，在震动搅拌的过程中均匀地加入水，继续震动搅拌湿拌30 s。由于本文所选用的减水剂减水效果显著，若湿拌时间过长，则UHPC流动性会显著增强，但后期强度反而有所下降。经多次试配，本文最终确定湿拌时间为30 s。

(4)搅拌完毕后，立即成型。在成型的过程中，将试模分两层浇筑成型，在浇筑完一层后，用刮刀插捣，而后浇筑第二层，再次插捣，以此来保证试件的密实程度。

3.2 试件的养护

除了养护制度对UHPC试件力学性能有很大的影响外，养护时的温度、持续时间、养护过程中施加的压力等也对UHPC的力学性能有着非常显著的影响。根据不同的强度测试结果，本文最终确定试件成型完毕后，放置于标养室内，标准养护2 d后脱模。试件脱模后，放置于蒸养箱中采用蒸汽养护。蒸养箱温度设定为85 ℃，控制蒸养箱温度上升速率，保证约10 h左右蒸养箱温度能从室温升温至设定温度85 ℃。从试件放入蒸养箱开始计时，蒸汽养生3 d后，关闭蒸养箱，待蒸养箱温度降低至室温后，将试件从蒸养箱中取出，而后将试件放置于标养室采用标准养护。

3.3 试件的制作及养护效果

UHPC试件的制作需解决的关键问题是钢纤维不均匀分散的问题。经多次试配和拌和，依据本试验步骤所拌和的UHPC试件，可以很好地解决UHPC拌和过程中钢纤维的不均匀分散问题，使得最终成型试件中的钢纤维分散均匀，在很大程度上减少不同试件之间强度的离散性。

UHPC试件的养护需解决的关键问题是UHPC试件在养护过程中的自收缩问题。由于UHPC中胶凝材料用量远大于普通混凝土，在养护过程中，随着胶凝材料水化作用的进行，UHPC试件可能会产生较大的自收缩变形。经多组平行试验验证，在本试验所确定的蒸汽养护条件下，可以在很大程度上补偿UHPC的收缩变形，在提升试件早期强度的同时还能大大地减小UHPC试件养护过程中的收缩变形。