不同搅拌工艺下UHPC配合比设计及性能分析*

李 凯，张飞龙，魏丙华，李昕成，张红杰，张梦荻

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037； 2.许昌德通振动搅拌科技股份有限公司，河南 许昌 461000； 3.云南省建筑科学研究院有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

随着社会的发展，人们对混凝土工程结构的品质要求越来越高，与普通混凝土相比，超高性能混凝土(UHPC)的各项性能均可得到大幅度改善，但其配合比无系统的设计方法，大多数是根据前人的经验，经优化后得到较佳的力学性能最终确定配合比。与传统强制搅拌相比，振动搅拌一方面使混合料中的胶凝材料在宏观和微观上实现更加均匀的分布状态；另一方面可缩短搅拌时间，提高混凝土强度和长期耐久性能。UHPC水化过程需高温高湿养护，但保证现场的养护条件花费较高，合适的养护条件也是UHPC施工的关键环节。

何峰等在未掺加纤维的情况下，制备出流动性好的超高强混凝土，研究了原材料及配合比对活性粉末混凝土强度的影响。万朝均等采用超低水胶比和高强水泥在常温养护条件下制备UHPC，研究了不同影响因素对其力学性能的影响。李传习等针对UHPC，通过对比强制搅拌和振动搅拌，研究振动搅拌对UHPC施工及力学性能的影响。目前振动搅拌技术较多应用于普通混凝土搅拌，对于UHPC使用振动搅拌的相关文献还较少。

因此，本文基于多元胶凝体系流动度试验确定胶凝材料比例，采用修正的Andreasen法计算天然砂级配，从而优化UHPC配合比设计；同时，引进使混凝土搅拌更加均匀的新技术即振动搅拌技术，希望通过优化的配合比和振动搅拌获得性能更好的UHPC，后期又研究了养护条件与2个技术的耦合，最终提出采用振动搅拌方式实现UHPC的最优工艺方法。

1 原材料

原材料主要有水、水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、天然砂、减水剂和钢纤维，其中水泥采用P·O 52.5水泥；硅灰外观为深灰色粉末，活性指数为99%；粉煤灰活性指数为78%；矿粉外观呈白色粉末，活性指数为103%；天然砂最大粒径2.36mm、最小粒径0.3mm；采用的减水剂外观为白色流状液体；纤维采用平直型钢纤维，体积掺量均为2%。

2 配合比优化设计

2.1 胶凝材料比例

试验方法为：采用净浆搅拌机，投料顺序为：①掺加固定的减水剂(胶凝材料的1.5%)和固定质量的水(水的质量需根据实际材料调试，确保胶凝材料搅拌至平坦均匀的浆体)；②掺加350g胶凝材料的混合料；③慢搅1min，高速搅拌1min，停止后将叶片、锅边缘和底部的拌合物刮下，高速搅拌5min；④将上述拌合后的胶凝材料进行流动性试验，确定流动性最佳的胶凝材料比例，如图1所示。

图1 胶凝材料比例确定试验

2.1.1确定水泥和粉煤灰二元胶凝体系浆体比例

按上述试验方法测得不同比例(5%，10%，15%，20%，25%，30%)的粉煤灰替代水泥时浆体的流动度，如表1所示，其中“—”表示胶凝固体材料未搅拌为平坦均匀的浆体，确定水泥和粉煤灰的比例。

表1 粉煤灰取代水泥后浆体的流动度

根据粉煤灰取代水泥后浆体的流动度试验结果确定水泥和粉煤灰的比例为0.90∶0.10。

2.1.2确定水泥、粉煤灰和矿粉三元胶凝体系浆体比例

保持水泥和粉煤灰的比例为2.1.1节确定的比例(0.90∶0.10)不变，按上述试验方法测得不同比例的矿粉等量替代水泥和粉煤灰总量时浆体的流动度，如表2所示。

表2 矿粉取代水泥和粉煤灰后浆体的流动度

根据上述试验结果，确定矿粉的掺加比例为10%，此时，水泥、粉煤灰和矿粉的比例为0.81∶0.09∶0.10。

2.1.3确定水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰四元胶凝体系浆体比例

同样保持水泥、粉煤灰和矿粉的比例为2.1.2节确定的比例(0.81∶0.09∶0.10)不变，按上述试验方法测得不同比例的硅灰等量替代水泥、粉煤灰、矿粉总量时浆体的流动度，如表3所示。

表3 硅灰取代水泥、粉煤灰和矿粉后浆体的流动度

根据上述试验结果，考虑到硅灰取代量处于10%～15%，浆体流动性最好，因此矿粉的掺加比例取13%，此时，水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的比例为0.70∶0.08∶0.09∶0.13。

2.2 天然砂

天然砂粒径分为3个等级，即0.3～0.6mm(细)，0.6～1.18mm(中)，1.18～2.36mm(粗)，砂级配采用修正的Andreasen级配计算方法，即同时考虑最大和最小粒径的级配曲线表达式计算：

(1)

式中：dmax，dmin分别为固体颗粒中的最大和最小粒径；对于分布模量q的取值，有文献建议取0.22～0.25，本文取q=0.23。计算可得3种等级的天然砂质量比为0.39∶0.325∶0.285。

钢纤维掺量(体积分数)为2%，减水剂为2.25%，UHPC设计配合比为：水胶比∶水∶水泥∶硅灰∶粉煤灰∶矿粉∶天然砂∶钢纤维∶减水剂=0.18∶180∶700∶130∶80∶90∶1 220∶156∶22.5。

3 混凝土性能分析

1)试件制备、成型及养护 混凝土拌合物搅拌顺序为先将天然砂、钢纤维倒入搅拌锅内干拌1min，然后倒入胶凝材料(水泥、硅灰、粉煤灰和矿粉)干拌1min，最后加入溶有减水剂的水搅拌6min。将拌合物浇筑于100mm×100mm×100mm三联试模和100mm×100mm×400mm试模中，在振动台上振动5min。将成型的试件在温度为(20±2)℃下静止24h后拆模，再分别进行：①标准养护(温度(20±2)℃，湿度95%)28d；②热水养护(90℃)48h。

2)施工和易性 根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对拌合物进行试验，得到采用不同搅拌方式的新拌UHPC拌合物的坍落度、扩展度、拌合物状态和含气量等性能指标，其中ZD组为双卧轴振动搅拌组，PT组为强制搅拌组，测试指标如表4所示。

表4 拌合物性能指标

3)力学性能 按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对不同养护条件下到期的UHPC试块进行试验，得到采用不同搅拌方式的试块抗压强度和抗折强度力学性能指标，试件破坏形态如图2所示，试验结果如表5，6所示，UHPC随时间的强度发展曲线如图3所示，标准养护28d强度与热水养护强度结果对比如图4所示。

图2 试件破坏形态

图3 UHPC抗压与抗折强度时程发展曲线

图4 UHPC标养28d与热养48h强度试验结果对比

由上述试验结果可知，本文通过优化配合比制备的UHPC的施工和易性满足自流平要求，28d抗压强度均在100MPa以上，其28d抗折强度均在15MPa以上，可满足C100混凝土的使用要求。与普通搅拌下的UHPC结果相比，振动搅拌的试块强度普遍偏高。标准养护条件下3d与7d强度(包含抗压和抗折强度)分别占28d强度的66%～70%，84%～88%。对于28d抗压强度，标准养护条件下振动搅拌试块强度提高10%，热水养护条件下增大8.2%；对于28d抗折强度，标准养护条件下振动搅拌试块强度提高14.6%，热水养护下增大15.4%；整体来看，不管UHPC试块是在标准条件下养护还是在热水条件下养护，振动搅拌下抗压和抗折强度均大于普通搅拌，而抗折强度的增幅大于抗压强度增幅。

表5 UHPC标养3d与7d强度试验结果 MPa

表6 UHPC标养28d与热养48h强度试验结果 MPa

针对不同养护条件，热水养护48h的抗压和抗折强度普遍大于标准养护28d的强度。对于普通搅拌，标准养护28d的抗压和抗折强度分别占热水养护下的88.2%和85.3%，而振动搅拌标准养护28d的抗压和抗折强度分别占热水养护下的89.7%和92.8%。这是由于热水养护下试块处于高温状态，而高温对多元胶凝材料体系中的矿物掺合料具有非常明显的热激发作用，特别对于硅灰的效应最为明显，从而提高了各掺料的反应程度，致使浆体结构更加致密，强度得到大幅度提升。因此，在UHPC施工过程中，建议尽量采用蒸汽养护，不仅可提高混凝土强度，还可缩短养护时间。

4 结语

1)按胶凝材料流动性优选原则，优化配合比后的UHPC施工和易性得到了保证，为UHPC其余性能的保证提供了巨大空间。

2)与普通搅拌的UHPC相比，振动搅拌条件下更具技术优势；在理论依据和试验数据支撑下，优化的UHPC配合比设计具有很好的应用价值。

3)对于UHPC的力学性能，振动搅拌下抗压强度增加幅度均大于抗折强度，热水养护48h下抗压和抗折强度普遍大于标准养护28d的强度。