触变剂对超高性能混凝土性能的影响研究

2022-08-12刘子源李磊柯伟席成良民陈林邹伟

新型建筑材料 2022年7期

刘子源，李磊，柯伟席，成良民，陈林，邹伟

（1.武汉三源特种建材责任有限公司，湖北武汉 430080；2.武汉源锦建材科技有限公司，湖北武汉 430080）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力学性能和耐久性能，被广泛应用于轻质、高层、大跨度、高耐久性工程结构中[1]。随着材料研究和工程应用的进一步发展，横向坡与纵向坡UHPC建筑越来越普遍，UHPC在坡面硬化前在重力作用下会导致所成坡度消失或减小[2]，因此，减少UHPC在坡面硬化前无法保持与定型等现象变得至关重要。为了使UHPC满足抹坡后能良好保持形态坡度的特殊工况和功能要求，通过在UHPC中掺入触变剂来提高其触变性，进而实现UHPC在浇筑与振捣时具有良好的流变性能，便于施工，在抹坡处理后，具有良好的形状保持能力，便于坡度定性。

有研究表明，粉煤灰与微珠可降低胶凝材料浆体的屈服应力、塑性黏度与触变性[3-4]，硅灰会增大胶凝材料浆体的触变性[5-6]。高南箫等[7]的研究表明，油脂在碱性条件下制成的新型脂肪酸盐类触变剂对水泥浆体的触变性有良好的改善效果。目前大多数研究都是基于水泥浆体以及混凝土的流变性能研究，而针对低水胶比的超高性能混凝土研究较少。

本文研究了触变剂对UHPC工作性能、流变性及力学性能的影响，进而为触变剂在UHPC工程应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：华新水泥股份有限公司P·O52.5水泥，表观密度3210 kg/m3，比表面积384 m2/kg；微珠：深圳道特科技有限公司，表观密度2550 kg/m3，比表面积1690 m2/kg；超细矿粉：武汉武新新型建材股份有限公司，表观密度2500 kg/m3，比表面积1351 m2/kg，水泥、微珠和超细矿粉的主要化学成分见表1，水泥的物理力学性能见表2。石英砂：将细度模数分别为1.3和2.2的石英砂按1∶1的质量比混合得到；减水剂：江苏兆佳建材科技有限公司生产的PC8010粉体聚羧酸减水剂，减水率为23%；触变剂：广东龙湖科技股份有限公司OPTIBENT 602型触变润滑剂，主要成分为硅酸镁铝（3MgO·15Al2O3·8SiO2·9H2O），密度为800 g/L，含水量为9%～13%；钢纤维：长13 mm、直径0.2 mm，平直形。

表1 水泥、微珠和超细矿粉的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

1.2 混凝土配合比

本试验中UHPC的配合比如表3所示，水胶比为0.16，钢纤维体积掺量为基体的2%，触变剂掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

表3 UHPC基体的配合比 %

1.3 测试方法

（1）流动度与坡面流动度：流动度参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测试方法》进行测试，坡面流动度测试在一端垫高4 cm（8%坡比）的边长为50 cm玻璃板上进行，如图1所示。

（2）流变性与触变性：采用德国产eBT-V新浇混凝土流变仪的V模式，星形叶片探头，叶片半径为51.5 mm、高度为103 mm、测量池半径为122 mm。在不同剪切速率下考察触变剂对UHPC流变特性的影响。UHPC的流变性能采用修正Bingham流体模型描述，塑性黏度和屈服应力可以从角速度和测量的扭矩中计算得出。测试浆体流变参数的流变制度如图2（a）所示。流变制度测试时间为230s，在0～90 s内转速线性增大，随后转速呈现阶梯式下降。测试浆体触变性的制度如图2（b）所示，0～90 s内转速线性增大到40 r/min，随后转速线性减小至0，据此得到浆体的扭矩-转速滞回曲线（即触变环），根据触变环的面积来评价浆体的触变性。

（3）抗压强度：参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，标养7 d、28 d分别进行测试。

2 结果与讨论

2.1 触变剂掺量对UHPC流动性的影响（见图3）

由图3可见，掺加触变剂后UHPC的流动度均较未掺触变剂的空白组有所减小。其原因为触变剂中片层状的硅酸盐矿物材料在水中能够形成一种卡屋式的结构，这种结构可提高体系的基本黏度，但当受到的剪切力超过某一极限值时，该结构被破坏使黏度降低，体系可恢复良好的流动性。触变剂掺量越多，UHPC流动度下降趋势越强，当触变剂掺量为0.2%时，平面流动度与坡面流动度分别为242、260 mm，较空白组分别降低了12.8%、30.7%；当触变剂掺量为0.4%时，UHPC基本无流动性。

2.2 触变剂对超高性能混凝土流变性能与触变性的影响

采用Bingham模型分析计算掺钢纤维的低水胶比UHPC得到的屈服应力为负值，从物理意义上来说，UHPC的屈服应力应为正值，因此UHPC采用Bingham模型分析是不可行的，从而选择修正Bingham流体模型来计算UHPC砂浆的屈服应力和塑性黏度，屈服应力和塑性黏度由Reiner-Riwlin方程确定。

式中：T——扭矩，N·m；

N——转速，r/s；

τ0——屈服应力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

C——修正系数；

R1——测量池半径，51.5 cm；

R2——叶片半径122cm；

h——叶片高度，103 cm；

G、H——修正前拟合得到T-N直线的截距与斜率（修正前线性关系为T=G+H·N）。

图4为掺触变剂UHPC的流变曲线，可以看出，该模型拟合曲线与实测UHPC流变曲线具有较高的相关性，相关系数最小也可达到0.94239。

表4为根据拟合公式计算得到的UHPC屈服应力与塑性黏度。

表4 UHPC的屈服应力与塑性黏度

由表4可见，触变剂的掺入使UHPC的屈服应力与塑性黏度进一步增大，且随着触变剂掺量的增加，屈服应力与塑性黏度逐渐增大。与U0相比，U2的屈服应力与塑性黏度分别增大了19.0%与3.5%。

胶凝材料浆体的触变环面积，即触变性大小取决于浆体内部阻碍流动的絮凝结构的数量[8-9]。相同条件下，触变环面积越大，浆体的触变性就越大。掺触变剂的UHPC触变环如图5所示。

由图5可见，浆体的触变环面积大小存在差异，经计算，U2的触变环面积是U0的4.2倍，掺入触变剂的UHPC中形成了更多的卡屋式结构，触变环面积明显大于未掺触变剂组。触变剂的掺入提高了UHPC的触变性。

2.3 触变剂对超高性能混凝土抗压强度的影响（见表5）

表5 触变剂掺量对UHPC抗压强度的影响

由表5可以看出，在触变剂掺量为0.2%时，触变剂对UHPC基体的抗压强度影响较小，其标养28 d抗压强度较空白组下降了4.2%；当触变剂掺量继续增加时，UHPC的抗压强度下降程度明显，触变剂掺量为0.4%时，28 d抗压强度较空白组下降了23.4%。这主要与其工作性能有关，在相同配合比条件下，触变剂掺量超过0.3%时，流动度较差，基体中较多的气泡无法排出，使UHPC基体中有害气孔增加，影响基体的抗压强度。