不同配合比下UHPC的早期性能研究

2023-01-03龚致远顾炳伟邹金丽陈东阳

新型建筑材料 2022年12期

龚致远，顾炳伟，2，邹金丽，陈东阳

（1.江苏海洋大学土木与港海工程学院，江苏连云港 222002；2.江苏省海洋工程基础设施智能建造工程研究中心，江苏连云港 222002）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）以水泥和多种工业废渣作为多元胶凝体系，以钢纤维为增强相，采用常规制备技术，其拌合物具有流动性良好、力学性能和耐久性优异等特点，是一种新型生态绿色环保水泥基材料[1-3]。目前国内外学者对UHPC的工作性能和力学性能进行了大量研究[4-8]。但大多仅限于单一因素对于UHPC性能的影响，而多因素耦合对于UHPC早期性能的影响研究较少。

本文基于超高性能混凝土的制备原理设计出UHPC的基础配合比，采用扩展度、抗折和抗压强度试验，分析水胶比、粉煤灰、矿渣粉、硅灰和钢纤维掺量对UHPC工作性能和早期力学性能的影响，以期为UHPC的材料组成、配比优化及工程应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O52.5水泥，主要性能见表1；粉煤灰：Ⅱ级，主要技术性能见表2；矿渣粉：比表面积420 m2/kg，7 d活性指数81%；硅灰：SiO2含量90.5%，7 d活性指数119%；钢纤维：长度12.26 mm，长径比61，抗拉强度2886 MPa；砂：连云港当地河砂，细度模数2.87，经筛分后选用0.16~1.25 mm部分；减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率30%，固含量98%；水：自来水。

表1 水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰的主要技术性能

1.2 试验配合比

为分析UHPC的材料组成对其早期性能的影响规律，将水胶比以及粉煤灰、矿渣粉、硅灰和钢纤维掺量作为试验变量，其中粉煤灰、矿渣粉和硅灰掺量按占水泥质量计，钢纤维掺量以体积百分数计，减水剂掺量按占胶凝材料质量计。根据试验变量设计的试验配合比见表3。

表3 UHPC的试验配合比

1.3 试件制备与养护

试件制备：首先将称量好的水泥、砂、粉煤灰、硅灰和矿渣粉在卧式强制搅拌机（转速40 r/min）中干拌2 min，然后将溶入减水剂的水加入，继续搅拌6~10 min，最后加入钢纤维搅拌2 min。搅拌完成后，将拌合物装入40 mm×40 mm×160 mm试模进行振捣抹平，用薄膜进行覆盖，24 h后拆模。

试件养护：采用90℃热水养护至规定龄期。

1.4 性能测试

UHPC拌合物的扩展度按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，抗折及抗压强度按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对UHPC早期性能的影响（见表4）

表4 水胶比对UHPC早期流动性及强度的影响

由表4可见：

（1）水胶比对新拌混凝土的流动性影响较为显著。当水胶比为0.16时，UHPC扩展度为430 mm，拌合物过于粘稠，不易成型。水胶比为0.20时，拌合物的流动性得到改善，扩展度提高至720 mm。特别是当水胶比大于0.19时，用水量增多，骨料和钢纤维得到有效包裹，UHPC流动性呈现出随水胶比增大而提高的规律。

（2）相同龄期时，随水胶比的增大，UHPC的早期强度大致呈逐渐降低的趋势。7 d抗折强度在水胶比为0.20时最低，较水胶比为0.16的UHPC降低了21.3%；7 d抗压强度在水胶比0.19时最低，较水胶比为0.16的UHPC降低了14.9%。当水胶比过大时，基体孔隙中残余较多水分，使混凝土内部产生危害性气孔，造成试件有效受力面积减小，钢纤维与基体的界面过渡区会形成致使结构疏松的水膜[9]，进而影响界面区的密实性，导致强度的降低。而对于水胶比小的UHPC拌合物，内部水分较少，水化反应主要发生在胶凝材料表面，胶凝材料被完全包裹于水化产物下，距离很远的胶凝材料和骨料因此得到紧密连接，使得UHPC的匀质性得到提高。此外，低水胶比在一定程度上降低了浆体内部孔隙率[10]，提高了强度。当水胶比增大到0.20时，试件抗压强度略有回升，主要因为水胶比的增大改善了浆体的流动性，从而实现了自流平，有助于内部的气泡排出，弥补了UHPC强度的损失。此外，通过不同龄期力学性能的对比可以看出，UHPC的早期强度发展十分迅速，1 d抗折强度最低达到了23.22 MPa，抗压强度最低达到98.6 MPa，均超过了7 d强度的75%。

2.2 粉煤灰掺量对UHPC早期性能的影响（见表5）

表5 粉煤灰掺量对UHPC早期流动性及强度的影响

由表5可见：

（1）随粉煤灰掺量的增加，UHPC的扩展度逐渐增大。粉煤灰掺量从0增加到30%时，UHPC的扩展度从440 mm增大到500 mm。这是因为粉煤灰中的球形微珠表面光滑，在浆体中可以发挥较好的润滑作用，从而提高拌合物的流动性。同时粉煤灰的粒径分布与水泥接近，但反应活性却远小于水泥，减缓了早期水化反应的速度，一定程度上降低了用水量，粉煤灰对早期水化反应起到“解絮”作用[11-12]，改善了UHPC的流动性。

（2）随粉煤灰掺量的增加，UHPC的强度逐渐降低。粉煤灰掺量为10%、20%、30%时，UHPC的7 d抗折强度较未掺粉煤灰的基准组分别降低了3.2%、10.1%、9.8%，7 d抗压强度分别降低了9.2%、16.3%、14.9%。主要由于粉煤灰的反应较慢，作为矿物掺合料在早期主要发挥物理填充作用，且随着粉煤灰掺量的增加，浆体黏度减小，导致各材料间的粘接强度降低。

（3）热水养护7 d后，FA-30试件的强度高于FA-20试件，主要因为粉煤灰中的活性物质与Ca（OH）2等碱性物质发生反应，生成大量水化硅酸钙等胶凝物质，填充于内部孔隙，粉煤灰的二次水化反应消耗了大量Ca（OH）2，起到细化孔的作用，使水泥石更加致密。

2.3 矿渣粉掺量对UHPC早期性能的影响（见表6）

表6 矿渣粉掺量对UHPC早期流动性及强度的影响

由表6可见：

（1）随矿渣粉掺量的增加，UHPC的扩展度逐渐增大。矿粉掺量从0增加至10%时，UHPC的流动性出现较明显变化，扩展度从340 mm增大至380 mm。主要原因是矿粉颗粒虽与水泥相似但表面的保水能力不及水泥，在浆体中吸附自由水的能力较弱，致使流动性增强。当进一步增加矿渣粉掺量时，UHPC流动性增大趋势减缓，主要因为矿粉颗粒多棱角，表面不规则，润滑作用减小，致使流动性提高幅度降低。

（2）与掺入粉煤灰类似，掺入矿渣粉导致UHPC的1 d强度降低，特别是矿渣粉掺量为30%的Cr-30组试件，1 d抗折、抗压强度相较于基准组（Cr-0组）分别降低了7.1%、7.2%。由于矿渣粉的活性比水泥低，对UHPC孔隙的细化作用十分有限，因而导致1 d强度较低。但7 d强度却有明显提高，在30%掺量下出现最高抗折及抗压强度，分别为37.67、154.9 MPa，较基准组分别提高了11.7%、5.1%。主要因为热水养护可提高水化反应速率，使矿渣粉更迅速地发挥其火山灰特性，加速矿渣粉与Ca（OH）2的二次火山灰反应，促进水化产物的生成，有效降低基体内部碱含量，强化水泥-集料界面区结构，增强钢纤维与基体间的粘结性能，进一步提高UHPC的强度。

（3）与粉煤灰相比，掺入矿渣粉后UHPC的1 d强度下降幅度较小，且7 d强度提高效果更明显。因此，针对早期强度有较高要求的热养构件，可将矿渣粉的掺量适量增加。

2.4 硅灰掺量对UHPC早期性能的影响（见表7）

由表7可见：

（1）随硅灰掺量的增加，UHPC的扩展度呈先增大后减小的趋势。硅灰掺量为10%、20%、30%时，UHPC的扩展度较未掺硅灰的基准组（Si-0）分别增大了8.1%、14.0%、11.6%。掺入适量硅灰对UHPC工作性能改善有积极的效果，主要因为少量的硅灰在浆体中起到“滚珠”作用，有效降低浆体的屈服应力，并且在硅灰与高效减水剂共同使用时能产生“复合减水效果”[13]。在减水剂的作用下，硅灰表面裹覆着一层活性物质，使得硅灰颗粒与水泥颗粒间产生静电斥力，进而提高了浆体的流动性。当硅灰掺量增至30%时，浆体的流动性降低，由于硅灰颗粒较为细小，比表面积大，吸附性强，浆体的需水量增大，因此造成浆体过于黏稠，流动性降低。

（2）随硅灰掺量的增加，UHPC的强度均有一定的提高，但是提高幅度并不明显。硅灰掺量从10%增大到30%时，7 d抗折、抗压强度分别提高了4.3%、5.8%。

（3）与掺入粉煤灰、矿渣粉所表现出对早期强度影响不同的是，硅灰掺量的增加会促进强度的提高，主要因为硅灰作为超细粉末，活性较高，在热水养护条件下，很快发生二次火山灰反应，形成的C-S-H凝胶等物质进一步填充了体系中的有害孔隙，促进了强度的提高。造成在基准组强度较低的原因是：缺少硅灰时浆体的黏性降低，在相同时间内难以搅拌成型，需延长搅拌时间，导致大量空气进入，造成早期强度较低。因此硅灰对于UHPC的制备不可或缺。

2.5 钢纤维掺量对UHPC早期性能的影响（见表8）

表8 钢纤维掺量对UHPC早期流动性及强度的影响

由表8可见：

（1）随钢纤维掺量的增加，UHPC的扩展度迅速减小。这是因为增加钢纤维掺量导致UHPC浆体内部形成错综复杂的“纤维网”空间结构[14]，掺量越多，纤维网越复杂，浆体向四周扩散形成阻力也越大。同时单位体积浆体中的钢纤维总表面积增大，需水量增加，最终导致UHPC的流动性下降。

（2）随钢纤维掺量的增加，UHPC的强度显著提高。与基准组（SF-0组）相比，SF-3组的7 d抗折强度提高了128.7%，主要由于钢纤维自身具有增强、增韧、阻裂的效果，适量的钢纤维在浆体内部形成自传力体系，充分发挥桥接裂缝的作用，减小了裂缝的宽度和数量，有效提高了抗折强度[15-16]。由于钢纤维在受压时产生套箍作用，能与基体产生较大的咬合力，又因钢纤维结构硬度较大，在试件产生变形时，对其有很强的约束作用，因此7 d抗压强度提高了15.6%。