超高性能混凝土配合比优化设计研究

陈海棠

（1 中交一公局厦门工程有限公司；2 中交绿建（厦门）科技有限公司）

超高性能混凝土（UHPC） 具有强度高、韧性好、耐久性好的特点[1]，可以完美地解决目前混凝土存在的问题，尽管与普通混凝土的生产和制备相比，UHPC 的成本较高，但UHPC 仍是一种很有前途的建筑结构材料，因为它的强度高，能够在同等荷载条件下大大减少混凝土构件的截面积，减少水泥和其他胶凝材料的用量，节约成本[2]。极低的水灰比是保证UHPC性能的最重要因素，因此在保证UHPC 具有良好的工作性能的同时，降低水灰比是极其重要的。钢纤维作为UHPC 的主要增韧材料，也是与普通混凝土的主要区别之一，它直接影响到UHPC 的力学性能和工作性。因此，合理的配合比设计是保证UHPC 性能的前提，有必要针对UHPC 的配合比优化开展试验研究，旨在为UHPC 配合比设计提供一定借鉴。

1 原材料及试验方法

1.1原材料

水泥选用海螺P·Ⅱ52.5，标稠度用水量为27%，28d抗压强度为58.2MPa；硅灰选用广东某公司提供的S92级硅灰，比表面积为19000m2/kg，SiO2含量≥92%；矿粉选用济南某公司提供的S105 级矿粉，密度为2950kg/m3，烧失量为0.21%；骨料选用广东精选水洗石英砂，分为细、中、粗三种，其性能指标见表1；钢纤维选用江西某厂提供的镀铜平直型钢纤维，长径比为65～70，抗拉强度＞2800MPa；减水剂选用福建某公司提供的透明液体的聚羧酸减水剂，减水率≥35%，固含量为40%。

表1 精选石英砂性能指标

1.2试验制备及养护

抗压试件采用100mm×100mm×100mm 的立方体试件，抗折试件采用100mm×100mm×400mm的试件。

养护方式采用蒸汽养护的方式，具体养护工序如下：试件成型1 天后脱模编号，然后立即移送至蒸汽养护箱，控制养护箱升温速度为(10～15)℃/h，升温至70℃±5℃后保持恒温，恒温72h 后，保持降温速度为(10～15)℃/h降温至室温，随后移至标准养护室。

2 试验设计

2.1精选石英砂混合比例

超高性能混凝土的配制离不开最大堆积密度理论，因此，科学合理的配制石英砂级配是必不可少的，有助于超高性能混凝土配合比的优化设计。该试验分别设计不同比例的粗砂、中砂、细砂，以堆积密度为参考指标，具体试验步骤如下：

⑴确定混合比例：依据经验，确定三种石英砂的混合比例为6种，混合比例覆盖范围大。

⑵混合装杯：称量各比例石英砂，混合总量为1.2kg，充分混合，将混合后的石英砂装入1 升的量杯。正方体容器中，倒入大约一半时，振动30秒。

⑶混合均匀：用手捂住量杯口，上下倒转量杯数次，使混合砂在量杯中充分混合均匀。

⑷确定堆积密度：最后将量杯平放在桌子上，观察量杯内混合砂体积，计算混合砂的堆积密度。石英砂不同混合比例的堆积密度数据见表2。

表2 石英砂不同混合比例的堆积密度

2.2 UHPC基准配合比

文献[3]中给出常规超高性能的混凝土的配合比，以此为参考，选定石英砂粗、中、细的混合比例为5:4:3，并结合试验原材料的性能指标，经过试验验证，最终确定基准配合比，基准配合比的具体情况如表3所示。

表3 UHPC基准配合比

3 试验结果及分析

3.1水胶比对UHPC性能的影响

超低的水灰比是决定超高性能混凝土强度的重要因素，主要是通过高效减水剂来实现的，在满足混凝土工作性能的条件下，只要混凝土在振捣密实过程中能够充分振捣密实、随着水灰比的降低，混凝土的强度会出现相应的提高，我们称其为水灰比规律。

本试验选择水胶比分别为0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20 时，不同水胶比下UHPC 的力学性能和工作性能的变化，试验结果见表4。

表4 不同水胶比的试验结果

从表4 试验结果可以看出，随着水胶比的增大，UHPC 的工作性能就越好。当水胶比为0.14 时，UHPC 的扩展度为465mm，当水胶比为0.20 时，UHPC 的扩展度为785mm，扩展度增大了69%，增大效果明显，说明水胶比对扩展影响显著。分析其原因，当水胶比提高时，用水量也提高，使得UHPC 体系中的水分子增多，颗粒间润滑性变好，从而使流动性变好。

从表4 试验结果可以看出，3d 蒸养抗压强度和3d蒸养抗折强度均与水胶比呈正相关，且水胶比对UHPC的力学性能影响显著。当水胶比为0.14 时，UHPC 的抗压强度为168.6MPa，抗折强度为31.46MPa，当水胶比为0.20 时，UHPC 的 抗 压 强 度 为123.7MPa，抗 折 强 度 为23.47MPa，抗压、抗折强度分别下降了26.6%、25.4%，下降幅度明显，分析其原因，当水胶比较高时，UHPC 在早期阶段反应时，孔隙中会留存更多的水分，当水分蒸发后，留下了大量的孔隙，从而影响UHPC 基体的强度。但水胶比较低时，能有效降低基体中的孔隙，使混凝凝土基体与钢纤维有更好的咬合力，从而提高了强度。

3.2砂胶比对超高性能混凝土性能的影响

砂胶比作为混凝土的另一个重要参数，对保证混凝土的工作性而不产生离析或泥浆过少也起着非常重要的作用，砂胶比越大，往往力学性能越好。

本试验选择砂胶比分别为0.8、0.9、1.0、1.0、1.2、1.3、1.4 时，不同砂胶比下超高性能混凝土的力学性能和工作性能的变化，试验结果见表5。

表5 不同砂胶比的试验结果

从表5 试验结果可以看出，随着砂胶比增大，UHPC的流动性随之下降，当砂胶比为0.8 时，UHPC 的扩展度为705mm，当砂胶比为0.20 时，UHPC 的扩展度为435mm，扩展度降低了38.3%。分析其原因，保持配合比其他参数不变时，随着砂胶比的增大，UHPC 体系中每方的砂用量随之提高，一方面由于石英砂表面不规则，棱角多，用砂量越多，越阻碍UHPC 的流动性，另一方面石英砂表面会吸附水分子，进一步降低了UHPC 体系中自由水的含量，从而降低了拓展度。

从表5 试验结果可以看出，随着砂胶比的增大，抗压强度和抗折强度呈现出同步的先增大，后减小的变化规律，抗压、抗折强度均在砂胶比为1.1 时达到最高值，分别为157.8MPa、29.45MPa。分析其原因，当砂胶比小于最优值时，砂骨料较少，浆体较多，骨料的骨架作用小，强度就较低；当砂胶比大于最优值时，砂骨料较多，胶凝材料较少，浆体较多，浆体不能很好的包裹骨料和填充骨料间的间隙，力学性能降低。

3.3钢纤维对超高性能混凝土性能的影响

钢纤维的加入可以在基体中起到架桥作用，可以大大提高UHPC 材料的韧性，这也是UHPC 与普通混凝土材料的重要区别之一。然而，由于钢纤维的成本较高，为了提高其利用率。我们需要得到合理的钢纤维掺量，使其满足UHPC的力学性能，且成本不会太高。

本试验选择钢纤维掺量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%时，不同水胶比下超高性能混凝土的力学性能和工作性能的变化，试验结果见表6。

表6 不同钢纤维掺量的试验结果

从表6 试验结果可以看出，随着钢纤维掺量增加，UHPC 的扩展度随之下降，扩展度在钢纤维掺量为0～1.5%时的下降幅度较小，但钢纤维掺量大于等于2.0%时，扩展度的下降幅度就显著增加。分析其原因，钢纤维属于细长型，比表面积较大，当钢纤维掺量小于1.5%时，钢纤维占比UHPC 的体积比较小，且UHPC 中浆体充足，可以很好的包裹住钢纤维，带着钢纤维流动，但是，当钢纤维掺量增大后，钢纤维占比UHPC 的体积比较大，且钢纤维杂乱无章的分布，形成了骨架效应，极大影响了其流动性。

从表6 试验结果可以看出，随着钢纤维掺量增加，UHPC 的抗压、抗折强度均随之增大，其中，钢纤维掺量大于1.5%之后，抗压强度的变化不明显，而抗折强度显著与钢纤维掺量呈正相关，当钢纤维掺量为0 时，抗折强度为18.62MPa，当钢纤维掺量为3.0%时，抗折强度为38.42MPa，提高了106.3%，提高效果显著。分析其原因，一方面钢纤维在UHPC 基体中形成了劲性骨架，抗折时钢纤维相当于结构中的钢筋，可以大幅提高抗弯拉强度，另一方面钢纤维与浆体的粘结力进一步提高了UHPC整体的力学性能。

4 结论

⑴UHPC 的扩展度与水胶比呈正相关，在满足一定扩展度时，力学性能与水胶比呈负相关，试验显示合理的水胶为1.6～1.7。

⑵UHPC 的扩展度与砂胶比呈负相关，力学性能随砂胶比增大先上升后下降，最佳砂胶比为1.1。

⑶UHPC 的扩展度与钢纤维掺量呈负相关，力学性能与钢纤维掺量呈正相关，其中，钢纤维掺量大于1.5%之后，抗压强度的变化不明显，而抗折强度显著与钢纤维掺量呈正相关，钢纤维的合理掺量应该在1.5%～2%。