超高性能混凝土(UHPC)的基本性能測試方法研究

魯 亞，閔洋洋，范忠輝，劉華明，趙 筠

(1.江西貝融超高性能混凝土技術有限公司,江西 南昌 330000;2.江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院,江西 南昌 330001)

0 引言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,簡稱UHPC),屬于現(xiàn)代先進材料,創(chuàng)新了水泥基材料(混凝土或砂漿)與鋼纖維、鋼材(鋼筋或高強預應力鋼筋)的復合模式,大幅度提高了鋼纖維和鋼筋在混凝土中的強度利用效率,使水泥基材料的全面性能發(fā)生了跨越式進步：具備了高密實度、超高強、高韌性和超高耐久性等特點[i],在工程結(jié)構及裝飾工程等領域應用越來越廣泛。

目前歐洲、北美、日韓、馬來西亞等國家和地區(qū)的UHPC技術已相對成熟,UHPC結(jié)構設計、材料檢測、施工、驗收等有關標準和規(guī)范基本完善。而中國處于廣泛研究和初步應用階段,UHPC的系列技術規(guī)范制定工作才剛剛起步,材料的性能檢測是關鍵,因此本文結(jié)合普通混凝土性能測試方法以及中國混凝土與水泥制品協(xié)會正在制定的《超高性能混凝土技術標準：基本性能與試驗方法》中的有關方法,探索出適合UHPC的簡便、準確的UHPC基本性能測試方法。

1 實驗

1.1 原材料及配合比設計

配合比設計見表1,本實驗設計兩種UHPC基體：A、B組為同一灰色基體,D組為白色基體?；疑w分別添加2.5%、5%體積摻量鋼纖維,白色基體添加3%體積摻量耐堿玻璃纖維,制作三種等級的UHPC。

A、B組所用原材料分別為525#普通硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂(≦2.36mm)、鍍銅微絲鋼纖維(長度在12-14mm之間,直徑在0.15-0.20mm之間,抗拉強度大于2850MPa)。

D組所用原材料分別為525#白水泥、硅灰、磨細石英粉、石英砂(≦2.36mm)、耐堿玻璃纖維(長度12mm,長徑比58,單絲直徑14-19μm,抗拉強度1700MPa,彈性模量72GPa)。三組減水劑均為聚羧酸型高效減水劑,減水率大于30%。

表1 配合比設計

1.2 試驗方法

1.2.1 成型、養(yǎng)護方式

按配合比設計要求稱取原材料,先將硅灰、砂投入高效率強制式攪拌機進行干拌1min,再加入其它固體材料進行干拌1min,充分混合后加2/3的水和減水劑進行攪拌2min,再加入剩下的水攪拌2min,最后邊攪拌邊加纖維,根據(jù)纖維類型和摻量的不同繼續(xù)攪拌約30s-1min后出機。

根據(jù)纖維類型和摻量的不同,不同等級對應不同的成型方式,具體成型方式見表2。養(yǎng)護方式統(tǒng)一采用熱養(yǎng)護,即90℃下進行48小時蒸汽養(yǎng)護。

表2 成型方式

1.2.2 流動性測試

UHPC制備原理是實現(xiàn)納米級到毫米級材料的最緊密堆積,為了提高勻質(zhì)性,一般不使用粗骨料[2],其厘米級材料相當于粗骨料,因此既可以稱為“砂漿”,又可叫“混凝土”。所以本文采用兩種方法測試擴展度,一種是參考《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》(GB 50119-2013)[3]中附錄A砂漿擴展度測試方法測試,稱為“砂漿法”；一種是參考《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080)[2]中混凝土擴展度測試方法測試,稱為“混凝土法”。不含纖維的UHPC基體均一次裝入擴展度筒,不進行插搗,含纖維的UHPC根據(jù)纖維類型和摻量的不同分2-4層裝入擴展度筒,不進行插搗。

1.2.3 力學性能測試

力學性能試驗方法見表3,主要測試抗壓強度、軸心抗壓強度、抗彎強度和抗拉強度。“哈工大法”抗拉強度測試模具尺寸圖見圖1。

表3 力學性能試驗方法

圖1 抗拉模具設計尺寸圖

2 結(jié)果與討論

2.1 流動性測試方法

表4 兩種測試方法擴展度測試結(jié)果

圖2 “砂漿法”擴展度測試

兩種測試方法擴展度測試結(jié)果見表4,從表4可以看出,“砂漿法”測得的擴展度值約為“混凝土法”的1/2。因此,針對不同的試驗場合可選擇不同的測試方法,均能表征出流動性的好壞。鋼纖維的摻入對流動性影響相對玻璃纖維的較小。

擴展度的測試是檢驗UHPC拌和物是否均勻的一個初步判斷,因為UHPC的水膠比極低,能夠?qū)HPC漿體“打開”至關重要,然后通過觀察攪拌出的UHPC漿體的流動狀態(tài)、擴展狀態(tài)判別拌和物的質(zhì)量。圖2為A、B基體用“砂漿法”測試的最終擴展圖,從圖中可以看出最終擴展的形狀為圓形,說明整體均勻性、粘聚性較好；表面氣泡量較少,同時觀察流動過程的流動效果、氣泡破裂情況等,判斷拌和物的質(zhì)量好壞。

2.2 抗壓強度測試方法

在測試過程中,試塊的處理對于力學性能的測試至關重要,由于UHPC試塊表面邊緣部分會有裸露纖維(如圖3所示),尤其含有鋼纖維時,邊緣若沒有清理平整,纖維架立會導致試塊無法擱置平穩(wěn)(如圖4所示),試塊會出現(xiàn)異常破壞。這種情況在試驗過程中多次出現(xiàn),而且容易被測試人員忽略。

表5 抗壓強度測試結(jié)果

圖5 抗壓測試試樣的破壞狀態(tài)

抗壓強度測試結(jié)果見表5,軸心抗壓強度約為立方體抗壓強度的85%-90%；鋼纖維隨著摻量的增加抗壓強度在增大,而耐堿玻璃纖維摻入后卻出現(xiàn)了比基體強度下降的狀況,主要原因是耐堿玻璃纖維并沒有在基體中分散好,反而使基體密實度下降,缺陷更多。從圖5可以看出,UHPC基體破壞為爆炸性破壞,因此在基體抗壓測試時要注意遮擋,避免傷害到測試人員。所以UHPC抗壓測試時要注意“毛邊”的清理,以及對基體爆炸性破壞時的安全措施處理。

2.3 抗彎強度測試方法

抗彎強度測試采用兩種方式測試：成型面受壓和側(cè)面受壓?？箯潖姸葴y試結(jié)果見表6,結(jié)果表明：無論哪種測試方式,初裂抗彎強度約為極限抗彎強度的1/2；B、D組成型面受壓和側(cè)面受壓結(jié)果基本一致,A組成型面受壓結(jié)果比側(cè)面受壓的大,主要原因是A組是進行強力振搗,鋼纖維會出現(xiàn)小部分下沉,D組雖然也進行了強力振搗,但基于耐堿玻璃纖維的特性,是不會出現(xiàn)下沉的現(xiàn)象,B組進行了輔助性振搗,從結(jié)果看鋼纖維下沉并不嚴重,但還需進行進一步研究。若按照實際工程應用,成型面受壓更能體現(xiàn)實際承載能力,且纖維下沉反而會對抗彎結(jié)果有利,但纖維下沉會影響整體的均勻性,所以按照普通混凝土測試標準,側(cè)面受壓是更合理的,一方面可以檢驗纖維分散的均勻性,一方面對設計取值更安全。

表6 抗彎強度測試結(jié)果

圖6 抗彎測試試塊的破壞狀態(tài)

圖6為抗彎測試試塊的破壞狀態(tài),從圖中可以看出,破壞位置基本在“純彎”段,均為“有效”破壞。所以,抗彎強度測試可以采用普通混凝土測試標準中的方法,即側(cè)面受壓方式,也需注意清理“毛邊”。

2.4 抗拉強度測試方法

抗拉強度測試結(jié)果見表7,“哈工大法”測試數(shù)據(jù)不完整,且拉伸曲線重復性差,從圖7中A、B、D組破壞狀態(tài)可以看出,試樣破壞位置大部分在試樣變截面處,主要原因是試樣在拉伸過程中會產(chǎn)生不可避免的扭轉(zhuǎn)。從圖8中“小八字模法”測試試樣破壞位置可以看出基本在中間有效段,但其會出現(xiàn)應力集中、尺寸效應等問題,不過其制樣、測試簡便,可以用于材料出廠檢測?？估瓘姸葴y試還得進一步解決應力集中、扭轉(zhuǎn)等問題,進一步研究。

表7 抗拉強度測試結(jié)果

圖7 “哈工大法”測試A、B、D組破壞狀態(tài)

圖8 “小八字模法”測試試樣破壞狀態(tài)

抗拉強度測試方法可初步利用“小八字模法”,但其指標取值需進一步通過大量試驗獲得。同時也要注意試驗前對成型模具校準,避免成型試塊尺寸與夾具夾頭尺寸有較大偏差,兩者之間不宜有較大空隙,導致試樣異常破壞。

4 結(jié)論

UHPC拌和物具有粘度大、纖維易結(jié)團等特點,通過對其流動性能和力學性能測試,研究出UHPC基本性能測試方法與普通混凝土測試方法的差異：

1、擴展度測試是關鍵,測試值和測試過程中流動狀態(tài)、擴展狀態(tài)可以反映出UHPC拌和物質(zhì)量的好壞?！吧皾{法”擴展度測試值約為“混凝土”法的1/2。

2、力學性能測試時,對于含纖維試樣的處理至關重要,纖維會影響試樣的有效測試尺寸及平整度,進而影響UHPC的力學性能。

3、抗壓強度、抗彎強度測試方法均可采用普通混凝土測試方法。UHPC抗壓強度測試時要注意對基體爆炸性破壞時的安全措施處理；抗彎強度測試采用側(cè)面受壓方式。

4、抗拉強度測試方法可初步利用“小八字模法”,但其指標取值需進一步通過大量試驗獲得。其它試驗方法需進一步解決應力集中、扭轉(zhuǎn)等問題。

[1]趙筠,廉慧珍,金建昌.鋼-混凝土復合的新模式--超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:鋼-混凝土復合模式的現(xiàn)狀、問題及對策與UHPC發(fā)展歷程[J].混凝土世界,2013,(10):56-69.

[2]Richard, P., Cheyrezy, M., 'Composition of Reactive PowderConcretes,'Cement and Concrete Research, V. 25,1995, pp.1501-1511.

[3]GB 50119-2013, 混凝土外加劑應用技術規(guī)范[S].

[4]GB/T 50080-2016, 普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].

[5]GB/T 50081-2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].

[6]中國混凝土與水泥制品協(xié)會.超高性能混凝土技術標準:基本性能與試驗方法(征求意見稿)[S].(2018-01-12)[2018-03-20].http://xh.concrete365.com/ccpa/content/0-9323850719753.html.

[7]GB/T 16777-2008,建筑防水涂料試驗方法[S].