超高性能混凝土（UHPC）性能研究

（科之杰新材料集團(tuán)（貴州）有限公司，貴州 龍里 551206）

0 前言

上世紀(jì)以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)朝更高、更長(zhǎng)、更深的方向發(fā)展，這對(duì)混凝土的強(qiáng)度有了更高的要求。為了滿(mǎn)足社會(huì)日新月異的發(fā)展趨勢(shì)，從事混凝土工作的研究者們需要讓混凝土的強(qiáng)度登上一個(gè)又一個(gè)新的臺(tái)階。上世紀(jì) 50 年代，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)一般為 C20；60 年代為 C30；70～80 年代，由于引入了減水劑，強(qiáng)度等級(jí) C40～C50 的混凝土已廣泛使用；90 年代，C50～C70 混凝土已經(jīng)廣泛使用，C80、C90 以及C100 在我國(guó)已開(kāi)始使用[1]。

科技進(jìn)步與社會(huì)和人類(lèi)需要密不可分。上世紀(jì)末以來(lái)，我國(guó)一直處于一個(gè)高速發(fā)展及建設(shè)的階段，對(duì)普通混凝土、高性能混凝土甚至是超高性能混凝土的需求越來(lái)越大。結(jié)合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)混凝土的要求越來(lái)越高，所以超高性能混凝土（UHPC）的應(yīng)用前景十分廣泛。

UHPC 是一種新型的超高強(qiáng)度、高韌性的水泥基復(fù)合材料，與普通混凝土相比，其顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好[2]。UHPC 早期強(qiáng)度發(fā)展快、后期強(qiáng)度極高，用于補(bǔ)強(qiáng)和修補(bǔ)工程中可替代鋼材和昂貴的有機(jī)聚合物，既可保持混凝土體系的整體性，還可以降低成本；UHPC 抗沖擊性能和耐久性能好，廣泛的用于超高層建筑和需要高承載力的特殊結(jié)構(gòu)；UHPC 還擁有高密實(shí)性和良好的工作性能，使其工程實(shí)體表面有很高的光潔度，外界的有害物質(zhì)很難入侵到實(shí)體里面去，利用這一優(yōu)點(diǎn)，UHPC 還可做建筑物的外裝飾材料。

UHPC 里一般都會(huì)加入鋼纖維，目的是增加混凝土的抗彎拉能力和抗壓強(qiáng)度，但是，鋼纖維會(huì)影響混凝土的流動(dòng)性[3]。

目前貴州正處于高速發(fā)展時(shí)期，未來(lái)會(huì)有許多的超高層的建筑將會(huì)坐落于貴陽(yáng)市區(qū)，從貴州 UHPC 發(fā)展現(xiàn)況來(lái)看，尚沒(méi)有一家攪拌站或者外加劑公司完全具備研發(fā)超高性能混凝土的技術(shù)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：貴州本地清鎮(zhèn)海螺 P·O52.5。

（2）微珠粉：黔西電廠，2000 目。

（3）硅灰：靈壽縣金源礦業(yè)加工廠，4000 目。

（4）玄武砂：清鎮(zhèn)市萬(wàn)隆達(dá)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，0～5mm。

（5）玄武石：清鎮(zhèn)市萬(wàn)隆達(dá)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，10～15.5mm。

（6）鋼纖維：史尉克工程纖維，屬于平直型，直徑 0.22mm，長(zhǎng)度 13mm，長(zhǎng)徑比為 60。

（7）外加劑：科之杰新材料集團(tuán)（貴州）有限公司高性能減水劑，固含量 30%，減水率＞30%。

1.2 試驗(yàn)用儀器設(shè)備

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器如表 1 所示。

表1 試驗(yàn)儀器

1.3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)最大堆積密度理論，設(shè)計(jì)超高性能混凝土理論配合比，其中水膠比 0.18，砂率為 40%，外加劑摻量是15kg。確定配合比如表 2 所示。

表2 UHPC 理論配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2 試驗(yàn)過(guò)程

初步設(shè)計(jì)外加劑配方為，LL-S04:480kg，LLS10G:120kg，H2:30kg，X1:0.1kg，以上為 1 噸外加劑各組分用量。為了保證混凝土在一定時(shí)間內(nèi)能夠滿(mǎn)足施工條件，所以使用我公司一款高減水、高保坍的母液LL-S04 和 LL-S10G，確?；炷辆哂辛己玫暮鸵仔院土鲃?dòng)性。根據(jù)表 2 配合比進(jìn)行試配，其中鋼纖維體積摻量待定，從 0.5% 增加到 2%。

首先研究鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度以及流動(dòng)性的影響，確定最佳鋼纖維體積摻量，鋼纖維體積摻量分別設(shè)計(jì)為 39kg、79kg、118kg、157kg，獲得數(shù)據(jù)分別見(jiàn)圖 1 和圖 2。

圖1 不同鋼纖維體積摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響

圖2 不同鋼纖維體積摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖 1 可以看出，當(dāng)鋼纖維體積摻量從 39kg 增加到 157kg 時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均在減小，也就是混凝土的流動(dòng)性在變差。特別是當(dāng)體積摻量達(dá)到157kg 后，混凝土很難滿(mǎn)足施工要求。

從圖 2 可以看出，當(dāng)鋼纖維體積摻量從 39kg 增加到 157kg 后，混凝土 3d、7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度均在增大，3d 抗壓強(qiáng)度從 91.4MPa 增大到 107.3MPa，同比增長(zhǎng) 17.4%；7d 抗壓強(qiáng)度從 114.2MPa 增大到 130.8MPa，同比增長(zhǎng) 14.5%；28d 抗壓強(qiáng)度從 140.2MPa 增大到156.9MPa，同比增長(zhǎng) 11.9%。

調(diào)整膠凝材料用量，調(diào)整微珠粉和硅灰的摻量，調(diào)整砂率，調(diào)整水膠比，及調(diào)整鋼纖維摻量，得到配合比，見(jiàn)表 3。

表3 UHPC試驗(yàn)配合比試配 kg/m3

從表 3 中看，編號(hào) 1～6 水膠比 0.18，砂率 40%；編號(hào) 1～5 鋼纖維摻量是 0.5%，編號(hào) 6～9 鋼纖維摻量是 1%；編號(hào) 7～9 水膠比 0.16。收集混凝土初始數(shù)據(jù)，包括倒置流、坍落度、擴(kuò)展度，以及兩小時(shí)經(jīng)時(shí)損失的坍落度、擴(kuò)展度、倒置流；最后使用100mm×100mm×100mm 標(biāo)準(zhǔn)試模成型，測(cè)量試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的 3d、7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度值，獲得數(shù)據(jù)收錄于表 4。

從表 4 中的編號(hào) 1、2 和 3 可以看出，當(dāng)配合比其他組分保持不變時(shí)，微珠粉摻量從 10% 增加到 30%時(shí)，混凝土流動(dòng)度在增大，倒置流時(shí)間在縮短；而抗壓強(qiáng)度值在微珠粉摻量為 20% 時(shí)達(dá)到最大。編號(hào) 1、編號(hào)4 和編號(hào) 5 可以看出，當(dāng)硅灰摻量從 10% 增加到 30%時(shí)，混凝土流動(dòng)度逐漸降低，當(dāng)硅灰摻量為 30% 時(shí)，混凝土基本失去工作性能，并且抗壓強(qiáng)度值最低。從編號(hào) 1 和編號(hào) 6 可以看出，鋼纖維體積摻量從 0.5% 增加到 1% 時(shí)，主要表現(xiàn)在混凝土流動(dòng)度在降低，抗壓強(qiáng)度值在增加，28d 強(qiáng)度從 140.2MPa 增加到 146.2MPa，同比增長(zhǎng) 4.3%。從編號(hào) 7、8 和 9 可以看出，混凝土砂率從 40% 降到 30%，水膠比是 0.16，混凝土流動(dòng)度在降低，倒置流時(shí)間在增長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度值變化不大。從表4 整體來(lái)看，水膠比從 0.18 降低為 0.16，強(qiáng)度有所增加，從 145.3MPa 增加到 149.6MPa，同比增長(zhǎng) 3%，但流動(dòng)度受影響較大。

表4 混凝土工作性能和力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）超高性能混凝土（UHPC）抗壓強(qiáng)度隨著水膠比減小而增大，水膠比低會(huì)導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差，混凝土工作性能達(dá)不到理想狀態(tài)。

（2）混凝土砂率從 40% 降到 30% 時(shí)，混凝土流動(dòng)度在逐漸降低，并且強(qiáng)度增長(zhǎng)不多。

（3）混凝土中微珠粉摻量從 10% 增加到 30%，混凝土流動(dòng)度在增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)微珠粉摻量為 20% 時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)硅灰摻量從 10%增加到 30% 時(shí)，混凝土流動(dòng)度降低，當(dāng)硅灰摻量超過(guò)30% 時(shí)，混凝土幾乎失去工作性能。

（4）混凝土抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維體積摻量的增大而增大，3d 抗壓強(qiáng)度、7d 抗壓強(qiáng)度和 28d 抗壓強(qiáng)度同比漲幅為 17.4%、14.5% 和 11.9%。