不同攪拌工藝下UHPC配合比設計及性能分析*

李 凱，張飛龍，魏丙華，李昕成，張紅杰，張夢荻

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037； 2.許昌德通振動攪拌科技股份有限公司，河南 許昌 461000； 3.云南省建筑科學研究院有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對混凝土工程結(jié)構(gòu)的品質(zhì)要求越來越高，與普通混凝土相比，超高性能混凝土(UHPC)的各項性能均可得到大幅度改善，但其配合比無系統(tǒng)的設計方法，大多數(shù)是根據(jù)前人的經(jīng)驗，經(jīng)優(yōu)化后得到較佳的力學性能最終確定配合比。與傳統(tǒng)強制攪拌相比，振動攪拌一方面使混合料中的膠凝材料在宏觀和微觀上實現(xiàn)更加均勻的分布狀態(tài)；另一方面可縮短攪拌時間，提高混凝土強度和長期耐久性能。UHPC水化過程需高溫高濕養(yǎng)護，但保證現(xiàn)場的養(yǎng)護條件花費較高，合適的養(yǎng)護條件也是UHPC施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

何峰等在未摻加纖維的情況下，制備出流動性好的超高強混凝土，研究了原材料及配合比對活性粉末混凝土強度的影響。萬朝均等采用超低水膠比和高強水泥在常溫養(yǎng)護條件下制備UHPC，研究了不同影響因素對其力學性能的影響。李傳習等針對UHPC，通過對比強制攪拌和振動攪拌，研究振動攪拌對UHPC施工及力學性能的影響。目前振動攪拌技術(shù)較多應用于普通混凝土攪拌，對于UHPC使用振動攪拌的相關(guān)文獻還較少。

因此，本文基于多元膠凝體系流動度試驗確定膠凝材料比例，采用修正的Andreasen法計算天然砂級配，從而優(yōu)化UHPC配合比設計；同時，引進使混凝土攪拌更加均勻的新技術(shù)即振動攪拌技術(shù)，希望通過優(yōu)化的配合比和振動攪拌獲得性能更好的UHPC，后期又研究了養(yǎng)護條件與2個技術(shù)的耦合，最終提出采用振動攪拌方式實現(xiàn)UHPC的最優(yōu)工藝方法。

1 原材料

原材料主要有水、水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、天然砂、減水劑和鋼纖維，其中水泥采用P·O 52.5水泥；硅灰外觀為深灰色粉末，活性指數(shù)為99%；粉煤灰活性指數(shù)為78%；礦粉外觀呈白色粉末，活性指數(shù)為103%；天然砂最大粒徑2.36mm、最小粒徑0.3mm；采用的減水劑外觀為白色流狀液體；纖維采用平直型鋼纖維，體積摻量均為2%。

2 配合比優(yōu)化設計

2.1 膠凝材料比例

試驗方法為：采用凈漿攪拌機，投料順序為：①摻加固定的減水劑(膠凝材料的1.5%)和固定質(zhì)量的水(水的質(zhì)量需根據(jù)實際材料調(diào)試，確保膠凝材料攪拌至平坦均勻的漿體)；②摻加350g膠凝材料的混合料；③慢攪1min，高速攪拌1min，停止后將葉片、鍋邊緣和底部的拌合物刮下，高速攪拌5min；④將上述拌合后的膠凝材料進行流動性試驗，確定流動性最佳的膠凝材料比例，如圖1所示。

圖1 膠凝材料比例確定試驗

2.1.1確定水泥和粉煤灰二元膠凝體系漿體比例

按上述試驗方法測得不同比例(5%，10%，15%，20%，25%，30%)的粉煤灰替代水泥時漿體的流動度，如表1所示，其中“—”表示膠凝固體材料未攪拌為平坦均勻的漿體，確定水泥和粉煤灰的比例。

表1 粉煤灰取代水泥后漿體的流動度

根據(jù)粉煤灰取代水泥后漿體的流動度試驗結(jié)果確定水泥和粉煤灰的比例為0.90∶0.10。

2.1.2確定水泥、粉煤灰和礦粉三元膠凝體系漿體比例

保持水泥和粉煤灰的比例為2.1.1節(jié)確定的比例(0.90∶0.10)不變，按上述試驗方法測得不同比例的礦粉等量替代水泥和粉煤灰總量時漿體的流動度，如表2所示。

表2 礦粉取代水泥和粉煤灰后漿體的流動度

根據(jù)上述試驗結(jié)果，確定礦粉的摻加比例為10%，此時，水泥、粉煤灰和礦粉的比例為0.81∶0.09∶0.10。

2.1.3確定水泥、粉煤灰、礦粉和硅灰四元膠凝體系漿體比例

同樣保持水泥、粉煤灰和礦粉的比例為2.1.2節(jié)確定的比例(0.81∶0.09∶0.10)不變，按上述試驗方法測得不同比例的硅灰等量替代水泥、粉煤灰、礦粉總量時漿體的流動度，如表3所示。

表3 硅灰取代水泥、粉煤灰和礦粉后漿體的流動度

根據(jù)上述試驗結(jié)果，考慮到硅灰取代量處于10%～15%，漿體流動性最好，因此礦粉的摻加比例取13%，此時，水泥、粉煤灰、礦粉和硅灰的比例為0.70∶0.08∶0.09∶0.13。

2.2 天然砂

天然砂粒徑分為3個等級，即0.3～0.6mm(細)，0.6～1.18mm(中)，1.18～2.36mm(粗)，砂級配采用修正的Andreasen級配計算方法，即同時考慮最大和最小粒徑的級配曲線表達式計算：

(1)

式中：dmax，dmin分別為固體顆粒中的最大和最小粒徑；對于分布模量q的取值，有文獻建議取0.22～0.25，本文取q=0.23。計算可得3種等級的天然砂質(zhì)量比為0.39∶0.325∶0.285。

鋼纖維摻量(體積分數(shù))為2%，減水劑為2.25%，UHPC設計配合比為：水膠比∶水∶水泥∶硅灰∶粉煤灰∶礦粉∶天然砂∶鋼纖維∶減水劑=0.18∶180∶700∶130∶80∶90∶1 220∶156∶22.5。

3 混凝土性能分析

1)試件制備、成型及養(yǎng)護 混凝土拌合物攪拌順序為先將天然砂、鋼纖維倒入攪拌鍋內(nèi)干拌1min，然后倒入膠凝材料(水泥、硅灰、粉煤灰和礦粉)干拌1min，最后加入溶有減水劑的水攪拌6min。將拌合物澆筑于100mm×100mm×100mm三聯(lián)試模和100mm×100mm×400mm試模中，在振動臺上振動5min。將成型的試件在溫度為(20±2)℃下靜止24h后拆模，再分別進行：①標準養(yǎng)護(溫度(20±2)℃，濕度95%)28d；②熱水養(yǎng)護(90℃)48h。

2)施工和易性 根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對拌合物進行試驗，得到采用不同攪拌方式的新拌UHPC拌合物的坍落度、擴展度、拌合物狀態(tài)和含氣量等性能指標，其中ZD組為雙臥軸振動攪拌組，PT組為強制攪拌組，測試指標如表4所示。

表4 拌合物性能指標

3)力學性能 按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對不同養(yǎng)護條件下到期的UHPC試塊進行試驗，得到采用不同攪拌方式的試塊抗壓強度和抗折強度力學性能指標，試件破壞形態(tài)如圖2所示，試驗結(jié)果如表5，6所示，UHPC隨時間的強度發(fā)展曲線如圖3所示，標準養(yǎng)護28d強度與熱水養(yǎng)護強度結(jié)果對比如圖4所示。

圖2 試件破壞形態(tài)

圖3 UHPC抗壓與抗折強度時程發(fā)展曲線

圖4 UHPC標養(yǎng)28d與熱養(yǎng)48h強度試驗結(jié)果對比

由上述試驗結(jié)果可知，本文通過優(yōu)化配合比制備的UHPC的施工和易性滿足自流平要求，28d抗壓強度均在100MPa以上，其28d抗折強度均在15MPa以上，可滿足C100混凝土的使用要求。與普通攪拌下的UHPC結(jié)果相比，振動攪拌的試塊強度普遍偏高。標準養(yǎng)護條件下3d與7d強度(包含抗壓和抗折強度)分別占28d強度的66%～70%，84%～88%。對于28d抗壓強度，標準養(yǎng)護條件下振動攪拌試塊強度提高10%，熱水養(yǎng)護條件下增大8.2%；對于28d抗折強度，標準養(yǎng)護條件下振動攪拌試塊強度提高14.6%，熱水養(yǎng)護下增大15.4%；整體來看，不管UHPC試塊是在標準條件下養(yǎng)護還是在熱水條件下養(yǎng)護，振動攪拌下抗壓和抗折強度均大于普通攪拌，而抗折強度的增幅大于抗壓強度增幅。

表5 UHPC標養(yǎng)3d與7d強度試驗結(jié)果 MPa

表6 UHPC標養(yǎng)28d與熱養(yǎng)48h強度試驗結(jié)果 MPa

針對不同養(yǎng)護條件，熱水養(yǎng)護48h的抗壓和抗折強度普遍大于標準養(yǎng)護28d的強度。對于普通攪拌，標準養(yǎng)護28d的抗壓和抗折強度分別占熱水養(yǎng)護下的88.2%和85.3%，而振動攪拌標準養(yǎng)護28d的抗壓和抗折強度分別占熱水養(yǎng)護下的89.7%和92.8%。這是由于熱水養(yǎng)護下試塊處于高溫狀態(tài)，而高溫對多元膠凝材料體系中的礦物摻合料具有非常明顯的熱激發(fā)作用，特別對于硅灰的效應最為明顯，從而提高了各摻料的反應程度，致使?jié){體結(jié)構(gòu)更加致密，強度得到大幅度提升。因此，在UHPC施工過程中，建議盡量采用蒸汽養(yǎng)護，不僅可提高混凝土強度，還可縮短養(yǎng)護時間。

4 結(jié)語

1)按膠凝材料流動性優(yōu)選原則，優(yōu)化配合比后的UHPC施工和易性得到了保證，為UHPC其余性能的保證提供了巨大空間。

2)與普通攪拌的UHPC相比，振動攪拌條件下更具技術(shù)優(yōu)勢；在理論依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)支撐下，優(yōu)化的UHPC配合比設計具有很好的應用價值。

3)對于UHPC的力學性能，振動攪拌下抗壓強度增加幅度均大于抗折強度，熱水養(yǎng)護48h下抗壓和抗折強度普遍大于標準養(yǎng)護28d的強度。