超高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳海棠

（1 中交一公局廈門工程有限公司；2 中交綠建（廈門）科技有限公司）

超高性能混凝土（UHPC） 具有強(qiáng)度高、韌性好、耐久性好的特點(diǎn)[1]，可以完美地解決目前混凝土存在的問(wèn)題，盡管與普通混凝土的生產(chǎn)和制備相比，UHPC 的成本較高，但UHPC 仍是一種很有前途的建筑結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)樗膹?qiáng)度高，能夠在同等荷載條件下大大減少混凝土構(gòu)件的截面積，減少水泥和其他膠凝材料的用量，節(jié)約成本[2]。極低的水灰比是保證UHPC性能的最重要因素，因此在保證UHPC 具有良好的工作性能的同時(shí)，降低水灰比是極其重要的。鋼纖維作為UHPC 的主要增韌材料，也是與普通混凝土的主要區(qū)別之一，它直接影響到UHPC 的力學(xué)性能和工作性。因此，合理的配合比設(shè)計(jì)是保證UHPC 性能的前提，有必要針對(duì)UHPC 的配合比優(yōu)化開展試驗(yàn)研究，旨在為UHPC 配合比設(shè)計(jì)提供一定借鑒。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥選用海螺P·Ⅱ52.5，標(biāo)稠度用水量為27%，28d抗壓強(qiáng)度為58.2MPa；硅灰選用廣東某公司提供的S92級(jí)硅灰，比表面積為19000m2/kg，SiO2含量≥92%；礦粉選用濟(jì)南某公司提供的S105 級(jí)礦粉，密度為2950kg/m3，燒失量為0.21%；骨料選用廣東精選水洗石英砂，分為細(xì)、中、粗三種，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1；鋼纖維選用江西某廠提供的鍍銅平直型鋼纖維，長(zhǎng)徑比為65～70，抗拉強(qiáng)度＞2800MPa；減水劑選用福建某公司提供的透明液體的聚羧酸減水劑，減水率≥35%，固含量為40%。

表1 精選石英砂性能指標(biāo)

1.2試驗(yàn)制備及養(yǎng)護(hù)

抗壓試件采用100mm×100mm×100mm 的立方體試件，抗折試件采用100mm×100mm×400mm的試件。

養(yǎng)護(hù)方式采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式，具體養(yǎng)護(hù)工序如下：試件成型1 天后脫模編號(hào)，然后立即移送至蒸汽養(yǎng)護(hù)箱，控制養(yǎng)護(hù)箱升溫速度為(10～15)℃/h，升溫至70℃±5℃后保持恒溫，恒溫72h 后，保持降溫速度為(10～15)℃/h降溫至室溫，隨后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1精選石英砂混合比例

超高性能混凝土的配制離不開最大堆積密度理論，因此，科學(xué)合理的配制石英砂級(jí)配是必不可少的，有助于超高性能混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)不同比例的粗砂、中砂、細(xì)砂，以堆積密度為參考指標(biāo)，具體試驗(yàn)步驟如下：

⑴確定混合比例：依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定三種石英砂的混合比例為6種，混合比例覆蓋范圍大。

⑵混合裝杯：稱量各比例石英砂，混合總量為1.2kg，充分混合，將混合后的石英砂裝入1 升的量杯。正方體容器中，倒入大約一半時(shí)，振動(dòng)30秒。

⑶混合均勻：用手捂住量杯口，上下倒轉(zhuǎn)量杯數(shù)次，使混合砂在量杯中充分混合均勻。

⑷確定堆積密度：最后將量杯平放在桌子上，觀察量杯內(nèi)混合砂體積，計(jì)算混合砂的堆積密度。石英砂不同混合比例的堆積密度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 石英砂不同混合比例的堆積密度

2.2 UHPC基準(zhǔn)配合比

文獻(xiàn)[3]中給出常規(guī)超高性能的混凝土的配合比，以此為參考，選定石英砂粗、中、細(xì)的混合比例為5:4:3，并結(jié)合試驗(yàn)原材料的性能指標(biāo)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定基準(zhǔn)配合比，基準(zhǔn)配合比的具體情況如表3所示。

表3 UHPC基準(zhǔn)配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1水膠比對(duì)UHPC性能的影響

超低的水灰比是決定超高性能混凝土強(qiáng)度的重要因素，主要是通過(guò)高效減水劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在滿足混凝土工作性能的條件下，只要混凝土在振搗密實(shí)過(guò)程中能夠充分振搗密實(shí)、隨著水灰比的降低，混凝土的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提高，我們稱其為水灰比規(guī)律。

本試驗(yàn)選擇水膠比分別為0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20 時(shí)，不同水膠比下UHPC 的力學(xué)性能和工作性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同水膠比的試驗(yàn)結(jié)果

從表4 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著水膠比的增大，UHPC 的工作性能就越好。當(dāng)水膠比為0.14 時(shí)，UHPC 的擴(kuò)展度為465mm，當(dāng)水膠比為0.20 時(shí)，UHPC 的擴(kuò)展度為785mm，擴(kuò)展度增大了69%，增大效果明顯，說(shuō)明水膠比對(duì)擴(kuò)展影響顯著。分析其原因，當(dāng)水膠比提高時(shí)，用水量也提高，使得UHPC 體系中的水分子增多，顆粒間潤(rùn)滑性變好，從而使流動(dòng)性變好。

從表4 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3d 蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和3d蒸養(yǎng)抗折強(qiáng)度均與水膠比呈正相關(guān)，且水膠比對(duì)UHPC的力學(xué)性能影響顯著。當(dāng)水膠比為0.14 時(shí)，UHPC 的抗壓強(qiáng)度為168.6MPa，抗折強(qiáng)度為31.46MPa，當(dāng)水膠比為0.20 時(shí)，UHPC 的 抗 壓 強(qiáng) 度 為123.7MPa，抗 折 強(qiáng) 度 為23.47MPa，抗壓、抗折強(qiáng)度分別下降了26.6%、25.4%，下降幅度明顯，分析其原因，當(dāng)水膠比較高時(shí)，UHPC 在早期階段反應(yīng)時(shí)，孔隙中會(huì)留存更多的水分，當(dāng)水分蒸發(fā)后，留下了大量的孔隙，從而影響UHPC 基體的強(qiáng)度。但水膠比較低時(shí)，能有效降低基體中的孔隙，使混凝凝土基體與鋼纖維有更好的咬合力，從而提高了強(qiáng)度。

3.2砂膠比對(duì)超高性能混凝土性能的影響

砂膠比作為混凝土的另一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)保證混凝土的工作性而不產(chǎn)生離析或泥漿過(guò)少也起著非常重要的作用，砂膠比越大，往往力學(xué)性能越好。

本試驗(yàn)選擇砂膠比分別為0.8、0.9、1.0、1.0、1.2、1.3、1.4 時(shí)，不同砂膠比下超高性能混凝土的力學(xué)性能和工作性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同砂膠比的試驗(yàn)結(jié)果

從表5 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著砂膠比增大，UHPC的流動(dòng)性隨之下降，當(dāng)砂膠比為0.8 時(shí)，UHPC 的擴(kuò)展度為705mm，當(dāng)砂膠比為0.20 時(shí)，UHPC 的擴(kuò)展度為435mm，擴(kuò)展度降低了38.3%。分析其原因，保持配合比其他參數(shù)不變時(shí)，隨著砂膠比的增大，UHPC 體系中每方的砂用量隨之提高，一方面由于石英砂表面不規(guī)則，棱角多，用砂量越多，越阻礙UHPC 的流動(dòng)性，另一方面石英砂表面會(huì)吸附水分子，進(jìn)一步降低了UHPC 體系中自由水的含量，從而降低了拓展度。

從表5 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著砂膠比的增大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出同步的先增大，后減小的變化規(guī)律，抗壓、抗折強(qiáng)度均在砂膠比為1.1 時(shí)達(dá)到最高值，分別為157.8MPa、29.45MPa。分析其原因，當(dāng)砂膠比小于最優(yōu)值時(shí)，砂骨料較少，漿體較多，骨料的骨架作用小，強(qiáng)度就較低；當(dāng)砂膠比大于最優(yōu)值時(shí)，砂骨料較多，膠凝材料較少，漿體較多，漿體不能很好的包裹骨料和填充骨料間的間隙，力學(xué)性能降低。

3.3鋼纖維對(duì)超高性能混凝土性能的影響

鋼纖維的加入可以在基體中起到架橋作用，可以大大提高UHPC 材料的韌性，這也是UHPC 與普通混凝土材料的重要區(qū)別之一。然而，由于鋼纖維的成本較高，為了提高其利用率。我們需要得到合理的鋼纖維摻量，使其滿足UHPC的力學(xué)性能，且成本不會(huì)太高。

本試驗(yàn)選擇鋼纖維摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%時(shí)，不同水膠比下超高性能混凝土的力學(xué)性能和工作性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同鋼纖維摻量的試驗(yàn)結(jié)果

從表6 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著鋼纖維摻量增加，UHPC 的擴(kuò)展度隨之下降，擴(kuò)展度在鋼纖維摻量為0～1.5%時(shí)的下降幅度較小，但鋼纖維摻量大于等于2.0%時(shí)，擴(kuò)展度的下降幅度就顯著增加。分析其原因，鋼纖維屬于細(xì)長(zhǎng)型，比表面積較大，當(dāng)鋼纖維摻量小于1.5%時(shí)，鋼纖維占比UHPC 的體積比較小，且UHPC 中漿體充足，可以很好的包裹住鋼纖維，帶著鋼纖維流動(dòng)，但是，當(dāng)鋼纖維摻量增大后，鋼纖維占比UHPC 的體積比較大，且鋼纖維雜亂無(wú)章的分布，形成了骨架效應(yīng)，極大影響了其流動(dòng)性。

從表6 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著鋼纖維摻量增加，UHPC 的抗壓、抗折強(qiáng)度均隨之增大，其中，鋼纖維摻量大于1.5%之后，抗壓強(qiáng)度的變化不明顯，而抗折強(qiáng)度顯著與鋼纖維摻量呈正相關(guān)，當(dāng)鋼纖維摻量為0 時(shí)，抗折強(qiáng)度為18.62MPa，當(dāng)鋼纖維摻量為3.0%時(shí)，抗折強(qiáng)度為38.42MPa，提高了106.3%，提高效果顯著。分析其原因，一方面鋼纖維在UHPC 基體中形成了勁性骨架，抗折時(shí)鋼纖維相當(dāng)于結(jié)構(gòu)中的鋼筋，可以大幅提高抗彎拉強(qiáng)度，另一方面鋼纖維與漿體的粘結(jié)力進(jìn)一步提高了UHPC整體的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

⑴UHPC 的擴(kuò)展度與水膠比呈正相關(guān)，在滿足一定擴(kuò)展度時(shí)，力學(xué)性能與水膠比呈負(fù)相關(guān)，試驗(yàn)顯示合理的水膠為1.6～1.7。

⑵UHPC 的擴(kuò)展度與砂膠比呈負(fù)相關(guān)，力學(xué)性能隨砂膠比增大先上升后下降，最佳砂膠比為1.1。

⑶UHPC 的擴(kuò)展度與鋼纖維摻量呈負(fù)相關(guān)，力學(xué)性能與鋼纖維摻量呈正相關(guān)，其中，鋼纖維摻量大于1.5%之后，抗壓強(qiáng)度的變化不明顯，而抗折強(qiáng)度顯著與鋼纖維摻量呈正相關(guān)，鋼纖維的合理?yè)搅繎?yīng)該在1.5%～2%。