振動攪拌工藝下UHPC力學性能研究*

張飛龍，魏丙華，李昕成，張紅杰

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

0 引言

目前，超高性能混凝土(UHPC)在如水利工程、建筑工程、軌道交通、核電工程、海洋工程、橋梁工程、安防工程、電力工程等工程領域得到廣泛應用，振動攪拌拌合混凝土具有明顯的技術優勢，如拌合后的物料更均勻、攪拌時間短、強度更高及耐久性更好等特點，但采用振動攪拌研究UHPC的相關文獻還相對較少。

張志豪等[1]基于優化的配合比制備UHPC，研究了減水劑摻量對膠凝體系流動性、強度等性能的影響，并對減水劑摻量為2.3%時制備的UHPC自密實性能和力學性能進行了分析。楊娟等[2]基于廢舊輪胎的再生鋼纖維制備摻加粗骨料的UHPC，并與不摻加鋼纖維和普通鋼纖維的UHPC進行對比，測定其強度、斷裂能、彈性模量等力學性能。張勝等[3]研究了不同養護方式(標準養護、蒸汽養護和熱水養護)及其相關因素(溫度、時間)對UHPC強度及微觀結構影響規律，并初步探討了養護制度對摻加鋼纖維的UHPC性能的影響。丁慶軍等[4]考慮到UHPC的成本控制，研究了不同種類、級配的細集料(代替石英砂)對UHPC工作性能、力學性能及微觀性能的影響，結果表明，由價格較低的河砂(粒徑<1.18mm)制備的UHPC性能最佳。龍廣成等[5]研究了骨料最大粒徑、含量對UHPC力學性能的影響，分析了骨料與水泥基間協調作用下的性能匹配對UHPC性能的影響規律。

本文基于振動攪拌技術對UHPC的力學性能進行了研究，首先分析了不同砂膠比條件下UHPC在振動攪拌拌合物的施工和易性及其抗壓強度和抗折強度；由于UHPC組成材料中膠凝材料用量較大，前期成本較高，將粗骨料摻入UHPC體系，研究不同粗骨料摻加比例對UHPC性能的影響。

1 原材料及配合比設計

原材料包含水、膠凝材料(水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉)、細骨料、粗骨料、減水劑和鋼纖維，其中水泥強度等級為P·O52.5；粉煤灰的活性指數為78.5%；硅灰的外觀為深灰色粉末，其活性指數為99.0%；礦粉的外觀呈白色粉末，其活性指數為103.5%；天然砂的最大粒徑為4.75mm、最小粒徑為0.15mm，石子粒徑為5～10mm；采用高性能聚羧酸減水劑；其纖維為平直型鋼纖維，體積摻量為2.0%。

UHPC配合比優化設計主要分為膠凝材料比例的確定和天然砂級配的設計。本文基于多元膠凝體系流動度試驗確定膠凝材料比例為水泥∶硅灰∶粉煤灰∶礦粉=0.7∶0.13∶0.08∶0.09，采用修正的Andreasen & Andersen法計算天然砂級配，天然砂分2個等級，即0.15～1.18，1.18～4.75mm，各占50.0%，得到的不同砂膠比的配合比如表1所示，根據后續試驗結果，固定水膠比0.18，砂膠比1∶1.2，同樣采用修正的Andreasen & Andersen法計算得到粗骨料的摻加比例為23.0%，以此比例為基礎配合比，依次增加其摻加比例，摻加不同比例粗骨料的UHPC設計配合比如表2所示。

表1 不同砂膠比UHPC設計配合比 kg

表2 不同粗骨料摻加比例UHPC設計配合比 kg

2 混凝土制備成型及養護

UHPC制備過程中，其拌合物攪拌順序為：①天然砂、鋼纖維，干拌1min；②膠凝材料(水泥、礦粉、粉煤灰和硅灰)，干拌1min；③減水劑、水，濕拌5min。

UHPC成型時，將拌合物澆筑于100mm×100mm×100mm三聯抗壓強度試模和100mm×100mm×400mm抗折強度試模中。

將成型的試件在溫度為(20±2)℃下靜止24h后拆模，其養護方式如下：①標準養護(溫度(20±2)℃，濕度95.0%)28d；②熱水養護(90℃)48h。

3 UHPC性能分析

3.1 UHPC施工和易性

根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[6]對新拌UHPC施工和易性進行試驗，其黏度較高，但稠度可調，坍落擴展度指標用于評價自密實、大流態的拌合物稠度，其相關測試指標如表3，4所示。

表3 不同砂膠比的拌合物性能指標

表4 不同粗骨料摻量的拌合物性能指標

由表3，4可知，對于不摻加粗骨料的UHPC，隨著砂膠比的減小，UHPC的坍落擴展度逐漸增大；對于摻加粗骨料的UHPC，隨著粗骨料摻量的增加，其坍落擴展度無明顯變化；與不摻加粗骨料的UHPC相比，摻加粗骨料的UHPC的坍落擴展度基本相當，數據較穩定，含氣量更加穩定；在相同砂膠比條件下，與不摻加粗骨料的UHPC相比，加入粗骨料的UHPC的坍落擴展度增大，流動性更好。

3.2 UHPC力學性能

3.2.1不同砂膠比的UHPC力學性能

按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[7]對不同砂膠比的UHPC試塊進行抗壓強度和抗折強度力學性能指標測試，試件破壞形態如圖1所示，試驗結果如表5～6及圖2所示。

圖1 試件破壞形態

表5 不同砂膠比UHPC標準養護3d及7d強度試驗結果 MPa

表6 不同砂膠比UHPC標準養護28d與熱水養護48h強度試驗結果 MPa

圖2 UHPC強度試驗結果

分析上述試驗結果，不同砂膠比的UHPC在不同養護條件下的抗壓強度相差較大，處于90～130MPa；而抗折強度相對較穩定，均在15～17MPa。標準養護條件下的3d與7d強度分別占28d強度的66%～70%，84%～88%。在標準養護條件下，隨著砂膠比減小，抗壓和抗折強度均呈現出先增加后減小的趨勢，但很明顯增加的比例小于減小的程度；在標準養護條件下，與砂膠比為1∶1.2的UHPC相比，1∶1.1的抗壓強度減小3.5%、抗折強度減小3.2%，而1∶1.3的抗壓強度減小13.5%、抗折強度減小7.0%。在熱水養護條件下，隨著砂膠比減小，抗壓強度呈現逐漸減小趨勢，而抗折強度出現先增大后減小的現象；與砂膠比為1∶1.2的UHPC相比，1∶1.1的抗壓強度增加6.6%、抗折強度減小3.8%，而1∶1.3的抗壓強度減小16.6%、抗折強度減小1.9%。

對于同一砂膠比條件下的UHPC，熱水養護48h的試塊抗壓強度普遍大于標準養護28d的結果，其抗壓強度高于普通養護10%以上，這是由于高溫對多元膠凝材料體系中的礦物摻合料具有明顯的熱激發作用，增大了各摻料的反應程度，促使漿體結構更加致密，從而大幅度提高抗壓強度；而熱水養護48h的試塊抗折強度普遍小于標準養護28d的結果，其抗折強度低于普通養護10%以內，這是由于高溫養護后，混凝土基體與纖維間的黏結強度降低，導致抗折強度降低，甚至不如標準養護。因此，在UHPC施工過程中，在確保抗折強度滿足要求的前提下，建議盡量采用熱水養護，可提高混凝土抗壓強度，同時縮短養護時間。

3.2.2不同粗骨料摻量的UHPC力學性能

不同粗骨料摻量的UHPC試驗結果如表7，8所示，UHPC強度隨時間的發展曲線如圖3，4所示，標準養護28d強度與熱水養護強度結果對比如圖5所示。

表7 不同粗骨料摻量UHPC標準養護3d及7d強度試驗結果 MPa

圖4 UHPC抗折強度隨時間的發展曲線

圖5 UHPC強度試驗結果

分析上述試驗結果，與不摻加粗骨料的UHPC相比，摻加粗骨料的抗壓和抗折強度呈現不同的變化規律；在相同砂膠比下，隨著粗骨料的增加，抗壓強度呈現先減小后增大的變化規律，而抗折強度明顯降低；當粗骨料摻量為23.0%時，2種養護條件下的抗壓和抗折強度均小于不摻加粗骨料的強度，而當粗骨料增大至40.0%時，其抗壓強度大于不摻加粗骨料的抗壓強度，說明中間存在一個合適的粗骨料比例使兩者抗壓強度相同，但抗折強度普遍偏低，均在15MPa以下；當粗骨料摻量為70.0%時，抗壓強度增加10.0%左右，而抗折強度降低達30.0%，這說明UHPC在一定比例范圍內摻加粗骨料有利于抗壓強度的提高，但對抗折強度極為不利。

因此，實際工程應用中，應在綜合考慮UHPC力學性能的基礎上兼顧經濟性的要求。此外，對于摻加粗骨料的UHPC而言，其熱水養護與標準養護下的抗壓與抗折強度和同一砂膠比條件下不摻加粗骨料的結果一致。

4 結語

1)隨著砂膠比的減小，UHPC的坍落擴展度逐漸增大；在不同的養護條件下，隨著砂膠比的減小，其力學性能呈現出不同的變化規律；對于同一砂膠比條件下的UHPC，熱水養護48h的抗壓強度普遍大于標準養護28d的結果，而抗折強度的結果卻相反，但其抗壓強度增加幅度明顯大于抗折強度降低幅度。

2)與不摻加粗骨料的UHPC相比，加入粗骨料的UHPC的坍落擴展度增大，流動性更好；摻加粗骨料的抗壓與抗折強度呈現不同的變化規律；在相同砂膠比下，隨著粗骨料的增加，抗壓強度呈現先減小后增大的變化規律，而抗折強度明顯減小。

3)實際工程應用中，在確保抗折強度滿足要求的前提下，建議盡量采用熱水養護，可提高混凝土的抗壓強度，同時縮短養護時間。應在綜合考慮UHPC的施工和易性與力學性能的基礎上兼顧經濟性要求。