超高性能混凝土配合比優化設計研究

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） 具有強度高、韌性好、耐久性好的特點[1]，可以完美地解決目前混凝土存在的問題，盡管與普通混凝土的生產和制備相比，UHPC 的成本較高，但UHPC 仍是一種很有前途的建筑結構材料，因為它的強度高，能夠在同等荷載條件下大大減少混凝土構件的截面積，減少水泥和其他膠凝材料的用量，節約成本[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，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別之一，它直接影響到UHPC 的力學性能和工作性。因此，合理的配合比設計是保證UHPC 性能的前提，有必要針對UHPC 的配合比優化開展試驗研究，旨在為UHPC 配合比設計提供一定借鑒。

1 原材料及試驗方法

1.1原材料

水泥選用海螺P·Ⅱ52.5，標稠度用水量為27%，28d抗壓強度為58.2MPa；硅灰選用廣東某公司提供的S92級硅灰，比表面積為19000m2/kg，SiO2含量≥92%；礦粉選用濟南某公司提供的S105 級礦粉，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、中、粗三種，其性能指標見表1；鋼纖維選用江西某廠提供的鍍銅平直型鋼纖維，長徑比為65～70，抗拉強度＞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

1.2試驗制備及養護

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。

養護方式采用蒸汽養護的方式，具體養護工序如下：試件成型1 天后脫模編號，然后立即移送至蒸汽養護箱，控制養護箱升溫速度為(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，隨后移至標準養護室。

2 試驗設計

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，科學合理的配制石英砂級配是必不可少的，有助于超高性能混凝土配合比的優化設計。該試驗分別設計不同比例的粗砂、中砂、細砂，以堆積密度為參考指標，具體試驗步驟如下：

⑴確定混合比例：依據經驗，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，振動30秒。

⑶混合均勻：用手捂住量杯口，上下倒轉量杯數次，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，觀察量杯內混合砂體積，計算混合砂的堆積密度。石英砂不同混合比例的堆積密度數據見表2。

表2 石英砂不同混合比例的堆積密度

2.2 UHPC基準配合比

文獻[3]中給出常規超高性能的混凝土的配合比，以此為參考，選定石英砂粗、中、細的混合比例為5:4:3，并結合試驗原材料的性能指標，經過試驗驗證，最終確定基準配合比，基準配合比的具體情況如表3所示。

表3 UHPC基準配合比

3 試驗結果及分析

3.1水膠比對UHPC性能的影響

超低的水灰比是決定超高性能混凝土強度的重要因素，主要是通過高效減水劑來實現的，在滿足混凝土工作性能的條件下，只要混凝土在振搗密實過程中能夠充分振搗密實、隨著水灰比的降低，混凝土的強度會出現相應的提高，我們稱其為水灰比規律。

本試驗選擇水膠比分別為0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20 時，不同水膠比下UHPC 的力學性能和工作性能的變化，試驗結果見表4。

表4 不同水膠比的試驗結果

從表4 試驗結果可以看出，隨著水膠比的增大，UHPC 的工作性能就越好。當水膠比為0.14 時，UHPC 的擴展度為465mm，當水膠比為0.20 時，UHPC 的擴展度為785mm，擴展度增大了69%，增大效果明顯，說明水膠比對擴展影響顯著。分析其原因，當水膠比提高時，用水量也提高，使得UHPC 體系中的水分子增多，顆粒間潤滑性變好，從而使流動性變好。

從表4 試驗結果可以看出，3d 蒸養抗壓強度和3d蒸養抗折強度均與水膠比呈正相關，且水膠比對UHPC的力學性能影響顯著。當水膠比為0.14 時，UHPC 的抗壓強度為168.6MPa，抗折強度為31.46MPa，當水膠比為0.20 時，UHPC 的 抗 壓 強 度 為123.7MPa，抗 折 強 度 為23.47MPa，抗壓、抗折強度分別下降了26.6%、25.4%，下降幅度明顯，分析其原因，當水膠比較高時，UHPC 在早期階段反應時，孔隙中會留存更多的水分，當水分蒸發后，留下了大量的孔隙，從而影響UHPC 基體的強度。但水膠比較低時，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，從而提高了強度。

3.2砂膠比對超高性能混凝土性能的影響

砂膠比作為混凝土的另一個重要參數，對保證混凝土的工作性而不產生離析或泥漿過少也起著非常重要的作用，砂膠比越大，往往力學性能越好。

本試驗選擇砂膠比分別為0.8、0.9、1.0、1.0、1.2、1.3、1.4 時，不同砂膠比下超高性能混凝土的力學性能和工作性能的變化，試驗結果見表5。

表5 不同砂膠比的試驗結果

從表5 試驗結果可以看出，隨著砂膠比增大，UHPC的流動性隨之下降，當砂膠比為0.8 時，UHPC 的擴展度為705mm，當砂膠比為0.20 時，UHPC 的擴展度為435mm，擴展度降低了38.3%。分析其原因，保持配合比其他參數不變時，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則，棱角多，用砂量越多，越阻礙UHPC 的流動性，另一方面石英砂表面會吸附水分子，進一步降低了UHPC 體系中自由水的含量，從而降低了拓展度。

從表5 試驗結果可以看出，隨著砂膠比的增大，抗壓強度和抗折強度呈現出同步的先增大，后減小的變化規律，抗壓、抗折強度均在砂膠比為1.1 時達到最高值，分別為157.8MPa、29.45MPa。分析其原因，當砂膠比小于最優值時，砂骨料較少，漿體較多，骨料的骨架作用小，強度就較低；當砂膠比大于最優值時，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，力學性能降低。

3.3鋼纖維對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的力學性能，且成本不會太高。

本試驗選擇鋼纖維摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%時，不同水膠比下超高性能混凝土的力學性能和工作性能的變化，試驗結果見表6。

表6 不同鋼纖維摻量的試驗結果

從表6 試驗結果可以看出，隨著鋼纖維摻量增加，UHPC 的擴展度隨之下降，擴展度在鋼纖維摻量為0～1.5%時的下降幅度較小，但鋼纖維摻量大于等于2.0%時，擴展度的下降幅度就顯著增加。分析其原因，鋼纖維屬于細長型，比表面積較大，當鋼纖維摻量小于1.5%時，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，但是，當鋼纖維摻量增大后，鋼纖維占比UHPC 的體積比較大，且鋼纖維雜亂無章的分布，形成了骨架效應，極大影響了其流動性。

從表6 試驗結果可以看出，隨著鋼纖維摻量增加，UHPC 的抗壓、抗折強度均隨之增大，其中，鋼纖維摻量大于1.5%之后，抗壓強度的變化不明顯，而抗折強度顯著與鋼纖維摻量呈正相關，當鋼纖維摻量為0 時，抗折強度為18.62MPa，當鋼纖維摻量為3.0%時，抗折強度為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，抗折時鋼纖維相當于結構中的鋼筋，可以大幅提高抗彎拉強度，另一方面鋼纖維與漿體的粘結力進一步提高了UHPC整體的力學性能。

4 結論

⑴UHPC 的擴展度與水膠比呈正相關，在滿足一定擴展度時，力學性能與水膠比呈負相關，試驗顯示合理的水膠為1.6～1.7。

⑵UHPC 的擴展度與砂膠比呈負相關，力學性能隨砂膠比增大先上升后下降，最佳砂膠比為1.1。

⑶UHPC 的擴展度與鋼纖維摻量呈負相關，力學性能與鋼纖維摻量呈正相關，其中，鋼纖維摻量大于1.5%之后，抗壓強度的變化不明顯，而抗折強度顯著與鋼纖維摻量呈正相關，鋼纖維的合理摻量應該在1.5%～2%。