王傳林，鐘思銳，高潤權，區(qū)鈺妍，黃鐘瓊

(汕頭大學 土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515063)

0 前 言

傳統(tǒng)混凝土因成本較低、制造工藝簡單等優(yōu)點被廣泛運用于當代社會，但因存在自重大、強度低、耐久性差等缺點，并不能滿足更高要求的社會需求。20世紀末，法國研發(fā)出活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，RPC)。而超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)就是基于RPC制備原理獲得的宏觀無缺陷水泥基材料。UHPC原材料為水、水泥、超細顆粒、細骨料、纖維以及高效減水劑，通過超細活性顆粒實現(xiàn)高密實度，使用高效減水劑實現(xiàn)減少用水量，最終實現(xiàn)混凝土的超高性能。與普通混凝土相比，UHPC的抗壓強度是普通混凝土的數(shù)倍甚至十倍，其耐久性與耐腐蝕性也比傳統(tǒng)混凝土更強。UHPC由于具備強度高、耐久性強等優(yōu)越性，是當今水泥基材料的研究熱點。但因UHPC存在配比特殊、技術復雜等制約因素，使得其在近期很難全面普及。本文通過分析影響UHPC性能的因素，主要包括：減水劑、水膠比、鋼纖維、石英粉，硅灰、攪拌方式和養(yǎng)護制度等，整理和總結各因素的工作原理，獲得最優(yōu)的材料配比、攪拌方式和養(yǎng)護制度，配制出具有最優(yōu)力學性能的UHPC，使其應用更加經(jīng)濟可行。

1 材料配合比

1.1 減水劑

減水劑是改善混凝土拌合物流動性的外加劑之一，對混凝土的發(fā)展起著至關重要的作用。20世紀90年代日本成功開發(fā)出聚羧酸系高效減水劑，并迅速成為使用最廣泛的減水劑國家之一?，F(xiàn)階段，聚羧酸系減水劑因其具有良好的分散穩(wěn)定性，在提高減水率、保持流動性方面效果顯著，同時還有摻量低、坍落度損失小、引氣適量、對膠凝材料適應性好、綜合性能優(yōu)異，是目前制備超高性能混凝土普遍使用的高效減水劑。

目前，關于聚羧酸系減水劑的作用機理主要有靜電斥力理論、空間位阻理論以及空位穩(wěn)定理論三種解釋。在向水泥中加水拌制過程中，通過水泥顆粒分子間的凝聚作用，水泥礦物水化后產(chǎn)生的某些締合作用而形成的絮凝結構會把自由水包裹在水泥顆粒之間，從而降低水泥漿的流動性。當加入聚羧酸系減水劑后，減水劑分子帶有的呈負電性基團在水中會離解出來并吸附在水泥顆粒表面，從而提高其表面Zeta電位絕對值，致使顆粒間靜電斥力增大，水泥顆粒分開，釋放出自由水，提高流動性。

多位學者[1-2]研究聚羧酸減水劑摻量對UHPC強度及流動性研究發(fā)現(xiàn)，UHPC流動性隨著減水劑摻量增加而提高，但抗壓強度及抗折強度達到峰值時存在最佳摻量。王哲等[1]通過聚羧酸減水劑摻量對UHPC的工作性能、濕堆積密實度以及強度的影響試驗得出減水劑摻量的合理區(qū)間為3%～4%。張志豪等[2]通過實驗發(fā)現(xiàn)聚羧酸高效減水摻量在2.0%～3.0%，UHPC的流動性能和抗壓強度最好。因此，根據(jù)文獻可知,聚羧酸減水劑摻量在2%～4%時，UHPC可以獲得較優(yōu)性能。

1.2 水膠比

水泥完全水化的理論需水量約占水泥總量的20%～25%，另外還需要一部分水用于改善混凝土的和易性。在拌制混凝土拌合物時，水膠比過大，拌合物流動性會增大，但是多余的水分會在混凝土內(nèi)部形成孔隙，致使混凝土承受荷載的有效面積減小并在孔隙周圍出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，從而減小混凝土的抗壓強度并降低其耐久性；水膠比過小，則沒有足夠的水供給水泥進行水化反應，阻礙水化進程，同時拌合物流動性過低，不僅難以密實成型，還會影響混凝土強度。因此，在滿足流動性和自密性等指標要求，選取合適水膠比成為制備超高性能混凝土的關鍵。

試驗表明隨著水膠比的增加，試件抗壓強度呈先增加后減小的趨勢。胡翱翔等[3]以0.02為梯度在0.12～0.20進行水膠比單一變量試配試驗。試驗結果顯示，隨著水膠比的降低，坍落度減小，抗壓強度先增加后減?。凰z比為0.12和0.14時坍落度小于150 mm，不滿足其設定的泵送要求；在水膠比為0.16時抗壓強度達到最大。在綜合流動性和抗壓強度兩個因素后，筆者建議水膠比為0.18。同樣的，陳曉冬[4]通過實驗發(fā)現(xiàn)，水膠比為0.20可同時符合流動性和強度的要求。由于實驗所使用的材料不盡相同，制作工藝和養(yǎng)護方式等方面上也存在一定差異，試驗結果會出現(xiàn)一定差異。因此，綜合UHPC的工作性能以及強度，最佳水膠比為0.16～0.20。

1.3 鋼纖維

鋼纖維摻量及其自身長徑比和形狀都是影響UHPC性能的重要因素?；炷翉姸仍礁撸嘈栽酱?，在 UHPC中摻加纖維，可以顯著提高其韌性和延性。目前混凝土常用的纖維包括聚丙烯纖維、玻璃纖維和鋼纖維等，其中鋼纖維是最常用的。鋼纖維能夠阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的擴展，對增加混凝土的韌性、抗沖擊性等起著關鍵作用，可有效避免無征兆脆性破壞的產(chǎn)生。

隨著鋼纖維體積摻量的增加，UHPC流動性降低，抗折強度增大，抗壓強度則先增大后降低。李峰等[5]研究表明鋼纖維摻量超過3%以后，UHPC工作性能大幅降低且鋼纖維增強效果開始減弱。王武峰[6]通過X-ray CT技術發(fā)現(xiàn)UHPC流動性下降趨勢和強度升高趨勢都在鋼纖維摻量達到2.0%時有一個突變點，從2.0%增加到2.5%時，流動性顯著下降，原因是鋼纖維摻量超過2.0%后，試件內(nèi)部纖維相互之間搭接的概率急劇下降，會有更多鋼纖維網(wǎng)絡結構形成。鋼纖維摻量為0～2%時，鋼纖維摻量增大，抗壓強度也增大，當鋼纖維摻量為2%～3%時，抗壓強度反而減小。綜合上述文獻，本文建議配制HPC 鋼纖維摻量為2%。

鋼纖維摻量較低時，鋼纖維長徑比對流動性和抗壓性能影響較小，而隨著摻量的增加，長徑比越大流動性越低，抗壓強度越大，但因長徑比對抗壓強度影響不明顯，故長徑比并不是影響UHPC性能的主要因素。在滿足工作性能要求和其他條件相同情況下，長徑比越大，抗折強度也隨之增大。提高纖維長徑比，可有效提高混凝土韌性。但纖維過長，反而會造成應力下降，故要選擇長徑比適中的鋼纖維。

1.4 活性礦物微粉

礦物細摻料不但能改善水泥新拌漿體的和易性，還能提高漿體的耐久性和抗壓強度，改善孔結構，降低孔隙率等。目前制備高強混凝土最通用的技術路線為：水泥+活性礦物摻料+高效減水劑。工程中常用的活性礦物微粉主要有：礦渣微粉、粉煤灰和硅灰。

毛丹[7]通過實驗發(fā)現(xiàn)摻入硅灰后的UHPC抗剪強度最高,且摻量超過20%后,抗剪強度與其他組的差距加大。這是因為硅灰可以增加混凝土勻質性，減少水泥漿-集料界面處Ca(OH)2結晶取向，從而減小界面尺寸。又由于硅灰與高堿性水化硅酸鈣產(chǎn)生火山灰反應,生成低堿性水化硅酸鈣，從而提高強度。而且未參與水化反應的礦物摻合料還可以微填充界面處孔隙，優(yōu)化和改善界面。此外，在減水劑作用下，硅灰作為超細顆粒對水泥顆粒起分散作用，釋放更多自由水。史才軍等[8]通過實驗得出，硅灰摻量對UHPC試件抗壓強度的影響不大，硅灰摻量為15%時，抗折強度最高。

為獲得更優(yōu)性能并滿足經(jīng)濟性，不少學者研究多種礦物微粉和水泥復摻。同時摻入硅灰和粉煤灰能使UHPC更緊密，在低水膠比環(huán)境下能使微粉顆粒的密實填充效應充分發(fā)揮，從而提高漿體抗壓強度。王德輝[9]指出硅灰和礦粉都能提高超高強混凝土流動度及抗壓強度。毛丹[7]研究硅灰、粉煤灰、水泥三元體系礦物微粉摻量對堆積密實度的影響，發(fā)現(xiàn)當硅灰和粉煤灰摻量都為15%時,三元顆粒體系的堆積密實度達到最大。

1.5 石英粉

石英粉的摻入可使UHPC的密實度提高。惰性SiO2是石英粉的主要成分，故石英粉一般不發(fā)生化學反應，只起物理填充的作用。石英粉在標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護條件下強度貢獻率較低，而壓蒸養(yǎng)護時石英粉能發(fā)生火山灰反應，其強度貢獻率為15%左右[8]。史才軍等[8]指出，摻入35%石英粉時，UHPC堆積密實度達到最大。王德輝[9]發(fā)現(xiàn)當石英粉摻量從 0增至30%時，UHPC流動度下降。當石英粉摻量從0增至20%時，UHPC抗壓強度增加。但是當石英粉摻量增至30%時，超高強混凝土抗壓強度下降。

1.6 砂膠比

合適的砂膠比，可以提高超高性能混凝土的流動性和穩(wěn)定性。砂膠比是通過改變砂粒間平均漿體厚度對RPC性能產(chǎn)生影響。砂膠比越大，砂粒所占比例升高，平均漿體厚度減小，RPC流動性減小；砂膠比減小時，平均漿體厚度增加，骨料被有效分隔開，同時有足夠的漿體將砂粒連為一體，增大砂粒與漿體間粘結力，從而提高整體抗壓、抗折強度。

梁詠寧等[10]通過實驗發(fā)現(xiàn)，砂膠比在0.9～1.2時，隨砂膠比的增加，流動度、抗折強度、抗壓強度都減小?？聴畹萚11]使用5種不同粒徑的河砂進行實驗發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律，隨著砂膠比的增大，水泥基流動性降低，抗壓強度在砂膠比為1.2時最大，但變化幅度很小。同樣的，胡翱翔等[3]通過試驗發(fā)現(xiàn)，砂膠比為1.50和1.35時，試件的抗壓強度較低。而砂膠比為1.27、1.00、0.80的實驗里，流動性均滿足工作性能要求，最大抗壓強度出現(xiàn)在砂膠比為1.27時。參照已有研究，綜合流動性和強度，推薦合理的砂灰比在1.0～1.4。

2 拌制工藝

拌制工藝的主要影響因素包括攪拌設備、混合料添加順序和拌制時間。何雁斌等[12]研究比較了3種不同投料次序對RPC性能的影響，實驗表明,投料次序的不同,對RPC抗折、抗壓強度有一定影響,對RPC流動性影響最大。研究發(fā)現(xiàn)最佳投料順序和攪拌時間是先將稱好的硅灰和水泥以及80%溶有高效減水劑的水依次倒入拌鍋中,攪拌5 min，加入砂子和石英粉以及剩余20%溶有高效減水劑的水,攪拌5 min。陳毅卓等[13]則推薦加料順序是將砂子、水泥、硅粉、礦物摻合料和鋼纖維倒入攪拌機中,干攪90 s至攪拌均勻,然后將50%的水與高性能減水劑混和后加入攪拌機,再將剩余的水加入,攪拌3 min,使鋼纖維在混凝土中分布均勻。此外，提高攪拌速率和延長攪拌時間能降低UHPC含氣量,提高其強度。提高攪拌速率，可縮短最優(yōu)攪拌時間。相同攪拌速率下,攪拌時間增長,小直徑孔的比例增大,氣泡結構得到一定改善,從而提高UHPC強度。

3 養(yǎng)護制度

制備UHPC常用養(yǎng)護制度主要包括常溫養(yǎng)護、高溫養(yǎng)護、熱養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護和干熱養(yǎng)護等，不同養(yǎng)護條件對UHPC性能影響程度不一。根據(jù)已有的文獻資料可知不同養(yǎng)護制度的差異：高溫養(yǎng)護>熱水養(yǎng)護>標準水養(yǎng)護>標準養(yǎng)護>絕濕養(yǎng)護>自然養(yǎng)護。牛旭婧等[14]指出與單一水養(yǎng)、單一干熱養(yǎng)護或組合養(yǎng)護相比,熱水-干熱組合養(yǎng)護可以顯著提高UHPC力學性能,且延長干熱養(yǎng)護持續(xù)時長或提高干熱養(yǎng)護溫度將更加顯著提高UHPC力學性能。實驗得出最佳組合養(yǎng)護制度為90 ℃熱水養(yǎng)護2 d+250 ℃干熱養(yǎng)護3 d。

除養(yǎng)護制度條件之外，養(yǎng)護時間也是重要因素，曾慶鵬[15]通過實驗得出，在熱水溫度不同時,最佳養(yǎng)護時長也不同。當養(yǎng)護溫度為60 ℃和90 ℃時,熱水養(yǎng)護最佳養(yǎng)護時長分別為4 d和3 d。

大部分學者表明，高溫養(yǎng)護是提高UHPC抗壓強度最明顯的養(yǎng)護方式，且高溫養(yǎng)護所用時間相對較短。因此，在條件允許情況下，選擇高溫養(yǎng)護能配制出性能更好的UHPC。

4 結 論

本文對影響UHPC性能的三個主要因素：材料配比、攪拌方式和養(yǎng)護制度，進行了詳細的總結與分析，得出以下結論。

1)聚羧酸系減水劑因其具有良好的分散穩(wěn)定性，在提高減水率、保持流動性方面效果顯著，能夠很好地適應膠凝材料等優(yōu)點，是目前制備超高性能混凝土使用最多的高效減水劑。推薦減水劑最佳摻量為2%～4%。

2)水膠比對UHPC力學性能影響顯著。一般情況下，水膠比越大，UHPC力學性能越差。綜合不同研究，筆者建議最佳水膠比為0.16～0.20。

3)在UHPC中摻加鋼纖維，可以顯著提高UHPC韌性和延性，推薦最佳摻量為2%～2.5%。

4)礦物細摻料不但能改善水泥新拌漿體和易性，還能提高漿體耐久性和抗壓強度，推薦活性礦物摻量為25%。

5)石英粉可以提UHPC高密實度，但是石英粉除高溫養(yǎng)護條件下,一般不發(fā)生化學反應，不作為膠凝材料，石英粉建議摻量為30%。

6)合適的砂膠比可以提高超高性能混凝土流動性和穩(wěn)定性，推薦砂膠比為1.0～1.4。

7)攪拌方式會輕微影響UHPC的力學性能，推薦攪拌程序為：材料和一部分溶有高效減水劑的水分步倒入攪拌鍋中進行攪拌均勻，后續(xù)加入剩下混合液，并采用較高攪拌速率并增加攪拌時間。

8)高溫養(yǎng)護是提高UHPC抗壓強度最明顯的養(yǎng)護方式，且高溫養(yǎng)護所用時間相對較短；而標準高溫養(yǎng)護是最容易實現(xiàn)、最經(jīng)濟的養(yǎng)護方式，但是對UHPC抗壓強度影響幅度最小。

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