何 霞 郭江川

(重慶交通大學 重慶 400000)

超高性能混凝土(UHPC)是一種新型的超高強混凝土，具有超高強、低脆性、優(yōu)異的耐久性的特點；是近30年工程材料的一重大跨越，賦予了水泥基材料新的使命，具有低碳環(huán)保，性能優(yōu)異等特點[1-4]。它是由水泥、粉煤灰、礦渣粉、細集料、硅粉、礦渣粉、高性能減水劑等材料組成，為了改善UHPC的韌性加入鋼纖維。以往的UHPC制作采用的是石英砂和天然河砂，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，天然河砂的大量開采及其應用導致了資源匱乏等一系列問題，石英砂的生成工藝較為復雜且成本較高，機制砂是石料通過制砂設備加工而成，石料品種較為豐富，且工藝簡單，成本較低，因此，采用機制砂代替石英砂和天然河砂成為必然的發(fā)展趨勢[5-7]。

馮滔滔[8]等人采用了機制砂取代河砂制作超高性能混凝土研究了其沖擊壓縮力學性能，結果表明機制砂代替河砂后，UHPC的抗壓強度與僅用河砂配制的UHPC相近，且機制砂UHPC具有優(yōu)異的抗沖擊性能，可以承受多次沖擊行為。范金朋[9]等人通過不同種類機制砂代替河砂制得UHPC，優(yōu)質的機制砂種類有利于改善混凝土性能。李振懷[10]等人采用石灰石和卵石兩種石料制得機制砂，研制了高強混凝土，研究了機制砂的石粉含量對混凝土的性能影響。

本文中筆者采用機制砂制得UHPC，鋼纖維體積摻量為2%，通過不同的水膠比和砂膠比[11]探究機制砂超高性能混凝土的力學性能。

一、實驗

(一)原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積375m2/kg，依據(jù)相應規(guī)范對水泥進行物理性能的測定，測定結果見表1.1。硅灰比表面積為2.52×104m2/kg,；礦渣粉表觀密度為2.89g/cm3；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，表觀密度為2.6g/cm3；機制砂采用輝綠巖機制砂(0-1.18)，表觀相對密度2.923，含水率0.2%，石粉含量3.8%；減水劑為聚羧酸系高性能粉體減水劑；鋼纖維直徑為0.2mm，長度為13mm。

表1.1 普通硅酸鹽水泥物理性能檢測

通過大量配合比試驗，選取不同砂膠比和水膠比來探討機制砂超高性能混凝土的工作性和力學性能，如表1.2。

表1.2 機制砂UHPC配合比

(二)制備

采用振動攪拌機，首先將制備超高性能混凝土的原材料：水泥、機制砂、硅灰、粉煤灰、礦渣粉及粉狀減水劑投入振動攪拌機攪拌中干拌120s，將鋼纖維通過篩網(wǎng)均勻篩下，以保證鋼纖維在拌和機中均勻分散，再次啟動振動攪拌機攪拌30s，最后加入將配合比中定量的水并攪拌90s。攪拌結束后，將超高性能混凝土漿體攪入涂有脫模劑的模具中。將試件蓋上保濕膜放入室內常溫養(yǎng)護2d，然后脫模。

(三)養(yǎng)護

總體來看，民國時期公共體育場場長的相關規(guī)定既有單行法規(guī)也有綜合性法規(guī)，相關條文對公共體育場場長的任職條件、薪金待遇、主要的工作職責等作出了規(guī)定。這些法規(guī)為公共體育場場長的身份提供了法制方面的保障，同時也是我們認識民國時期公共體育場場長這一群體的基礎。

脫模后的試件，分別進行三種養(yǎng)護方式處理(標準養(yǎng)護、85℃恒溫水養(yǎng)、高溫蒸壓養(yǎng)護)，標準養(yǎng)護溫度為20±2℃，相對濕度大于95%；恒溫水養(yǎng)為90℃恒溫水浴養(yǎng)護48h，然后轉入標準養(yǎng)護至相應齡期；高溫蒸壓養(yǎng)護將試件放入高溫蒸養(yǎng)箱然后以不超過15℃/h的速率升溫至90℃，恒溫48h，然后以不大于15℃/h的速率降至室溫,轉入標準養(yǎng)護至相應齡期。

(四)實驗

機制砂超高性能混凝土的工作性采用坍落擴展度來表征，參照《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》(GB/T50080-2016)，由于UHPC水膠比較小，在攪拌和實驗過程中盡量減少水分的揮發(fā)，故改為分兩次裝平坍落度桶。

試件養(yǎng)護至7d、28d進行力學試驗，機制砂超高性能混凝土力學試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行立方體抗壓強度、抗折強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗。

二、結果與討論

(一)工作性

機制砂UHPC未摻鋼纖維的坍落擴展度為650mm，鋼纖維的加入降低了UHPC的流動性。砂膠比為0.95、1.05、1.15的機制砂UHPC的坍落擴展度分別為600mm、580mm、550mm，隨著砂膠比的增加，機制砂UHPC的流動性降低。這主要是因為隨著機制砂用量的增加，比表面積增大，需要更多的膠凝材料和水來裹覆，導致流動性下降；機制砂制備工藝中，機制砂包含的石粉含量較多，導致漿體粘度較大需水量較大不利于工作性，再加上機制砂顆粒形貌特性，表面粗糙，不規(guī)則、棱角分明，導致顆粒之間摩擦力較大，也會導致UHPC的流動性下降。在砂膠比1.05的基礎上調整水膠比分別為0.16、0.18、0.20，可觀察到UHPC的流動性隨著水膠比的增大而增加，坍落擴展度由540mm增加到610mm，流動性得到很大改善。當水膠比為0.16成型試件時漿體流出十分緩慢，需要插搗才能密實，此配合比可用于預制件的制備，不利于現(xiàn)場施工；水膠比增加到0.18時，UHPC流動性有明顯的改善，澆筑試件只需輕微振搗；水膠比0.20時，漿體順暢流出，成型試件無需人工抹平。

表2.2 恒溫水浴養(yǎng)護下各組UHPC的力學性能

(二)抗壓強度

如表2.1、2.2、2.3可知，鋼纖維的摻入大幅度的提高了UHPC的抗壓強度，主要是鋼纖維在混凝土中起橋接作用，形成纖維網(wǎng)狀結構，抑制裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，消耗更多斷裂能，進而提高抗壓強度。機制砂UHPC在標準養(yǎng)護下7d抗壓強度可達到120MPa左右，而高溫蒸壓養(yǎng)護和恒溫水浴養(yǎng)護的7d抗壓強度可達到145MPa左右，提高了20.8%。兩種熱養(yǎng)護相比于標準養(yǎng)護，均可以提高機制砂UHPC的抗壓強度，其效果相當，主要是因為高溫蒸壓養(yǎng)護與恒溫水浴養(yǎng)護作用原理相似，兩種熱養(yǎng)護都能促進早期水化過程的進行，且抑制混凝土內部水分的逸出，建立高溫、高濕的養(yǎng)護環(huán)境，水化反應越劇烈，水化進程也加快，且溫度越高水泥及摻合料的活性越大，會加速礦物摻合料與水化產(chǎn)物進行二次反應，使UHPC內部形成較為致密的C-S-H框架結構，促進摻合料的火山灰效應，使混凝土基體更加致密，進而顯著提高抗壓強度。在抗壓試驗過程中，不同養(yǎng)護制度的UHPC試件在破壞時的聲音也不同，兩種熱養(yǎng)護的UHPC試件在破壞時伴隨著明顯“嘣”的炸裂聲，而標準養(yǎng)護的UHPC試件在受壓破壞時，只有輕微的鋼纖維在內部受力的拉扯開裂聲。這也變相的反映了熱養(yǎng)護使機制砂UHPC基體內部更為致密，水化產(chǎn)物之間粘結力更強。

表2.1 標準養(yǎng)護下各組UHPC的力學性能

標準養(yǎng)護28d的抗壓強度比7d齡期的提升20.1%，因為標準養(yǎng)護7d水化反應不完全，28d齡期中持續(xù)水化反應，使UHPC試件更致密。高溫蒸壓養(yǎng)護和恒溫水浴養(yǎng)護的28d抗壓強度比7d的抗壓強度增加較少，是因為兩種熱養(yǎng)護對機制砂UHPC的提供了高溫、高濕、高壓的養(yǎng)護環(huán)境，促使UHPC水化反應迅速，使早期水化進程較為完全，水化反應消耗大量的水，所剩游離自由水較少，且生成的水化產(chǎn)物阻礙了自由水的運動，所以UHPC得后期抗壓強度增加的較緩。

由圖2.1為機制砂UHPC不同砂膠比的抗壓強度，在三種養(yǎng)護制度下，抗壓強度隨著砂膠比的增大先增加后減少。砂膠比1.05在高溫蒸壓養(yǎng)護7d抗壓強度為142.4MPa，砂膠比1.15的7d抗壓強度為156.4MPa，砂膠比0.95抗壓強度小，膠凝材料裹覆機制砂有富余，收縮較大，收縮引起缺陷導致抗壓強度不高，而砂膠比1.05的UHPC抗壓強度增大是因為機制砂顆粒粗糙、棱角分明，具有較高的機械咬合力，顆粒之間有較大摩擦力，膠凝材料與機制砂的裹覆附著力更強，砂膠比增大為1.15時抗壓強度減小，膠凝材料不能完全裹覆骨料，機制砂之間的空隙無法得到填充，導致膠凝材料與骨料的界面變弱，且砂膠比增大，需水量也增加，導致流動性差，試件成型過程中產(chǎn)生缺陷較多。

圖2.1 不停砂膠比機制砂UHPC抗壓強度

圖2.2為機制砂UHPC不同水膠比的抗壓強度，在三種養(yǎng)護制度下，抗壓強度隨著水膠比的先增大后減小。水膠比較小時，UHPC的流動性較小，再加上機制砂顆粒粗糙特性，沒有石英砂的，混凝土在成型過程中，密實不完全，出現(xiàn)空洞缺陷導致混凝土強度降低，當水膠比過大時，會影響C-S-H凝膠的強度，進而影響UHPC的強度，所以當水膠比為0.16和0.18時，機制砂UHPC的抗壓強度差別不大。

圖2.2 不同水膠比機制砂UHPC抗壓強度

(三)抗折強度

由表2.3，分析可得，加入2%體積摻量的鋼纖維使機制砂UHPC在高溫蒸壓養(yǎng)護下抗折強度比未摻鋼纖維提高了123.2%，達到了26.13MPa。試件在受到荷載的作用，開始發(fā)生緩慢變形，隨著荷載的增加，抗折試件在跨中區(qū)域開始出現(xiàn)裂縫。隨著實驗過程的繼續(xù)，試件的裂紋寬度變大，并不斷的伴隨著纖維拔出的聲音。鋼纖維在UHPC中形成纖維網(wǎng)狀結構，通過界面效應吸收更多斷裂能來增強增韌UHPC。從抗折實驗結果可知標準養(yǎng)護的機制砂UHPC比兩種熱養(yǎng)護的7d抗折強度要低，只有21MPa左右，而其他兩種熱養(yǎng)護的抗折強度高達26MPa。原因是養(yǎng)護制度不同，UHPC水化程度不同，標準養(yǎng)護的水化反應較緩慢，水化生成C-S-H凝膠較少，導致纖維與基體界面粘結力較低，纖維發(fā)揮增韌作用較小，而兩種熱養(yǎng)護促進了水化進程，UHPC基體內部更為致密，生成的C-S-H凝膠更更多、為致密，缺陷較少，纖維與基體粘結強度高，纖維脫粘、纖維橋接、纖維拔出、纖維斷裂等過程吸收更多能量達到增韌的目的。

表2.3 高溫蒸壓養(yǎng)護下各組UHPC的力學性能

圖2.3是不同砂膠比，機制砂UHPC抗折強度變化趨勢，從三種不同養(yǎng)護制度的抗折強度可知，隨著砂膠比增加機制砂UHPC抗折強度先增大后減小。砂膠比0.95在高溫蒸汽養(yǎng)護下7d抗折強度25.85MPa，而砂膠比1.05機制砂UHPC7d抗折強度26.92MPa，由于砂膠比為0.95時膠凝材料裹覆集料有富余，導致水化過程中收縮較大，引起機制砂UHPC基體內部缺陷，形成微裂紋，所以比砂膠比1.05的抗折強度低。當砂膠比增加到1.15時，抗折強度下降到25.15MPa，由于砂膠比的增大，機制砂摻量增多，集料之間的空隙增加，機制砂的比表面積增大，需要更多的膠凝材料來填充空隙和裹覆。當膠凝材料無法填充空隙和裹覆集料時，會影響UHPC的工作性，導致其流動性下降，UHPC成型過程中無法自動密實。當砂膠比高，膠凝材料無法完全裹覆集料，使C-S-H凝膠與骨料界面區(qū)和C-S-H與鋼纖維界面區(qū)薄弱，導致強度下降。

圖2.3 不同砂膠比機制砂UHPC抗折強度

水膠比對機制砂UHPC抗折強度的影響，在三種養(yǎng)護制度下，機制砂UHPC的抗折強度隨著水膠比增大先增大后減小。當水膠比為0.16時，UHPC的流動性不足，成型過程中基體內部無法密實，內部氣泡無法排除，容易出現(xiàn)孔洞形成缺陷，導致抗折強度降低；當水膠比0.18時，機制砂UHPC的抗折強度達到了最高，高溫水浴養(yǎng)護抗折強度達到了29.23MPa，且工作性也較好；當水膠比增加到0.20時，流動性得到了很大的改善，但是用水量增加，會降低水化硅酸鈣的強度，且在水化過程水被消耗留下孔洞，導致抗折強度降低。

(四)劈裂抗拉

從機制砂UHPC劈裂抗拉強度的試驗結果分析，可得出劈裂抗拉強度的規(guī)律基本與抗壓強度和抗折強度相似，高溫蒸汽養(yǎng)護和高溫水浴養(yǎng)護比標準養(yǎng)護的劈裂抗拉強度提升的更多，主要是兩種熱養(yǎng)護方式能促進其水化反應，能促進硅灰等摻合料的火山灰效應，強度提升快；其中砂膠比為1.05和水膠比為0.18時劈裂抗拉強度達到峰值，在高溫水養(yǎng)制度下7d、28d的劈裂抗拉強度分別為15.64MPa、15.81MPa，比未摻鋼纖維7d、28d的劈裂抗拉強度分別提高了109.7%、106.7%，過高過低的砂膠比和水膠比都會對機制砂UHPC強度造成不良的影響，所以選擇合適的砂膠比和水膠比能使機制砂UHPC的工作性和力學性能達到最佳。

三、結論

(1)機制砂UHPC在三種不同的養(yǎng)護制度下，水化進程各有不同，兩種高溫養(yǎng)護方式能提供高溫高濕高壓的環(huán)境，能促進硅灰、粉煤灰等摻合料的火山灰效應，形成二次水化，使UHPC強度提升較快。

(2)機制砂UHPC在鋼纖維的加入，大幅度的提升了其力學性能，尤其是抗折強度與劈裂抗拉強度，鋼纖維在UHPC基體內形成纖維網(wǎng)絡結構，阻礙裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，消耗更多能量起到增強增韌的作用。

(3)增大機制砂UHPC的水膠比時，會導致UHPC的流動性呈線性增加，抗壓強度會隨著水膠比的增大，先增加而減小，主要因為過低水膠比會導致UHPC流動性較差，無法填充密實，微結構中留有大量氣孔等缺陷；過高的水膠比會導致C-S-H凝膠強度降低，所以本文試驗研究得出水膠比為0.18時，有較好的工作性和力學性能。

(4)機制砂UHPC的砂膠比對其工作性和力學性能都有較大的影響，當砂膠比較小時，水泥膠漿裹覆砂料后富余過多會導致UHPC收縮，過高的砂膠比水泥膠漿裹覆不足導致C-S-H凝膠與細骨料界面薄弱，導致強度下降。所以本文試驗研究得出砂膠比為1.05時，有較好的工作性和力學性能。