劉子源，李磊，柯偉席，成良民，陳林，鄒偉

（1.武漢三源特種建材責(zé)任有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430080）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力學(xué)性能和耐久性能，被廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高層、大跨度、高耐久性工程結(jié)構(gòu)中[1]。隨著材料研究和工程應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，橫向坡與縱向坡UHPC建筑越來越普遍，UHPC在坡面硬化前在重力作用下會(huì)導(dǎo)致所成坡度消失或減小[2]，因此，減少UHPC在坡面硬化前無法保持與定型等現(xiàn)象變得至關(guān)重要。為了使UHPC滿足抹坡后能良好保持形態(tài)坡度的特殊工況和功能要求，通過在UHPC中摻入觸變劑來提高其觸變性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)UHPC在澆筑與振搗時(shí)具有良好的流變性能，便于施工，在抹坡處理后，具有良好的形狀保持能力，便于坡度定性。

有研究表明，粉煤灰與微珠可降低膠凝材料漿體的屈服應(yīng)力、塑性黏度與觸變性[3-4]，硅灰會(huì)增大膠凝材料漿體的觸變性[5-6]。高南簫等[7]的研究表明，油脂在堿性條件下制成的新型脂肪酸鹽類觸變劑對(duì)水泥漿體的觸變性有良好的改善效果。目前大多數(shù)研究都是基于水泥漿體以及混凝土的流變性能研究，而針對(duì)低水膠比的超高性能混凝土研究較少。

本文研究了觸變劑對(duì)UHPC工作性能、流變性及力學(xué)性能的影響，進(jìn)而為觸變劑在UHPC工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：華新水泥股份有限公司P·O52.5水泥，表觀密度3210 kg/m3，比表面積384 m2/kg；微珠：深圳道特科技有限公司，表觀密度2550 kg/m3，比表面積1690 m2/kg；超細(xì)礦粉：武漢武新新型建材股份有限公司，表觀密度2500 kg/m3，比表面積1351 m2/kg，水泥、微珠和超細(xì)礦粉的主要化學(xué)成分見表1，水泥的物理力學(xué)性能見表2。石英砂：將細(xì)度模數(shù)分別為1.3和2.2的石英砂按1∶1的質(zhì)量比混合得到；減水劑：江蘇兆佳建材科技有限公司生產(chǎn)的PC8010粉體聚羧酸減水劑，減水率為23%；觸變劑：廣東龍湖科技股份有限公司OPTIBENT 602型觸變潤(rùn)滑劑，主要成分為硅酸鎂鋁（3MgO·15Al2O3·8SiO2·9H2O），密度為800 g/L，含水量為9%～13%；鋼纖維：長(zhǎng)13 mm、直徑0.2 mm，平直形。

表1 水泥、微珠和超細(xì)礦粉的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

1.2 混凝土配合比

本試驗(yàn)中UHPC的配合比如表3所示，水膠比為0.16，鋼纖維體積摻量為基體的2%，觸變劑摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

表3 UHPC基體的配合比 %

1.3 測(cè)試方法

（1）流動(dòng)度與坡面流動(dòng)度：流動(dòng)度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，坡面流動(dòng)度測(cè)試在一端墊高4 cm（8%坡比）的邊長(zhǎng)為50 cm玻璃板上進(jìn)行，如圖1所示。

（2）流變性與觸變性：采用德國產(chǎn)eBT-V新澆混凝土流變儀的V模式，星形葉片探頭，葉片半徑為51.5 mm、高度為103 mm、測(cè)量池半徑為122 mm。在不同剪切速率下考察觸變劑對(duì)UHPC流變特性的影響。UHPC的流變性能采用修正Bingham流體模型描述，塑性黏度和屈服應(yīng)力可以從角速度和測(cè)量的扭矩中計(jì)算得出。測(cè)試漿體流變參數(shù)的流變制度如圖2（a）所示。流變制度測(cè)試時(shí)間為230s，在0～90 s內(nèi)轉(zhuǎn)速線性增大，隨后轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)階梯式下降。測(cè)試漿體觸變性的制度如圖2（b）所示，0～90 s內(nèi)轉(zhuǎn)速線性增大到40 r/min，隨后轉(zhuǎn)速線性減小至0，據(jù)此得到漿體的扭矩-轉(zhuǎn)速滯回曲線（即觸變環(huán)），根據(jù)觸變環(huán)的面積來評(píng)價(jià)漿體的觸變性。

（3）抗壓強(qiáng)度：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，標(biāo)養(yǎng)7 d、28 d分別進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 觸變劑摻量對(duì)UHPC流動(dòng)性的影響（見圖3）

由圖3可見，摻加觸變劑后UHPC的流動(dòng)度均較未摻觸變劑的空白組有所減小。其原因?yàn)橛|變劑中片層狀的硅酸鹽礦物材料在水中能夠形成一種卡屋式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可提高體系的基本黏度，但當(dāng)受到的剪切力超過某一極限值時(shí)，該結(jié)構(gòu)被破壞使黏度降低，體系可恢復(fù)良好的流動(dòng)性。觸變劑摻量越多，UHPC流動(dòng)度下降趨勢(shì)越強(qiáng)，當(dāng)觸變劑摻量為0.2%時(shí)，平面流動(dòng)度與坡面流動(dòng)度分別為242、260 mm，較空白組分別降低了12.8%、30.7%；當(dāng)觸變劑摻量為0.4%時(shí)，UHPC基本無流動(dòng)性。

2.2 觸變劑對(duì)超高性能混凝土流變性能與觸變性的影響

采用Bingham模型分析計(jì)算摻鋼纖維的低水膠比UHPC得到的屈服應(yīng)力為負(fù)值，從物理意義上來說，UHPC的屈服應(yīng)力應(yīng)為正值，因此UHPC采用Bingham模型分析是不可行的，從而選擇修正Bingham流體模型來計(jì)算UHPC砂漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度，屈服應(yīng)力和塑性黏度由Reiner-Riwlin方程確定。

式中：T——扭矩，N·m；

N——轉(zhuǎn)速，r/s；

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

C——修正系數(shù)；

R1——測(cè)量池半徑，51.5 cm；

R2——葉片半徑122cm；

h——葉片高度，103 cm；

G、H——修正前擬合得到T-N直線的截距與斜率（修正前線性關(guān)系為T=G+H·N）。

圖4為摻觸變劑UHPC的流變曲線，可以看出，該模型擬合曲線與實(shí)測(cè)UHPC流變曲線具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)最小也可達(dá)到0.94239。

表4為根據(jù)擬合公式計(jì)算得到的UHPC屈服應(yīng)力與塑性黏度。

表4 UHPC的屈服應(yīng)力與塑性黏度

由表4可見，觸變劑的摻入使UHPC的屈服應(yīng)力與塑性黏度進(jìn)一步增大，且隨著觸變劑摻量的增加，屈服應(yīng)力與塑性黏度逐漸增大。與U0相比，U2的屈服應(yīng)力與塑性黏度分別增大了19.0%與3.5%。

膠凝材料漿體的觸變環(huán)面積，即觸變性大小取決于漿體內(nèi)部阻礙流動(dòng)的絮凝結(jié)構(gòu)的數(shù)量[8-9]。相同條件下，觸變環(huán)面積越大，漿體的觸變性就越大。摻觸變劑的UHPC觸變環(huán)如圖5所示。

由圖5可見，漿體的觸變環(huán)面積大小存在差異，經(jīng)計(jì)算，U2的觸變環(huán)面積是U0的4.2倍，摻入觸變劑的UHPC中形成了更多的卡屋式結(jié)構(gòu)，觸變環(huán)面積明顯大于未摻觸變劑組。觸變劑的摻入提高了UHPC的觸變性。

2.3 觸變劑對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見表5）

表5 觸變劑摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可以看出，在觸變劑摻量為0.2%時(shí)，觸變劑對(duì)UHPC基體的抗壓強(qiáng)度影響較小，其標(biāo)養(yǎng)28 d抗壓強(qiáng)度較空白組下降了4.2%；當(dāng)觸變劑摻量繼續(xù)增加時(shí)，UHPC的抗壓強(qiáng)度下降程度明顯，觸變劑摻量為0.4%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度較空白組下降了23.4%。這主要與其工作性能有關(guān)，在相同配合比條件下，觸變劑摻量超過0.3%時(shí)，流動(dòng)度較差，基體中較多的氣泡無法排出，使UHPC基體中有害氣孔增加，影響基體的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）觸變劑影響超高性能混凝土的流動(dòng)性，隨其摻量的增加，流動(dòng)度減小，觸變劑摻量為0.2%時(shí)，流動(dòng)度與斜面流動(dòng)度較空白組分別減小了12.8%、30.7%。

（2）采用修正Bingham流體模型進(jìn)行計(jì)算可知，摻觸變劑增大了UHPC的屈服應(yīng)力、塑性黏度，提高了其觸變性，觸變劑摻量為0.2%時(shí)，屈服應(yīng)力與塑性黏度較空白組分別提高了19.0%、3.5%。

（3）在相同UHPC配合比條件下，不同摻量觸變劑對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度影響程度不同，摻量為0.2%時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度無明顯影響；摻量達(dá)到0.4%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度較空白組降低了23.4%。