龔致遠(yuǎn)，顧炳偉，2，鄒金麗，陳東陽

（1.江蘇海洋大學(xué) 土木與港海工程學(xué)院，江蘇 連云港 222002；2.江蘇省海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施智能建造工程研究中心，江蘇 連云港 222002）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）以水泥和多種工業(yè)廢渣作為多元膠凝體系，以鋼纖維為增強(qiáng)相，采用常規(guī)制備技術(shù)，其拌合物具有流動性良好、力學(xué)性能和耐久性優(yōu)異等特點，是一種新型生態(tài)綠色環(huán)保水泥基材料[1-3]。目前國內(nèi)外學(xué)者對UHPC的工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究[4-8]。但大多僅限于單一因素對于UHPC性能的影響，而多因素耦合對于UHPC早期性能的影響研究較少。

本文基于超高性能混凝土的制備原理設(shè)計出UHPC的基礎(chǔ)配合比，采用擴(kuò)展度、抗折和抗壓強(qiáng)度試驗，分析水膠比、粉煤灰、礦渣粉、硅灰和鋼纖維摻量對UHPC工作性能和早期力學(xué)性能的影響，以期為UHPC的材料組成、配比優(yōu)化及工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O52.5水泥，主要性能見表1；粉煤灰：Ⅱ級，主要技術(shù)性能見表2；礦渣粉：比表面積420 m2/kg，7 d活性指數(shù)81%；硅灰：SiO2含量90.5%，7 d活性指數(shù)119%；鋼纖維：長度12.26 mm，長徑比61，抗拉強(qiáng)度2886 MPa；砂：連云港當(dāng)?shù)睾由?，?xì)度模數(shù)2.87，經(jīng)篩分后選用0.16~1.25 mm部分；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率30%，固含量98%；水：自來水。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

1.2 試驗配合比

為分析UHPC的材料組成對其早期性能的影響規(guī)律，將水膠比以及粉煤灰、礦渣粉、硅灰和鋼纖維摻量作為試驗變量，其中粉煤灰、礦渣粉和硅灰摻量按占水泥質(zhì)量計，鋼纖維摻量以體積百分?jǐn)?shù)計，減水劑摻量按占膠凝材料質(zhì)量計。根據(jù)試驗變量設(shè)計的試驗配合比見表3。

表3 UHPC的試驗配合比

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

試件制備：首先將稱量好的水泥、砂、粉煤灰、硅灰和礦渣粉在臥式強(qiáng)制攪拌機(jī)（轉(zhuǎn)速40 r/min）中干拌2 min，然后將溶入減水劑的水加入，繼續(xù)攪拌6~10 min，最后加入鋼纖維攪拌2 min。攪拌完成后，將拌合物裝入40 mm×40 mm×160 mm試模進(jìn)行振搗抹平，用薄膜進(jìn)行覆蓋，24 h后拆模。

試件養(yǎng)護(hù)：采用90℃熱水養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.4 性能測試

UHPC拌合物的擴(kuò)展度按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，抗折及抗壓強(qiáng)度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比對UHPC早期性能的影響（見表4）

表4 水膠比對UHPC早期流動性及強(qiáng)度的影響

由表4可見：

（1）水膠比對新拌混凝土的流動性影響較為顯著。當(dāng)水膠比為0.16時，UHPC擴(kuò)展度為430 mm，拌合物過于粘稠，不易成型。水膠比為0.20時，拌合物的流動性得到改善，擴(kuò)展度提高至720 mm。特別是當(dāng)水膠比大于0.19時，用水量增多，骨料和鋼纖維得到有效包裹，UHPC流動性呈現(xiàn)出隨水膠比增大而提高的規(guī)律。

（2）相同齡期時，隨水膠比的增大，UHPC的早期強(qiáng)度大致呈逐漸降低的趨勢。7 d抗折強(qiáng)度在水膠比為0.20時最低，較水膠比為0.16的UHPC降低了21.3%；7 d抗壓強(qiáng)度在水膠比0.19時最低，較水膠比為0.16的UHPC降低了14.9%。當(dāng)水膠比過大時，基體孔隙中殘余較多水分，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生危害性氣孔，造成試件有效受力面積減小，鋼纖維與基體的界面過渡區(qū)會形成致使結(jié)構(gòu)疏松的水膜[9]，進(jìn)而影響界面區(qū)的密實性，導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。而對于水膠比小的UHPC拌合物，內(nèi)部水分較少，水化反應(yīng)主要發(fā)生在膠凝材料表面，膠凝材料被完全包裹于水化產(chǎn)物下，距離很遠(yuǎn)的膠凝材料和骨料因此得到緊密連接，使得UHPC的勻質(zhì)性得到提高。此外，低水膠比在一定程度上降低了漿體內(nèi)部孔隙率[10]，提高了強(qiáng)度。當(dāng)水膠比增大到0.20時，試件抗壓強(qiáng)度略有回升，主要因為水膠比的增大改善了漿體的流動性，從而實現(xiàn)了自流平，有助于內(nèi)部的氣泡排出，彌補(bǔ)了UHPC強(qiáng)度的損失。此外，通過不同齡期力學(xué)性能的對比可以看出，UHPC的早期強(qiáng)度發(fā)展十分迅速，1 d抗折強(qiáng)度最低達(dá)到了23.22 MPa，抗壓強(qiáng)度最低達(dá)到98.6 MPa，均超過了7 d強(qiáng)度的75%。

2.2 粉煤灰摻量對UHPC早期性能的影響（見表5）

表5 粉煤灰摻量對UHPC早期流動性及強(qiáng)度的影響

由表5可見：

（1）隨粉煤灰摻量的增加，UHPC的擴(kuò)展度逐漸增大。粉煤灰摻量從0增加到30%時，UHPC的擴(kuò)展度從440 mm增大到500 mm。這是因為粉煤灰中的球形微珠表面光滑，在漿體中可以發(fā)揮較好的潤滑作用，從而提高拌合物的流動性。同時粉煤灰的粒徑分布與水泥接近，但反應(yīng)活性卻遠(yuǎn)小于水泥，減緩了早期水化反應(yīng)的速度，一定程度上降低了用水量，粉煤灰對早期水化反應(yīng)起到“解絮”作用[11-12]，改善了UHPC的流動性。

（2）隨粉煤灰摻量的增加，UHPC的強(qiáng)度逐漸降低。粉煤灰摻量為10%、20%、30%時，UHPC的7 d抗折強(qiáng)度較未摻粉煤灰的基準(zhǔn)組分別降低了3.2%、10.1%、9.8%，7 d抗壓強(qiáng)度分別降低了9.2%、16.3%、14.9%。主要由于粉煤灰的反應(yīng)較慢，作為礦物摻合料在早期主要發(fā)揮物理填充作用，且隨著粉煤灰摻量的增加，漿體黏度減小，導(dǎo)致各材料間的粘接強(qiáng)度降低。

（3）熱水養(yǎng)護(hù)7 d后，F(xiàn)A-30試件的強(qiáng)度高于FA-20試件，主要因為粉煤灰中的活性物質(zhì)與Ca（OH）2等堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成大量水化硅酸鈣等膠凝物質(zhì)，填充于內(nèi)部孔隙，粉煤灰的二次水化反應(yīng)消耗了大量Ca（OH）2，起到細(xì)化孔的作用，使水泥石更加致密。

2.3 礦渣粉摻量對UHPC早期性能的影響（見表6）

表6 礦渣粉摻量對UHPC早期流動性及強(qiáng)度的影響

由表6可見：

（1）隨礦渣粉摻量的增加，UHPC的擴(kuò)展度逐漸增大。礦粉摻量從0增加至10%時，UHPC的流動性出現(xiàn)較明顯變化，擴(kuò)展度從340 mm增大至380 mm。主要原因是礦粉顆粒雖與水泥相似但表面的保水能力不及水泥，在漿體中吸附自由水的能力較弱，致使流動性增強(qiáng)。當(dāng)進(jìn)一步增加礦渣粉摻量時，UHPC流動性增大趨勢減緩，主要因為礦粉顆粒多棱角，表面不規(guī)則，潤滑作用減小，致使流動性提高幅度降低。

（2）與摻入粉煤灰類似，摻入礦渣粉導(dǎo)致UHPC的1 d強(qiáng)度降低，特別是礦渣粉摻量為30%的Cr-30組試件，1 d抗折、抗壓強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組（Cr-0組）分別降低了7.1%、7.2%。由于礦渣粉的活性比水泥低，對UHPC孔隙的細(xì)化作用十分有限，因而導(dǎo)致1 d強(qiáng)度較低。但7 d強(qiáng)度卻有明顯提高，在30%摻量下出現(xiàn)最高抗折及抗壓強(qiáng)度，分別為37.67、154.9 MPa，較基準(zhǔn)組分別提高了11.7%、5.1%。主要因為熱水養(yǎng)護(hù)可提高水化反應(yīng)速率，使礦渣粉更迅速地發(fā)揮其火山灰特性，加速礦渣粉與Ca（OH）2的二次火山灰反應(yīng)，促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成，有效降低基體內(nèi)部堿含量，強(qiáng)化水泥-集料界面區(qū)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)鋼纖維與基體間的粘結(jié)性能，進(jìn)一步提高UHPC的強(qiáng)度。

（3）與粉煤灰相比，摻入礦渣粉后UHPC的1 d強(qiáng)度下降幅度較小，且7 d強(qiáng)度提高效果更明顯。因此，針對早期強(qiáng)度有較高要求的熱養(yǎng)構(gòu)件，可將礦渣粉的摻量適量增加。

2.4 硅灰摻量對UHPC早期性能的影響（見表7）

由表7可見：

（1）隨硅灰摻量的增加，UHPC的擴(kuò)展度呈先增大后減小的趨勢。硅灰摻量為10%、20%、30%時，UHPC的擴(kuò)展度較未摻硅灰的基準(zhǔn)組（Si-0）分別增大了8.1%、14.0%、11.6%。摻入適量硅灰對UHPC工作性能改善有積極的效果，主要因為少量的硅灰在漿體中起到“滾珠”作用，有效降低漿體的屈服應(yīng)力，并且在硅灰與高效減水劑共同使用時能產(chǎn)生“復(fù)合減水效果”[13]。在減水劑的作用下，硅灰表面裹覆著一層活性物質(zhì)，使得硅灰顆粒與水泥顆粒間產(chǎn)生靜電斥力，進(jìn)而提高了漿體的流動性。當(dāng)硅灰摻量增至30%時，漿體的流動性降低，由于硅灰顆粒較為細(xì)小，比表面積大，吸附性強(qiáng)，漿體的需水量增大，因此造成漿體過于黏稠，流動性降低。

（2）隨硅灰摻量的增加，UHPC的強(qiáng)度均有一定的提高，但是提高幅度并不明顯。硅灰摻量從10%增大到30%時，7 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了4.3%、5.8%。

（3）與摻入粉煤灰、礦渣粉所表現(xiàn)出對早期強(qiáng)度影響不同的是，硅灰摻量的增加會促進(jìn)強(qiáng)度的提高，主要因為硅灰作為超細(xì)粉末，活性較高，在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，很快發(fā)生二次火山灰反應(yīng)，形成的C-S-H凝膠等物質(zhì)進(jìn)一步填充了體系中的有害孔隙，促進(jìn)了強(qiáng)度的提高。造成在基準(zhǔn)組強(qiáng)度較低的原因是：缺少硅灰時漿體的黏性降低，在相同時間內(nèi)難以攪拌成型，需延長攪拌時間，導(dǎo)致大量空氣進(jìn)入，造成早期強(qiáng)度較低。因此硅灰對于UHPC的制備不可或缺。

2.5 鋼纖維摻量對UHPC早期性能的影響（見表8）

表8 鋼纖維摻量對UHPC早期流動性及強(qiáng)度的影響

由表8可見：

（1）隨鋼纖維摻量的增加，UHPC的擴(kuò)展度迅速減小。這是因為增加鋼纖維摻量導(dǎo)致UHPC漿體內(nèi)部形成錯綜復(fù)雜的“纖維網(wǎng)”空間結(jié)構(gòu)[14]，摻量越多，纖維網(wǎng)越復(fù)雜，漿體向四周擴(kuò)散形成阻力也越大。同時單位體積漿體中的鋼纖維總表面積增大，需水量增加，最終導(dǎo)致UHPC的流動性下降。

（2）隨鋼纖維摻量的增加，UHPC的強(qiáng)度顯著提高。與基準(zhǔn)組（SF-0組）相比，SF-3組的7 d抗折強(qiáng)度提高了128.7%，主要由于鋼纖維自身具有增強(qiáng)、增韌、阻裂的效果，適量的鋼纖維在漿體內(nèi)部形成自傳力體系，充分發(fā)揮橋接裂縫的作用，減小了裂縫的寬度和數(shù)量，有效提高了抗折強(qiáng)度[15-16]。由于鋼纖維在受壓時產(chǎn)生套箍作用，能與基體產(chǎn)生較大的咬合力，又因鋼纖維結(jié)構(gòu)硬度較大，在試件產(chǎn)生變形時，對其有很強(qiáng)的約束作用，因此7 d抗壓強(qiáng)度提高了15.6%。

3 結(jié)論

（1）隨著水膠比增大，UHPC的擴(kuò)展度增大，早期強(qiáng)度有明顯的降低趨勢。綜合UHPC的工作性能和早期力學(xué)性能，水膠比為0.17較為合適。

（2）粉煤灰、礦渣粉的摻入可有效改善漿體的流動性，適量硅灰的摻入也有助于改善則漿體的流動性，存在最佳摻量。

（3）粉煤灰、礦渣粉的摻入會造成1 d強(qiáng)度的降低，但會提高3 d、7 d強(qiáng)度；礦渣粉的提高效果優(yōu)于粉煤灰。硅灰的摻入對UHPC的早期強(qiáng)度具有提高效果，其摻量的改變對強(qiáng)度影響不大。建議粉煤灰摻量為10%，礦渣粉摻量為30%，硅灰摻量為20%。

（4）鋼纖維的摻入可有效提高UHPC的早期力學(xué)性能，對抗折強(qiáng)度的提高效果明顯。但是摻量超過2%時，流動性明顯降低，因此建議鋼纖維體積摻量為2%。