超高性能混凝土(UHPC)的基本性能测试方法研究

鲁 亚，闵洋洋，范忠辉，刘华明，赵 筠

(1.江西贝融超高性能混凝土技术有限公司,江西 南昌 330000;2.江西省建筑材料工业科学研究设计院,江西 南昌 330001)

0 引言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),属于现代先进材料,创新了水泥基材料(混凝土或砂浆)与钢纤维、钢材(钢筋或高强预应力钢筋)的复合模式,大幅度提高了钢纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率,使水泥基材料的全面性能发生了跨越式进步：具备了高密实度、超高强、高韧性和超高耐久性等特点[i],在工程结构及装饰工程等领域应用越来越广泛。

目前欧洲、北美、日韩、马来西亚等国家和地区的UHPC技术已相对成熟,UHPC结构设计、材料检测、施工、验收等有关标准和规范基本完善。而中国处于广泛研究和初步应用阶段,UHPC的系列技术规范制定工作才刚刚起步,材料的性能检测是关键,因此本文结合普通混凝土性能测试方法以及中国混凝土与水泥制品协会正在制定的《超高性能混凝土技术标准：基本性能与试验方法》中的有关方法,探索出适合UHPC的简便、准确的UHPC基本性能测试方法。

1 实验

1.1 原材料及配合比设计

配合比设计见表1,本实验设计两种UHPC基体：A、B组为同一灰色基体,D组为白色基体。灰色基体分别添加2.5%、5%体积掺量钢纤维,白色基体添加3%体积掺量耐碱玻璃纤维,制作三种等级的UHPC。

A、B组所用原材料分别为525#普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂(≦2.36mm)、镀铜微丝钢纤维(长度在12-14mm之间,直径在0.15-0.20mm之间,抗拉强度大于2850MPa)。

D组所用原材料分别为525#白水泥、硅灰、磨细石英粉、石英砂(≦2.36mm)、耐碱玻璃纤维(长度12mm,长径比58,单丝直径14-19μm,抗拉强度1700MPa,弹性模量72GPa)。三组减水剂均为聚羧酸型高效减水剂,减水率大于30%。

表1 配合比设计

1.2 试验方法

1.2.1 成型、养护方式

按配合比设计要求称取原材料,先将硅灰、砂投入高效率强制式搅拌机进行干拌1min,再加入其它固体材料进行干拌1min,充分混合后加2/3的水和减水剂进行搅拌2min,再加入剩下的水搅拌2min,最后边搅拌边加纤维,根据纤维类型和掺量的不同继续搅拌约30s-1min后出机。

根据纤维类型和掺量的不同,不同等级对应不同的成型方式,具体成型方式见表2。养护方式统一采用热养护,即90℃下进行48小时蒸汽养护。

表2 成型方式

1.2.2 流动性测试

UHPC制备原理是实现纳米级到毫米级材料的最紧密堆积,为了提高匀质性,一般不使用粗骨料[2],其厘米级材料相当于粗骨料,因此既可以称为“砂浆”,又可叫“混凝土”。所以本文采用两种方法测试扩展度,一种是参考《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119-2013)[3]中附录A砂浆扩展度测试方法测试,称为“砂浆法”；一种是参考《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080)[2]中混凝土扩展度测试方法测试,称为“混凝土法”。不含纤维的UHPC基体均一次装入扩展度筒,不进行插捣,含纤维的UHPC根据纤维类型和掺量的不同分2-4层装入扩展度筒,不进行插捣。

1.2.3 力学性能测试

力学性能试验方法见表3,主要测试抗压强度、轴心抗压强度、抗弯强度和抗拉强度。“哈工大法”抗拉强度测试模具尺寸图见图1。

表3 力学性能试验方法

图1 抗拉模具设计尺寸图

2 结果与讨论

2.1 流动性测试方法

表4 两种测试方法扩展度测试结果

图2 “砂浆法”扩展度测试

两种测试方法扩展度测试结果见表4,从表4可以看出,“砂浆法”测得的扩展度值约为“混凝土法”的1/2。因此,针对不同的试验场合可选择不同的测试方法,均能表征出流动性的好坏。钢纤维的掺入对流动性影响相对玻璃纤维的较小。

扩展度的测试是检验UHPC拌和物是否均匀的一个初步判断,因为UHPC的水胶比极低,能够将UHPC浆体“打开”至关重要,然后通过观察搅拌出的UHPC浆体的流动状态、扩展状态判别拌和物的质量。图2为A、B基体用“砂浆法”测试的最终扩展图,从图中可以看出最终扩展的形状为圆形,说明整体均匀性、粘聚性较好；表面气泡量较少,同时观察流动过程的流动效果、气泡破裂情况等,判断拌和物的质量好坏。

2.2 抗压强度测试方法

在测试过程中,试块的处理对于力学性能的测试至关重要,由于UHPC试块表面边缘部分会有裸露纤维(如图3所示),尤其含有钢纤维时,边缘若没有清理平整,纤维架立会导致试块无法搁置平稳(如图4所示),试块会出现异常破坏。这种情况在试验过程中多次出现,而且容易被测试人员忽略。

表5 抗压强度测试结果

图5 抗压测试试样的破坏状态

抗压强度测试结果见表5,轴心抗压强度约为立方体抗压强度的85%-90%；钢纤维随着掺量的增加抗压强度在增大,而耐碱玻璃纤维掺入后却出现了比基体强度下降的状况,主要原因是耐碱玻璃纤维并没有在基体中分散好,反而使基体密实度下降,缺陷更多。从图5可以看出,UHPC基体破坏为爆炸性破坏,因此在基体抗压测试时要注意遮挡,避免伤害到测试人员。所以UHPC抗压测试时要注意“毛边”的清理,以及对基体爆炸性破坏时的安全措施处理。

2.3 抗弯强度测试方法

抗弯强度测试采用两种方式测试：成型面受压和侧面受压。抗弯强度测试结果见表6,结果表明：无论哪种测试方式,初裂抗弯强度约为极限抗弯强度的1/2；B、D组成型面受压和侧面受压结果基本一致,A组成型面受压结果比侧面受压的大,主要原因是A组是进行强力振捣,钢纤维会出现小部分下沉,D组虽然也进行了强力振捣,但基于耐碱玻璃纤维的特性,是不会出现下沉的现象,B组进行了辅助性振捣,从结果看钢纤维下沉并不严重,但还需进行进一步研究。若按照实际工程应用,成型面受压更能体现实际承载能力,且纤维下沉反而会对抗弯结果有利,但纤维下沉会影响整体的均匀性,所以按照普通混凝土测试标准,侧面受压是更合理的,一方面可以检验纤维分散的均匀性,一方面对设计取值更安全。

表6 抗弯强度测试结果

图6 抗弯测试试块的破坏状态

图6为抗弯测试试块的破坏状态,从图中可以看出,破坏位置基本在“纯弯”段,均为“有效”破坏。所以,抗弯强度测试可以采用普通混凝土测试标准中的方法,即侧面受压方式,也需注意清理“毛边”。

2.4 抗拉强度测试方法

抗拉强度测试结果见表7,“哈工大法”测试数据不完整,且拉伸曲线重复性差,从图7中A、B、D组破坏状态可以看出,试样破坏位置大部分在试样变截面处,主要原因是试样在拉伸过程中会产生不可避免的扭转。从图8中“小八字模法”测试试样破坏位置可以看出基本在中间有效段,但其会出现应力集中、尺寸效应等问题,不过其制样、测试简便,可以用于材料出厂检测。抗拉强度测试还得进一步解决应力集中、扭转等问题,进一步研究。

表7 抗拉强度测试结果

图7 “哈工大法”测试A、B、D组破坏状态

图8 “小八字模法”测试试样破坏状态

抗拉强度测试方法可初步利用“小八字模法”,但其指标取值需进一步通过大量试验获得。同时也要注意试验前对成型模具校准,避免成型试块尺寸与夹具夹头尺寸有较大偏差,两者之间不宜有较大空隙,导致试样异常破坏。

4 结论

UHPC拌和物具有粘度大、纤维易结团等特点,通过对其流动性能和力学性能测试,研究出UHPC基本性能测试方法与普通混凝土测试方法的差异：

1、扩展度测试是关键,测试值和测试过程中流动状态、扩展状态可以反映出UHPC拌和物质量的好坏。“砂浆法”扩展度测试值约为“混凝土”法的1/2。

2、力学性能测试时,对于含纤维试样的处理至关重要,纤维会影响试样的有效测试尺寸及平整度,进而影响UHPC的力学性能。

3、抗压强度、抗弯强度测试方法均可采用普通混凝土测试方法。UHPC抗压强度测试时要注意对基体爆炸性破坏时的安全措施处理；抗弯强度测试采用侧面受压方式。

4、抗拉强度测试方法可初步利用“小八字模法”,但其指标取值需进一步通过大量试验获得。其它试验方法需进一步解决应力集中、扭转等问题。

[1]赵筠,廉慧珍,金建昌.钢-混凝土复合的新模式--超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:钢-混凝土复合模式的现状、问题及对策与UHPC发展历程[J].混凝土世界,2013,(10):56-69.

[2]Richard, P., Cheyrezy, M., 'Composition of Reactive PowderConcretes,'Cement and Concrete Research, V. 25,1995, pp.1501-1511.

[3]GB 50119-2013, 混凝土外加剂应用技术规范[S].

[4]GB/T 50080-2016, 普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].

[5]GB/T 50081-2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[6]中国混凝土与水泥制品协会.超高性能混凝土技术标准:基本性能与试验方法(征求意见稿)[S].(2018-01-12)[2018-03-20].http://xh.concrete365.com/ccpa/content/0-9323850719753.html.

[7]GB/T 16777-2008,建筑防水涂料试验方法[S].