粗骨料对超高性能混凝土力学性能的影响及拟合分析

沈楚琦，李北星

(武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070)

1 引 言

超高性能混凝土(UHPC)一般需加入钢纤维，也被称为超高性能钢纤维混凝土或超高性能纤维增强混凝土。UHPC作为一种新型建筑材料，因其优异的力学性能与耐久性受到了学者们的广泛关注，并应用在一些工程中并取得了很好效果[2]。其超高性能来源于致密的颗粒堆积，因此常规UHPC中的骨料一般仅采用粒径小于1.18 mm的级配石英砂，以减小界面过渡区，降低整体孔隙率。但这也带来了严重的负面影响，如材料成本高、拌合工艺复杂且早期收缩严重等，限制了其在工程中的普遍应用[3-7]。

为寻求UHPC更加合理、工程适应性更强的骨料体系，学者们做了许多不同的尝试。Sahmaran等[8]认为正确的使用较粗的细骨料(最大粒径2.38 mm)制备UHPC可获得更加优良的力学性能。Ma J等[9]利用2～5 mm碎石制备出与石英砂相同量级抗压强度的UHPC，且碎石掺入可以改善UHPC的自收缩。Kay Wille等[10]报道了在UHPC中使用粗骨料可以获得良好的成本效益。Liu等[11]使用最大粒径5 mm的粗骨料制备UHPC，表明粗骨料的掺量在25%以下时不会损害UHPC的抗拉性能。这些试验研究均表明了在UHPC中加入粗骨料具有可行性，一些学者进一步对UHPC中粗骨料的粒径与掺量进行了研究。黄政宇等[12]通过掺入最大粒径8 mm的粗骨料制备UHPC，表明粗骨料掺量在小于400 kg/m3时对UHPC抗压强度有增强作用，粗骨料对UHPC的弹性模量有明显的正向影响。张文远[13]对掺加不同最大粒径骨料(5、10、15和20 mm)的UHPC进行了研究，结果表明最大粒径10 mm的骨料对UHPC 抗压强度的发展最有利，且大幅减少了胶凝材料的用量。

以往研究大多是针对粗骨料粒径或掺量对UHPC性能的研究，未对粗骨料的掺配比例进一步深入研究，忽视了骨料与胶凝材料的比例及粗骨料与细骨料的比例两者的共同作用对UHPC性能的影响。本研究采用河砂(过4.75 mm方孔筛)、河砂与碎石(4.75～9.5 mm)两种骨料体系，分别设计了不同A/B与石砂比CS/RS的UHPC，研究骨胶比与石砂比对UHPC的工作性、抗压强度fcu、轴心抗压强度fcp、抗弯拉强度fb及受压弹性模量的影响，以寻求最佳的粗细骨料体系使UHPC能维持优异的力学性能，并通过拟合函数探究粗骨料在UHPC中的增强效应规律。

2 试 验

2.1 原材料

使用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；比表面积为22.4 m2/g，平均粒径为0.2 μm的硅灰；Ⅰ级粉煤灰，需水量比94%，表观密度为2.36 g/cm3；S95级粒化高炉矿渣粉，比表面积为425 m2/kg，流动度比102%，7 d、28 d胶砂活性指数分别为77%、103%，表观密度为2.98 g/cm3。上述原材料化学成分见表1。

表1 胶凝材料的化学成分Table 1 Chemical compositions of binders

使用的细骨料为河砂，过4.75 mm方孔筛，细度模数为2.9，表观密度为2.63 g/cm3；粗骨料为石灰岩碎石，粒径为4.75～9.5 mm，表观密度为2.72 g/cm3，压碎值9.5%。

使用直径为0.20 mm，长度为13 mm的镀铜钢纤维，抗拉强度为2850 MPa。

减水剂为高性能粉末状聚羧酸，减水率>28%。助剂为DF-03消泡剂和RS-01流变稳定剂，DF-03消泡剂为由液态碳氢化合物、聚乙二醇和非结晶性二氧化矽混合制成的一种白色粉末；RS-01流变稳定剂是一种可溶于水的灰色粉末，由多糖类高分子碳水化合物和多羟基硅酸盐改性而成。

2.2 配合比

表2分别为河砂、碎石二种骨料制备两个系列UHPC的配合比，所有配合比的胶凝材料组成不变，水胶比固定为0.16。优化的UHPC胶凝材料由55%水泥、17.5%硅灰、17.5%粒化高炉矿渣粉和10%粉煤灰组成。为了对比研究骨胶比对不同骨料UHPC力学性能的影响，通过早期试验的反复优化，将RS-UHPC的骨胶比(ARS/B)设置5个水平(0.6、0.75、0.9、1.05、1.2)；CS-UHPC在RS60配比的基础上外掺不同比例的4.75～9.5 mm碎石制成， CS与RS的掺配比例(CS/RS)为0、1/4、1/2、3/4、1，骨胶比(ARS+CS/B)仍为上述5个水平。消泡剂与流变剂的掺量均按胶凝材料质量的0.1%计。

表2 超高性能混凝土设计配合比Table 2 Mixture proportion design of UHPC

2.3 试件制备、养护及测试

称量好各种原材料质量后，先将胶凝材料与骨料倒入混凝土搅拌机内干拌1 min，然后将减水剂与水混合均匀，加入搅拌机拌合5 min至流态，最后在搅拌状态将钢纤维均匀撒入搅拌机内，继续搅拌2 min，使钢纤维分散均匀。搅拌完成后对UHPC分别进行工作性能测试及力学性能试件的成型。

UHPC工作性能采用扩展度指标进行评定，扩展度试验依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

UHPC力学性能试验依据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》进行测定。立方体抗压试件尺寸为 100 mm×100 mm×100 mm，轴心抗压强度和弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，抗弯拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件成型后表面覆盖薄膜，置于(20±2) ℃条件下养护48 h拆模，拆模后将试件放入温度为(20±2) ℃、相对湿度95%以上的标准养护室中继续养护至28 d进行抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和抗弯拉强度测试。抗压强度试验加载速率为1.2～1.4 MPa/s，抗弯拉强度试验加载速率为0.08～0.1 MPa/s，轴心抗压强度与弹性模量试验加载速率为1.2～1.4 MPa/s。

3 结果与讨论

3.1 工作性能

图1为所有配比的UHPC坍落扩展度试验结果。从图可见，随骨胶比增加，两类UHPC的扩展度均呈现明显的下降趋势，工作性能变差。其主要原因是：随骨胶比的增加，UHPC体系中的胶凝材料浆体含量降低，骨料表面的浆体润滑层厚度减小，从而导致拌合物扩展度降低。

图1 骨胶比对UHPC扩展度的影响Fig.1 Effect of A/B on slump flow of UHPC

在骨胶比一致时，CS-UHPC扩展度小于RS-UHPC，即CS/RS增加会使UHPC的扩展度下降，这与常规混凝土的结论不一致。虽然河砂的比表面积较碎石大，但河砂粒径较小有利于钢纤维在RS-UHPC拌合物中三维乱向分布的均匀性，且其粒形圆润，滚珠效应明显，使UHPC拌合物坍落流动时受到的摩擦阻力小，均有利于提高UHPC的扩展度。CS/RS增大，骨料总比表面积减小，有助于浆体的裹覆，但较大粒径的碎石阻碍了钢纤维的均匀分布，在坍落流动时，钢纤维与碎石极易相互制约缠绕，使其扩展度低于同等骨胶比的RS-UHPC。

3.2 立方体抗压强度

图2为骨胶比对UHPC立方体抗压强度的影响。从图可见，随骨胶比增大，RS-UHPC与CS-UHPC的抗压强度均呈先增后减趋势，且在骨胶比为1.05时抗压强度分别达到最大值130.5 MPa、136.3 MPa。骨胶比增大，UHPC体系中骨料含量增加，在体系内形成的刚性骨架体积占比越高，抗压强度随之增大，但当骨胶比过高时，会使UHPC工作性变得较差，不利于成型密实，导致抗压强度下降。另外，随骨胶比的增加，RS-UHPC的抗压强度变化幅度小于CS-UHPC。本研究中的UHPC材料采用标准养护方式，胶凝材料的强度发展较通常的蒸汽热养护缓慢，加之UHPC水胶比设计为0.16，而在水胶比较低时由于供水不足，UHPC内部水化程度并不高[14]，且相较于RS-UHPC，CS-UHPC中的碎石带来了更强的骨架效应，故RS-UHPC的抗压强度整体表现只是随着骨胶比变化略有起伏。

图2 骨胶比对UHPC立方体抗压强度的影响Fig.2 Effect of A/B on compressive strength of UHPC

等骨胶比的条件下，CS-UHPC的抗压强度高于RS-UHPC，这是因为碎石的引入增强了UHPC骨料体系刚性骨架的咬合作用，对UHPC强度的形成更加有利。与RS-UHPC相比，骨胶比同为0.75、0.90、1.05、1.20的4组CS-UHPC试样(对应的CS/RS分别为1/4、1/2、3/4、1)的抗压强度分别提高了5.0%、6.2%、4.4%和4.2%。当CS/RS为1/2时，混凝土抗压强度增幅最大，碎石的增强效应最为明显。进一步增加CS/RS，不仅会导致CS-UHPC工作性能降低，且钢纤维的均匀分布受到更多数量的粒径较大的碎石限制，混凝土抗压强度增长幅度逐步降低。

3.3 轴心抗压强度

图3显示随骨胶比增加，RS-UHPC轴心抗压强度呈持续增长趋势，骨胶比为1.20时达到110.2 MPa，较骨胶比0.60时的轴心抗压强度的增幅为7.6%；CS-UHPC的轴心抗压强度在骨胶比为1.05时达到最大值113.1 MPa，较骨胶比0.60时的轴心抗压强度增幅长10.4%，影响规律与立方体抗压强度类似。与立方体抗压强度相比，轴心抗压强度随骨胶比的增加其增长幅度更大，这是因为骨架增强效应在混凝土棱柱体试件中贡献更大，且钢纤维可显著降低在静载压力下裂纹的扩张[15]。

图3 骨胶比对UHPC轴心抗压强度的影响Fig.3 Effect of A/B on axial compressive strength of UHPC

3.4 静力受压弹性模量

静力受压弹性模量除与胶材强度有关外，受骨料的强度、弹性模量的影响较大。图4表明随骨胶比的增加，RS-UHPC与CS-UHPC两类混凝土的弹性模量均呈线性增长趋势，且CS-UHPC的弹性模量增长趋势更大。RS-UHPC在骨胶比1.2时的弹性模量为42.7 GPa，较骨胶比0.60时提高了27.5%；CS-UHPC在骨胶比1.2时的弹性模量为48.5 GPa，较骨胶比0.60的UHPC(无碎石RS60配比)提高了44.8%。UHPC弹性模量随骨胶比增大而呈线性增长主要归结于骨胶比越大，UHPC体系内骨料体积含量越大，越有利于其刚性骨架结构的形成。

图4 骨胶比对UHPC静力受压弹性模量的影响Fig.4 Effect of A/B on static compressive elastic modulus of UHPC

相同骨胶比下，CS-UHPC的弹性模量高于RS-UHPC，且UHPC的弹性模量随骨料中CS/RS比例的增加而增长。在骨胶比同为0.75、0.90、1.05、1.20的情况下，与RS-UHPC相比，4组CS-UHPC试样(对应的CS/RS分别为1/4、1/2、3/4、1)的弹性模量分别提高了2.8%、6.8%、10.2%和13.6%。这是因为碎石本身具有较高的强度和弹性模量，碎石的加入阻碍了UHPC砂浆基体中微裂纹原有的扩展路径，提高了混凝土的承载性能及抗变形特性[16]，从而使碎石比河砂对UHPC弹性模量的贡献更显著。

3.5 抗弯拉强度

图5显示对于RS-UHPC，随骨胶比增大，其抗弯拉强度呈先增后降趋势，当骨胶比为0.75时抗弯拉强度达到最大值(26.9 MPa)。河砂的粒径较小，骨胶比较低时，骨胶比的小幅增加对钢纤维的均匀分布影响不大，此时的骨胶比值有利于抗弯强度的增长。骨胶比继续增加，骨料的体积占比增大，对钢纤维的分布开始产生不良影响，同时胶凝材料用量下降，基体与钢纤维的粘结力减小，导致抗弯拉强度降低。

图5 骨胶比对UHPC抗弯拉强度的影响Fig.5 Effect of A/B on bending strength of UHPC

对于CS-UHPC，当骨胶比为0.75时，对应的CS/RS为1/4，较小的碎石掺比对钢纤维的分布影响有限，CS-UHPC的抗弯拉强度达到峰值(27.6 MPa)。当骨胶比分别为0.90与1.05时，对应的CS/RS增长至1/2和3/4，较高的骨胶比与较大的碎石掺比对钢纤维均匀分布的阻碍作用开始显现，导致抗弯拉强度下降，较最高强度值损失比例为1.5%与8.7%，损失幅度不大，依然能保持较为优良的抗弯性能。当骨胶比增为1.20时，抗弯强度相对最高强度值损失比例已达24.3%，下降幅度非常明显。这主要是因为此时不仅骨胶比高且CS/RS增长至1，对钢纤维的均匀分布阻碍作用明显，本应由钢纤维占据的空间被碎石隔断，使体系内部不能相互牵扯，钢纤维与基体形成的纤维网络出现了断层缺陷，钢纤维的利用效率被限制。

当骨胶比同为0.75、0.90时(对应的CS/RS分别为1/4、1/2)，CS-UHPC的抗弯拉强度略高于RS-UHPC，此时的碎石掺比对钢纤维的均匀分布影响有限，而碎石与河砂共同构成的骨料体系增强效应更加显著。当骨胶比达1.05后(对应的CS/RS增至3/4)，碎石相比于河砂粒径大而对钢纤维均匀分布的限制更为显著，导致CS-UHPC抗弯拉强度低于RS-UHPC。

3.6 fcp/fcu、fb/fcu分别与A/B的拟合分析

为探讨粗骨料在UHPC中的增强效应规律，将RS-UHPC与CS-UHPC的轴心抗压强度与立方体抗压强度比值(fcp/fcu)、抗弯拉强度与立方体抗压强度比值(fb/fcu)分别与骨胶比(A/B)的关系进行拟合。

在制图软件中做出散点图后可以看出，fcp/fcu基本上是随A/B的增加而线性增大，基于此尝试采用线性拟合方式，得到河砂与碎石两类UHPC的 fcp/fcu数学解析式(1)、(2)。fb/fcu随A/B的增加并非呈现出线性减小趋势，于是尝试多项式拟合，得到河砂与碎石两类UHPC fb/fcu数学解析式(3)、(4)。

RS-UHPC：

(1)

CS-UHPC：

(2)

RS-UHPC：

(3)

CS-UHPC：

(4)

图6(a)表明骨料用量的增加对轴心抗压强度的增强作用大于立方体抗压强度，这是由于骨料所起到的刚性骨架效应增强，骨胶比越大，其棱柱体承载效果越好。由图6(b)可知，在A/B≤0.75时，随A/B增加fb/fcu缓慢增加，此时UHPC中骨料分布比例对钢纤维的三维均匀分布影响较小，反而刚性骨架的咬合作用提高了拉压比；当A/B>0.75后，随A/B增加，fb/fcu下降幅度明显，显然UHPC中钢纤维的三维分布受空间所制约，降低了其增强增韧作用效率。

结合第3.2节研究显示，碎石的掺入可以提高UHPC的fcu，即使CS-UHPC的fb/fcu比值相对较低，但相同骨胶比下CS-UHPC(A/B≤0.90、CS/RS≤1/2)的抗弯拉强度优于RS-UHPC，表明碎石在此分布区间内对UHPC中钢纤维的三维分布和界面粘合效率的限制作用有限，但其本身带给UHPC的骨架增强效应可以弥补相应的损失，因此适量的碎石提高了UHPC的抗弯拉性能；当骨胶比较高时(A/B>0.90、CS/RS>1/2)，碎石的骨架增强效应不足以弥补因碎石引起的钢纤维不均匀分散对UHPC基体增强增韧效果的削弱作用，因此CS/RS较高的CS-UHPC其抗弯拉强度低于RS-UHPC。

图6 骨胶比对UHPC的fcp/fcu(a)与fb/fcu(b)的拟合曲线Fig.6 Fitting curves of A/B on fcp/fcu (a) and fb/fcu (b)of UHPC

4 结 论

1．不同A/B与CS/RS对UHPC的影响主要表现出河砂与含碎石两类UHPC的扩展度均随A/B的增加而减小，工作性能降低。A/B恒定时， CS/RS增加会使UHPC扩展度减小。

2．随A/B增加，UHPC的立方体抗压强度与抗弯拉强度均呈先增后降趋势，弹性模量则呈线性增长趋势。相同A/B下，碎石的掺入提高了UHPC的抗压强度、轴心抗压强度与弹性模量，当CS/RS为1/2时，碎石对抗压强度与轴心抗压强度的增强效应最显著；CS/RS越大，CS-UHPC弹性模量相较于RS-UHPC增长幅度越高；当CS/RS≤1/2时，碎石有助于提高UHPC的抗弯拉强度。

3．fcp/fcu随A/B的增加线性增长，而fb/fcu随A/B的增加呈二次函数下降。对比河砂、碎石两个系列UHPC的fcp/fcu与fb/fcu发现，当A/B≤0.90、CS/RS≤1/2时，碎石在UHPC中的作用影响以碎石的骨架增强正效应为主；当A/B>0.90、CS/RS>1/2时，则以碎石降低钢纤维增强增韧效率的负效应为主。