振动搅拌工艺下UHPC力学性能研究*

张飞龙，魏丙华，李昕成，张红杰

(1.许昌德通振动搅拌科技股份有限公司，河南 许昌 461000；2.云南省建筑科学研究院有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

目前，超高性能混凝土(UHPC)在如水利工程、建筑工程、轨道交通、核电工程、海洋工程、桥梁工程、安防工程、电力工程等工程领域得到广泛应用，振动搅拌拌合混凝土具有明显的技术优势，如拌合后的物料更均匀、搅拌时间短、强度更高及耐久性更好等特点，但采用振动搅拌研究UHPC的相关文献还相对较少。

张志豪等[1]基于优化的配合比制备UHPC，研究了减水剂掺量对胶凝体系流动性、强度等性能的影响，并对减水剂掺量为2.3%时制备的UHPC自密实性能和力学性能进行了分析。杨娟等[2]基于废旧轮胎的再生钢纤维制备掺加粗骨料的UHPC，并与不掺加钢纤维和普通钢纤维的UHPC进行对比，测定其强度、断裂能、弹性模量等力学性能。张胜等[3]研究了不同养护方式(标准养护、蒸汽养护和热水养护)及其相关因素(温度、时间)对UHPC强度及微观结构影响规律，并初步探讨了养护制度对掺加钢纤维的UHPC性能的影响。丁庆军等[4]考虑到UHPC的成本控制，研究了不同种类、级配的细集料(代替石英砂)对UHPC工作性能、力学性能及微观性能的影响，结果表明，由价格较低的河砂(粒径<1.18mm)制备的UHPC性能最佳。龙广成等[5]研究了骨料最大粒径、含量对UHPC力学性能的影响，分析了骨料与水泥基间协调作用下的性能匹配对UHPC性能的影响规律。

本文基于振动搅拌技术对UHPC的力学性能进行了研究，首先分析了不同砂胶比条件下UHPC在振动搅拌拌合物的施工和易性及其抗压强度和抗折强度；由于UHPC组成材料中胶凝材料用量较大，前期成本较高，将粗骨料掺入UHPC体系，研究不同粗骨料掺加比例对UHPC性能的影响。

1 原材料及配合比设计

原材料包含水、胶凝材料(水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉)、细骨料、粗骨料、减水剂和钢纤维，其中水泥强度等级为P·O52.5；粉煤灰的活性指数为78.5%；硅灰的外观为深灰色粉末，其活性指数为99.0%；矿粉的外观呈白色粉末，其活性指数为103.5%；天然砂的最大粒径为4.75mm、最小粒径为0.15mm，石子粒径为5～10mm；采用高性能聚羧酸减水剂；其纤维为平直型钢纤维，体积掺量为2.0%。

UHPC配合比优化设计主要分为胶凝材料比例的确定和天然砂级配的设计。本文基于多元胶凝体系流动度试验确定胶凝材料比例为水泥∶硅灰∶粉煤灰∶矿粉=0.7∶0.13∶0.08∶0.09，采用修正的Andreasen & Andersen法计算天然砂级配，天然砂分2个等级，即0.15～1.18，1.18～4.75mm，各占50.0%，得到的不同砂胶比的配合比如表1所示，根据后续试验结果，固定水胶比0.18，砂胶比1∶1.2，同样采用修正的Andreasen & Andersen法计算得到粗骨料的掺加比例为23.0%，以此比例为基础配合比，依次增加其掺加比例，掺加不同比例粗骨料的UHPC设计配合比如表2所示。

表1 不同砂胶比UHPC设计配合比 kg

表2 不同粗骨料掺加比例UHPC设计配合比 kg

2 混凝土制备成型及养护

UHPC制备过程中，其拌合物搅拌顺序为：①天然砂、钢纤维，干拌1min；②胶凝材料(水泥、矿粉、粉煤灰和硅灰)，干拌1min；③减水剂、水，湿拌5min。

UHPC成型时，将拌合物浇筑于100mm×100mm×100mm三联抗压强度试模和100mm×100mm×400mm抗折强度试模中。

将成型的试件在温度为(20±2)℃下静止24h后拆模，其养护方式如下：①标准养护(温度(20±2)℃，湿度95.0%)28d；②热水养护(90℃)48h。

3 UHPC性能分析

3.1 UHPC施工和易性

根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[6]对新拌UHPC施工和易性进行试验，其黏度较高，但稠度可调，坍落扩展度指标用于评价自密实、大流态的拌合物稠度，其相关测试指标如表3，4所示。

表3 不同砂胶比的拌合物性能指标

表4 不同粗骨料掺量的拌合物性能指标

由表3，4可知，对于不掺加粗骨料的UHPC，随着砂胶比的减小，UHPC的坍落扩展度逐渐增大；对于掺加粗骨料的UHPC，随着粗骨料掺量的增加，其坍落扩展度无明显变化；与不掺加粗骨料的UHPC相比，掺加粗骨料的UHPC的坍落扩展度基本相当，数据较稳定，含气量更加稳定；在相同砂胶比条件下，与不掺加粗骨料的UHPC相比，加入粗骨料的UHPC的坍落扩展度增大，流动性更好。

3.2 UHPC力学性能

3.2.1不同砂胶比的UHPC力学性能

按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[7]对不同砂胶比的UHPC试块进行抗压强度和抗折强度力学性能指标测试，试件破坏形态如图1所示，试验结果如表5～6及图2所示。

图1 试件破坏形态

表5 不同砂胶比UHPC标准养护3d及7d强度试验结果 MPa

表6 不同砂胶比UHPC标准养护28d与热水养护48h强度试验结果 MPa

图2 UHPC强度试验结果

分析上述试验结果，不同砂胶比的UHPC在不同养护条件下的抗压强度相差较大，处于90～130MPa；而抗折强度相对较稳定，均在15～17MPa。标准养护条件下的3d与7d强度分别占28d强度的66%～70%，84%～88%。在标准养护条件下，随着砂胶比减小，抗压和抗折强度均呈现出先增加后减小的趋势，但很明显增加的比例小于减小的程度；在标准养护条件下，与砂胶比为1∶1.2的UHPC相比，1∶1.1的抗压强度减小3.5%、抗折强度减小3.2%，而1∶1.3的抗压强度减小13.5%、抗折强度减小7.0%。在热水养护条件下，随着砂胶比减小，抗压强度呈现逐渐减小趋势，而抗折强度出现先增大后减小的现象；与砂胶比为1∶1.2的UHPC相比，1∶1.1的抗压强度增加6.6%、抗折强度减小3.8%，而1∶1.3的抗压强度减小16.6%、抗折强度减小1.9%。

对于同一砂胶比条件下的UHPC，热水养护48h的试块抗压强度普遍大于标准养护28d的结果，其抗压强度高于普通养护10%以上，这是由于高温对多元胶凝材料体系中的矿物掺合料具有明显的热激发作用，增大了各掺料的反应程度，促使浆体结构更加致密，从而大幅度提高抗压强度；而热水养护48h的试块抗折强度普遍小于标准养护28d的结果，其抗折强度低于普通养护10%以内，这是由于高温养护后，混凝土基体与纤维间的黏结强度降低，导致抗折强度降低，甚至不如标准养护。因此，在UHPC施工过程中，在确保抗折强度满足要求的前提下，建议尽量采用热水养护，可提高混凝土抗压强度，同时缩短养护时间。

3.2.2不同粗骨料掺量的UHPC力学性能

不同粗骨料掺量的UHPC试验结果如表7，8所示，UHPC强度随时间的发展曲线如图3，4所示，标准养护28d强度与热水养护强度结果对比如图5所示。

表7 不同粗骨料掺量UHPC标准养护3d及7d强度试验结果 MPa

图4 UHPC抗折强度随时间的发展曲线

图5 UHPC强度试验结果

分析上述试验结果，与不掺加粗骨料的UHPC相比，掺加粗骨料的抗压和抗折强度呈现不同的变化规律；在相同砂胶比下，随着粗骨料的增加，抗压强度呈现先减小后增大的变化规律，而抗折强度明显降低；当粗骨料掺量为23.0%时，2种养护条件下的抗压和抗折强度均小于不掺加粗骨料的强度，而当粗骨料增大至40.0%时，其抗压强度大于不掺加粗骨料的抗压强度，说明中间存在一个合适的粗骨料比例使两者抗压强度相同，但抗折强度普遍偏低，均在15MPa以下；当粗骨料掺量为70.0%时，抗压强度增加10.0%左右，而抗折强度降低达30.0%，这说明UHPC在一定比例范围内掺加粗骨料有利于抗压强度的提高，但对抗折强度极为不利。

因此，实际工程应用中，应在综合考虑UHPC力学性能的基础上兼顾经济性的要求。此外，对于掺加粗骨料的UHPC而言，其热水养护与标准养护下的抗压与抗折强度和同一砂胶比条件下不掺加粗骨料的结果一致。

4 结语

1)随着砂胶比的减小，UHPC的坍落扩展度逐渐增大；在不同的养护条件下，随着砂胶比的减小，其力学性能呈现出不同的变化规律；对于同一砂胶比条件下的UHPC，热水养护48h的抗压强度普遍大于标准养护28d的结果，而抗折强度的结果却相反，但其抗压强度增加幅度明显大于抗折强度降低幅度。

2)与不掺加粗骨料的UHPC相比，加入粗骨料的UHPC的坍落扩展度增大，流动性更好；掺加粗骨料的抗压与抗折强度呈现不同的变化规律；在相同砂胶比下，随着粗骨料的增加，抗压强度呈现先减小后增大的变化规律，而抗折强度明显减小。

3)实际工程应用中，在确保抗折强度满足要求的前提下，建议尽量采用热水养护，可提高混凝土的抗压强度，同时缩短养护时间。应在综合考虑UHPC的施工和易性与力学性能的基础上兼顾经济性要求。