超高性能混凝土中型设备搅拌工艺研究

徐东升

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一种具有超高耐久性、超高强度、超高韧性的水泥基复合材料，主要成分有水泥、硅灰、细骨料、钢纤维及减水剂[1]。自从20 世纪90 年代提出UHPC 概念之后，该材料已经在桥梁、建筑、海洋等工程中得到应用[2，3]。2014 年，我国住房和城乡建设部与工业和信息化部召开了工作会议，讨论和推广使用高性能混凝土，为UHPC充分应用于我国各类工程中提供了政策支持[4]。

近年来，UHPC 已应用于我国多座桥梁工程中，包括新桥建设和旧桥改造工程，涵盖梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥型。其中，具有代表性的工程有湖南岳阳洞庭湖二桥、湖北石首长江大桥。湖南岳阳洞庭湖二桥是一座跨径为1 480 m 的钢桁梁悬索桥，其桥面板采用了钢-超高韧性混凝土组合桥面板，超高韧性混凝土是一种经过改性和强化的UHPC，具有优异的力学性能和耐久性。湖北石首长江大桥是一座主跨820 m 的斜拉桥，主梁采用钢箱梁与预应力混凝土梁组成的混合梁，其钢-混结合段采用UHPC 填充钢箱梁格室。这些桥梁在重载交通、高温低温等严酷条件下运营良好。

使用UHPC 能够减少碳排放、提高结构质量，因此开展UHPC 制备技术研究具有重要意义。常规针对普通混凝土的搅拌工艺可能难以满足UHPC 的制备要求，需要对常规搅拌工艺进行改进以满足UHPC 的拌合要求。目前，实验研究主要采用小型搅拌机制备少量UHPC进行测试，然而在实际应用中需要采用中、大型搅拌设备制备大量UHPC。本文通过中型立轴式搅拌机制备UHPC试块，探究UHPC 中型搅拌设备合理工艺，为UHPC 的实际应用提供借鉴。

1 混凝土搅拌工艺概述

1.1 普通混凝土搅拌工艺

目前，我国较为成熟的普通混凝土搅拌工艺分为两步法和三步法，两步法主要有先拌水泥净浆法、先拌水泥砂浆法，三步法主要有水泥裹石法、水泥裹砂法和水泥裹砂石法等，工艺流程如图1所示。对于不同的混凝土，合理选取搅拌工艺，可以增强混凝土的强度和耐久性，节省水泥用料[5]。普通混凝土基体主要由水泥浆、石子、砂和少量气孔组成，水泥浆主要起胶凝作用，砂石作为骨料起支撑填充作用。搅拌过程使混凝土中的各个组分与水分充分接触，砂填充在石子的缝隙中，水泥水化后的胶凝结构填充砂和石子的缝隙中。搅拌的目的是让砂石在水泥浆中均匀分布，并且在微观上使各组分三间表面结合良好。

图1 分步搅拌工艺流程（来源：作者自绘）

1.2 UHPC 搅拌工艺

对于UHPC 而言，其实现超高强度、超高耐久度的关键因素是孔隙度较小。因此，UHPC 需要采用特殊的搅拌工艺来降低孔隙度，例如预设压力的工艺和真空搅拌工艺[6]。预设压力的工艺是采用真空混合工艺并且在凝固过程中预设压力，可以降低UHPC的空隙率并去除游离水，使颗粒之间的距离更近，从而提高UHPC的密实度、抗弯强度和韧性。而真空搅拌工艺是通过降低搅拌过程中UHPC 内部的气泡含量来达到降低UHCP 内部空隙率的目的。但是，使用这些方法制备UHPC 不仅需要昂贵的设备，还对实验场地要求较高，导致UHPC 的价格更高。因此，改进常规搅拌工艺来制备UHPC具有重要的意义。使用常规设备制备UHPC 的一般搅拌流程为：首先把干混料加入搅拌机中预混，然后加入水和减水剂，物料均匀后加入钢纤维，待钢纤维分布均匀后即完成搅拌过程。各步骤的搅拌时间是影响UHPC性能的关键因素。

2 UHPC 搅拌工艺影响因素

UHPC 搅拌工艺的影响因素较多，王启睿等发现通过干混料制备的UHPC 抗压强度和抗折强度的标准偏差最小，且目前市面上大多数UHPC 厂家都是提供预制好的干混料，因此在本次实验中使用干混料制备UHPC。本文主要对中型搅拌设备、UHPC 配合比、投料顺序和各步骤搅拌时间进行探讨。

2.1 搅拌设备

搅拌设备的选择会影响UHPC 力学性能，中型卧轴式搅拌设备是通过连轴器使搅拌轴不断旋转，带动搅拌轴上正反两方向的铲片不断搅拌，但是其转速较小，在加入钢纤维后搅拌速度较慢，钢纤维容易出现“团簇”现象。因此，在使用中型卧轴式搅拌机搅拌过一次后，换用如图2 所示的中型立轴式混凝土搅拌机，除外侧慢速转轴外，该搅拌机还有一个内测高转速转轴，可以实现顺时针、逆时针双向搅拌。

图2 中型立轴式混凝土搅拌机（来源：作者自摄）

2.2 配合比

UHPC 的配合比决定了UHPC 性能。研究人员使用粉煤灰、矿渣代替UHPC中的水泥、硅灰等材料，主要目的是降低原材料的造价。本文使用江苏苏泊特公司生产的SBT-UDC（II）产品，UHPC主要成分如图3 所示，其配合比如表1所示。原材料中的水泥、硅灰、细骨料等成分预拌均匀形成干混料，方便使用。钢纤维为长13 mm、直径0.2 mm 的镀锌钢纤维，减水剂的主要成分是聚羧酸，是一种高效表面活性剂。在UHPC 搅拌前严格控制UHPC 配合比，精确称量各组分的重量。

表1 UHPC 配合比

图3 UHPC 的主要成分（组图,来源：作者自摄）

2.3 投料顺序

普通混凝土投料顺序多变，可先拌水泥砂浆，再投放石子和水，或先拌砂、石子和水，再投入水泥和水，均为较成熟的做法。UHPC 是一种相对精细的“新材料”，具有基本的配置原理和特定的技术要求，不能简单沿用普通混凝土的设计与制备方法。UHPC 搅拌工艺需要先拌干混料，后投入钢纤维。原因是钢纤维不易打散，先投钢纤维再投干混料，钢纤维会聚集在料斗下部，很难分布均匀。在本次实验中，减水剂先加入水中并与水混合均匀，随着干混料的投入，分次少量地不断加入料斗中，在干混料和水完全加入后，最后加入钢纤维，多次少量不断加入，防止钢纤维结团，从而影响UHPC 的流动性和后期强度。

2.4 搅拌时间

在实验过程中详细记录了每次搅拌的时间，干混料预拌时间约为1 min，加入水和减水剂搅拌时间约为5 min，加入钢纤维后搅拌时间约为4 min，总时间在10 min 左右。少于该时间，干混料不能搅拌均匀，超过该时间则会影响UHPC的流动性。如图4 所示，流动性较差的UHPC 在浇筑过程中会表面起皮，且表面粗糙无浆，试块7 d 平均抗压强度为102.3 MPa。

图4 不同搅拌时间的表面对比（组图，来源：作者自摄）

搅拌时间适中的UHPC 具有较好的流动性，方便浇筑，试块7 d 平均抗压强度为107.2 MPa。批量制备UHPC 的过程中，干混料搅拌应控制在5 ～6 min，加入钢纤维后搅拌应控制在4 ～5 min。此外，为防止钢纤维聚集，在浇筑过程中避免采用振捣设备振捣，可通过敲击模板排出气泡。

3 工艺发展前景

UHPC 已经有几十年的发展历史，但直到20世纪末才有实际应用的工程案例，原因是UHPC 的价格昂贵以及制备和养护的条件苛刻。

近年来，随着粉体技术、高效减水剂和纤维的研制取得了长足的进步，才能够在常规的设备中制备UHPC，并获得良好的性能。在今后的一段时间内，我国仍然处于大建设时期，超高性能混凝土推广应用是节能减排、防治大气污染的有效途径，能提高建筑质量，延长建筑寿命。

随 着UHPC 价 格 的 下 降， 未 来UHPC 的使用范围将更加广泛，使用常规设备搅拌UHPC也将是未来的发展趋势，因此研究和改进UHPC 中型搅拌设备工艺具有重要的意义。在制备大量UHPC的过程中，如何控制搅拌时间，提高搅拌效率和质量是未来研究的重点。

4 结语

本文首先介绍了UHPC 的发展趋势及采用常规设备制备UHPC的重要意义，其次介绍了普通混凝土和UHPC 的制备方法，最后总结了UHPC 中型设备搅拌工艺中的关键影响因素。得到以下结论：第一，卧轴式搅拌机的转速较慢，钢纤维容易出现结团现象，而立轴式搅拌机具有内侧和外侧双轴，可以进行顺时针和逆时针双向旋转，搅拌效果较好；第二，UHPC 搅拌阶段应严格控制搅拌时间，搅拌时间过短则干混料不能搅拌均匀，搅拌时间过长不但会影响UHPC的流动性，还会影响UHPC 的后期强度；第三，通过中型立轴式搅拌机制备UHPC 时，干混料搅拌时间应控制在5 ～6 min，加入钢纤维后的搅拌时间控制在4 ～5 min，总搅拌时间不超过10 min。