超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC)是一種強(qiáng)度高、韌性好、具有優(yōu)異耐久性的水泥基復(fù)合材料，由Larrard和Sedran在1994年.先提出。本文研究了不同品種水泥、硅灰、減水劑，及硅灰摻量、水膠比對常溫養(yǎng)護(hù)UHPC基體的流動(dòng)度及強(qiáng)度的作用。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于提高UHPC的工程實(shí)用性，進(jìn)一步改善UHPC的常溫制備技術(shù)。

1 試驗(yàn)及原材料

1.1 原材料

a. 水泥。C1:P.O52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;C2:磨細(xì)的P.O42.5級(jí)中熱水泥。水泥的化學(xué)組分及膠砂強(qiáng)度見表1，表2。

b. 硅灰。SF1:原狀硅灰，灰色粉末狀; SF2:半增密硅灰，灰色粉末狀; SF3:鋯質(zhì)硅灰，白色粉末狀; SF4:英國生產(chǎn)的白硅灰，白色粉末狀。硅灰的化學(xué)組分見表3。

c. 減水劑。E1:聚羧酸高效減水劑，粉體;E2:液體減水劑，固含量30%; E3:西卡減水劑，粉體。3種減水劑的減水率均大于30%。

d. 石英粉。325目，平均粒徑為50.6um，密度為2.644g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合文獻(xiàn)中UHPC各組分的摻量范圍考慮，試驗(yàn)選取水膠比為0.16～0.22; 硅灰采用內(nèi)摻法，摻量范圍為0.15～0.30; 其余材料摻量均為與膠凝材料質(zhì)量的比值。具體配合比設(shè)計(jì)見表4。故試驗(yàn)共有水泥品種、硅灰品種、減水劑品種、硅灰摻量和水膠比5個(gè)變量。

1.3 試驗(yàn)制備與試驗(yàn)方法

按表4試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比，將稱量好的各粉體材料依次倒入水泥膠砂攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行慢攪2min，之后加入稱量好的水，慢速攪拌3min，如果是使用液體減水劑，先將其溶于水中，再和水一起加入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌5min后結(jié)束。之后進(jìn)行流動(dòng)度測試試驗(yàn)，裝入40mm×40mm×160mm的鋼模中。將模具放入溫度(20±2)℃的室內(nèi)，48h后拆模，拆模后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)水養(yǎng)室中的水箱里進(jìn)行水養(yǎng)到28d即可。流動(dòng)度試驗(yàn)參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T8077－2012)中水泥凈漿流動(dòng)度測試方法進(jìn)行，采用上口直徑36mm，下口直徑60mm，高度60mm的截錐圓模。強(qiáng)度試驗(yàn)步驟參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T17671－1999)進(jìn)行，加載速率為2.4kN/s至試件破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1水泥種類及水膠比對UHPC基體性能的影響

為簡明分析，取均選用原狀硅灰SF1，且摻量為20%，減水劑為聚羧酸粉體減水劑E1的組別結(jié)果進(jìn)行討論。

由圖1可見，水膠比從0.16到0.22，新拌基體流動(dòng)性顯著增加，52.5級(jí)水泥新拌基體流動(dòng)度在0.22時(shí)比0.16時(shí)要高出近100mm。而42.5級(jí)中熱水泥新拌基體流動(dòng)度要明顯好于52.5級(jí)硅酸鹽水泥基體，這種現(xiàn)象在使用另外3種硅灰時(shí)也明顯存在。這是由于52.5級(jí)水泥的顆粒粒徑要小于42.5級(jí)中熱水泥，比表面積大，進(jìn)而水化反應(yīng)需水較多，降低其流動(dòng)性。

圖2表示2種水泥制備基體的抗壓強(qiáng)度隨水膠比的變化。水膠比0.16時(shí)，雖然膠凝材料含量較高，但由于缺少水分，阻礙了水泥的水化反應(yīng); 另一方面因?yàn)樗z比過低，使攪拌過程中帶入到水泥漿體里的空氣不能有效排出，增多了試件內(nèi)部的缺陷，因而導(dǎo)致強(qiáng)度并沒有得到提升。在攪拌過程中可以明顯看到基體十分粘稠，裝模困難，需要振動(dòng)成型。因此，要提高UHPC的強(qiáng)度，必須在確保良好工作性能的條件下，降低水膠比。在水膠比為0.18和0.20的情況下，保證了基體的流動(dòng)性，減少了內(nèi)部孔隙，強(qiáng)度有所提高。水膠比為0.22時(shí)，攪拌過程中可以看到不斷有氣泡冒出。

對照圖1、圖2可知，52.5級(jí)硅酸鹽水泥制備的基體在流動(dòng)度為175mm，42.5級(jí)中熱水泥制備的基體在流動(dòng)度為180mm時(shí)強(qiáng)度達(dá)到.高。綜合2種水泥分別在不同硅灰及硅灰摻量的全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，較好強(qiáng)度的組別見表5，表明水泥本身的強(qiáng)度等級(jí)對UHPC能達(dá)到的.大強(qiáng)度的影響并不明顯，但不同品種的水泥通過對基體流動(dòng)度的作用，進(jìn)而很大程度上影響了不同配比下UHPC基體試件的抗壓強(qiáng)度。2種水泥制備基體均在流動(dòng)度180mm左右時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到.高，此時(shí)混凝土強(qiáng)度與工作性協(xié)調(diào).好?？梢酝茰y摻白硅灰的UHPC基體在水膠比0.17強(qiáng)度更高。

2.2 硅灰摻量對UHPC基體性能的影響

纖維種類、摻量、長度對蒸汽養(yǎng)護(hù)UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度的影響分別如圖2、3所示。

2.2.1 硅灰摻量對水泥1制備UHPC基體性能的影響

為簡要說明，均取摻原狀硅灰SF1，減水劑為聚羧酸粉體減水劑E1的組別結(jié)果為例。

由圖3可知，硅灰摻量從15%到30%，基體流動(dòng)度整體表現(xiàn)出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。尤其從摻量15%到25%，流動(dòng)度下降明顯。因?yàn)楣杌翌w粒較水泥顆粒小近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，故細(xì)度和比表面積大得多，所以隨著硅灰摻量的增加，基體需水量加大。摻量大于25%之后，對流動(dòng)度的影響不明顯，甚至有些組別出現(xiàn)了略微增大的情況。因?yàn)楣杌翌w粒除了填充在較大的孔隙中，隨著摻量進(jìn)一步的增多，硅灰顆粒也存在于比較大的水泥顆粒間，起到了潤滑的作用，從而改善了基體流動(dòng)性。

硅灰從兩個(gè)方面起作用提高UHPC的強(qiáng)度: 一是因?yàn)楸旧眍w粒很細(xì)而產(chǎn)生的微填充效應(yīng)，硅灰顆粒填充在孔隙及較大的水泥顆粒間，減少了基體的大孔數(shù)量，優(yōu)化了膠凝材料級(jí)配，加強(qiáng)了體系密實(shí)度; 二是硅灰的火山灰效應(yīng)，改變了UHPC膠凝組分的水化進(jìn)程，減少了強(qiáng)度薄弱的Ca(OH)2，使生成的C－S－H凝膠物質(zhì)含量得到顯著提高。圖4為硅灰摻量對52.5級(jí)硅酸鹽水泥基體抗壓強(qiáng)度的影響。摻量為15%時(shí)，基體抗壓強(qiáng)度達(dá)到.高，之后隨著硅灰摻量的加大，抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢。因?yàn)樵诔貤l件下，硅灰的火山灰反應(yīng)很弱，很大一部分硅灰并沒有發(fā)生反應(yīng)，不能有效發(fā)揮出提高強(qiáng)度的效果。對比52.5級(jí)硅酸鹽水泥的凈漿，在0.16～0.22水膠比時(shí)的抗壓強(qiáng)度均在112～114MPa間，可見摻入硅灰后，UHPC基體的抗壓強(qiáng)度均比凈漿有所提高。

52.5級(jí)硅酸鹽水泥摻入半增密硅灰的試驗(yàn)中流動(dòng)度、強(qiáng)度規(guī)律與原狀硅灰結(jié)果一致。而在摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時(shí)，摻入量為15%與20%時(shí)流動(dòng)度變化不大，已經(jīng)具備很好的流動(dòng)性，尤其是鋯質(zhì)硅灰，0.16水膠比時(shí)流動(dòng)度已達(dá)到175mm。之后隨著硅灰摻量的增加，流動(dòng)度又有明顯的提高;4種硅灰均在摻量15%時(shí)UHPC基體抗壓強(qiáng)度達(dá)到.高。因此，在52.5硅酸鹽水泥制備的UHPC中硅灰的.優(yōu)摻量為15%。

2.2.2 硅灰摻量對水泥2制備UHPC基體性能的影響對42.5級(jí)中熱水泥制備的基體流動(dòng)性，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，隨硅灰摻量增加，流動(dòng)度逐漸減小。這與水泥1制備基體硅灰摻量為30%時(shí)流動(dòng)性轉(zhuǎn)好的結(jié)果不一致，證明不同水泥與硅灰作用的整體效果不同。

硅灰摻量對42.5級(jí)中熱水泥制備UHPC基體抗壓強(qiáng)度的影響與水泥1制備基體也有所不同。如圖6所示，在硅灰摻量為20%時(shí)，4種水膠比下基體的抗壓強(qiáng)度相對摻量15%與25%都有一個(gè)明顯的提高，達(dá)到.高。抗壓強(qiáng)度.高出現(xiàn)在水膠比0.18，硅灰摻量20%時(shí)，為136.2MPa，比相同水膠比的凈漿強(qiáng)度提高了18.2MPa，此時(shí)新拌基體流動(dòng)度為181mm。

在42.5級(jí)中熱水泥中摻入半增密硅灰的試驗(yàn)中，流動(dòng)度、強(qiáng)度規(guī)律與摻原狀硅灰結(jié)果一致。摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時(shí)，隨摻量的增加，流動(dòng)度逐漸增加，試件強(qiáng)度在摻量為15%和20%時(shí)差別不大，在20%時(shí)略高。因此，綜合考慮，在42.5級(jí)中熱水泥制備的基體中硅灰的.優(yōu)摻量為20%。

2.3 硅灰種類對UHPC基體性能的影響

2.3.1 硅灰種類對水泥1制備UHPC基體性能的影響根據(jù)上述硅灰摻量的研究結(jié)果，討論硅灰種類對UHPC基體影響時(shí)，選取52.5級(jí)硅酸鹽水泥不同硅灰摻量為15%的組別，42.5級(jí)中熱水泥不同硅灰摻量為20%的組別。

在相同水膠比豎向比較方面，如圖7，對52.5級(jí)硅酸鹽水泥，在增大基體流動(dòng)性方面，鋯質(zhì)硅灰＞白硅灰＞原狀硅灰＞半增密硅灰。原狀與半增密硅灰的組成成分雖然相同，但半增密硅灰的堆積密度大得多，硬化漿體中的分散程度較差，從而流動(dòng)度較小。而鋯質(zhì)硅灰與白硅灰相較于2種灰色硅灰流動(dòng)度有顯著提高，尤其是鋯質(zhì)硅灰。雖然鋯質(zhì)硅灰流動(dòng)性大，有助于在保證工作性能的情況下降低水膠比，但是摻鋯質(zhì)硅灰的UHPC基體強(qiáng)度并沒有達(dá)到預(yù)想的高強(qiáng)度，在0.16水膠比下的摻鋯質(zhì)硅灰UHPC基體抗壓強(qiáng)度僅為121.6MPa。說明鋯質(zhì)硅灰本身對提高UHPC強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小。

白硅灰對流動(dòng)度的改善要優(yōu)于2種灰色硅灰，且由于白硅灰的SiO2含量.高，參與反應(yīng)的活性.高，對UHPC強(qiáng)度的提高作用在4種硅灰中.大。圖8可以看出，.大的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在水膠比0.18的摻15%白硅灰的配比上，強(qiáng)度為141.7MPa，相對于水泥凈漿提高了26.5%。摻半增密硅灰的.大強(qiáng)度出現(xiàn)在流動(dòng)度為180mm組中，符合之前的結(jié)論: 基體在180mm左右流動(dòng)度時(shí)具有較好的工作性，有利于提高強(qiáng)度。

2.3.2 硅灰種類對水泥2制備UHPC基體性能的影響

對42.5級(jí)中熱水泥制備的基體，改善流動(dòng)性方面也是鋯質(zhì)硅灰＞白硅灰＞原狀硅灰＞半增密硅灰; 強(qiáng)度方面，除摻鋯質(zhì)硅灰的基體外，其余組的.高強(qiáng)度均出現(xiàn)在水膠比0.18時(shí)，此時(shí)基體的流動(dòng)度也.接近理想。鋯質(zhì)硅灰在0.16水膠比時(shí)強(qiáng)度.高，因?yàn)橹蠡w流動(dòng)度過大。摻4種硅灰基體.高強(qiáng)度: 白硅灰(142.6MPa)＞原狀硅灰(138.4MPa)＞半增密硅灰(134.2MPa)＞鋯質(zhì)硅灰(126.9MPa) ，相對于凈漿強(qiáng)度分別提升了18.8%、15.3%、11.8%、5.8%。進(jìn)一步證明了白硅灰對UHPC強(qiáng)度的貢獻(xiàn).大，原狀硅灰次之。

從硅灰種類對2種不同水泥的基體性能影響，可以得出結(jié)論，對于制備UHPC，白硅灰優(yōu)于原狀硅灰優(yōu)于半增密硅灰優(yōu)于鋯質(zhì)硅灰。

2.4 減水劑種類對UHPC基體性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，減水劑對UHPC性能影響主要與所摻硅灰的種類有關(guān)。對于摻原狀及半增密硅灰的試件，西卡減水劑和液體減水劑比聚羧酸粉體減水劑E1的減水效果稍好一點(diǎn)，流動(dòng)度稍大但差別不大，抗壓強(qiáng)度也幾乎沒有影響。但對摻白硅灰的試件，減水劑E1的效果要明顯好于另外2種減水劑。在水膠比0.18，白硅灰摻量為15%的條件下，見圖11，摻聚羧酸粉體減水劑E1 的基體流動(dòng)度為190mm左右，摻另外2種減水劑的基體流動(dòng)度只有145～158mm?？梢?，制備UHPC時(shí)選用減水劑不僅要與水泥有良好的適應(yīng)性，還要注意與硅灰作用的匹配。故對摻白硅灰的UHPC，應(yīng)選用聚羧酸粉體減水劑。

3 結(jié)論

研究了2種水泥，4種硅灰，3種減水劑及不同硅灰摻量、水膠比對常溫制備UHPC基體流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響，得出以下主要結(jié)論:

a．水膠比是影響UHPC基體性能的.大要素，使基體流動(dòng)度達(dá)180mm左右時(shí)UHPC的強(qiáng)度.高。

b．水泥種類對UHPC的基體流動(dòng)性影響更大，通過流動(dòng)性進(jìn)而影響強(qiáng)度。水泥顆粒越細(xì)，UHPC流動(dòng)度越小。

c．對于52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥制備的基體，隨著硅灰摻量增加，流動(dòng)度逐漸降低至摻量為30%時(shí)開始回升; 對于42.5級(jí)中熱水泥制備的基體，隨著硅灰摻量的增加流動(dòng)度逐漸降低。不同水泥制備的UHPC，硅灰在不同摻量使其強(qiáng)度達(dá)到.高。52.5級(jí)硅酸鹽水泥制備的基體抗壓強(qiáng)度在硅灰摻量15%時(shí).大，42.5級(jí)中熱水泥在硅灰摻量20%時(shí)抗壓強(qiáng)度.高。

d．試驗(yàn)所用硅灰在增大基體流動(dòng)性方面: 鋯質(zhì)硅灰＞白硅灰＞原狀硅灰＞半增密硅灰。其中白硅灰對UHPC基體的強(qiáng)度提高作用.大，原狀硅灰次之，鋯質(zhì)硅灰.小。

e．選用減水劑要注意與硅灰的適應(yīng)性，對摻白硅灰的UHPC應(yīng)選用聚羧酸粉體減水劑。

來源：黃政宇，等