材料組成對常溫養(yǎng)護UHPC基體性能的影響

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(湖南大學 土木工程學院， 綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室, 湖南 長沙 410082)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC)是一種強度高、韌性好、具有優(yōu)異耐久性的水泥基復合材料，由Larrard和Sedran[1]在1994年最先提出。

自UHPC出現(xiàn)以來，不斷地應用于橋梁、建筑、市政、水利、海洋等工程中。目前美國、奧地利、澳大利亞、克羅地亞，包括亞洲的日本、韓國及中國等國家已經(jīng)建成了90多座UHPC橋梁[2]。湖南大學的邵旭東教授團隊就以對超高性能混凝土二十幾年的研究為基礎，首創(chuàng)性地提出了鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)。但是UHPC在實際工程中的應用并沒有達到預期的快速發(fā)展。在中國，UHPC應用發(fā)展受到限制的主要原因在于基礎研究不足、缺少完備的規(guī)范、成本高昂、制備技術復雜等。為了使UHPC達到更高的強度，通常采用高溫養(yǎng)護和加壓成型的方法。試驗表明常溫養(yǎng)護UHPC的強度較90 ℃高溫熱養(yǎng)一般低10%～30%[3]。受設備與成本的限制，這些方式在實際工程中很難應用。因此，提高UHPC的可用性與常溫養(yǎng)護強度是UHPC研究的一個重要方向。

國外文獻[4,5]通過優(yōu)選材料及調(diào)整摻量的方式，常溫制備出強度高達200 MPa的UHPC。鑒于以上背景，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UHPC基體的流動度及強度的作用。本實驗結(jié)果有助于提高UHPC的工程實用性，進一步改善UHPC的常溫制備技術。

1 試驗及原材料

1.1 原材料

a.水泥。C1：P.O 52.5 級普通硅酸鹽水泥；C2：磨細的P.O 42.5 級中熱水泥。水泥的化學組分及膠砂強度見表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50.6 um，密度為2.644 g/cm3。

表1 水泥的主要化學組成Table 1 Main chemical constituents of cement%水泥mCaOSiO2Fe2O3Al2O3MgOK2OSO3Na2OC154.9428.004.947.731.400.611.800.19C265.5021.102.905.303.402.00

表2 水泥的膠砂強度Table 2 Strength of cementMPa水泥抗壓強度抗折強度3 d7 d28 d3 d7 d28 dP.O52.543.453.561.37.38.18.9P.O42.528.038.457.76.57.28.4

表3 硅灰的主要化學組成Table 3 Main chemical constituents of silica fume%硅灰mSiO2CaOFe2O3 Al2O3 K2OMgO Na2O ZrO2CSF1/SF2941.860.580.85 0.260.181.05SF392 0.010.3 0.40.01 0.010.02 7SF497.5 0.240.16 0.420.76 0.360.22

1.2 試驗方案設計

結(jié)合文獻[4-11]中UHPC各組分的摻量范圍考慮，試驗選取水膠比為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。具體配合比設計見表4。故試驗共有水泥品種、硅灰品種、減水劑品種、硅灰摻量和水膠比5個變量。

表4 試驗設計配合比Table 4 The designed proportion of experiment水膠比水泥硅灰石英粉 減水劑消泡劑0.16～0.2210.15～0.300.30 0.0250.001

1.3 試件制備與測試方法

按表4試驗設計配合比，將稱量好的各粉體材料依次倒入水泥膠砂攪拌機內(nèi)進行慢攪2 min，之后加入稱量好的水，慢速攪拌3 min，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內(nèi)，快速攪拌5 min后結(jié)束。之后進行流動度測試試驗，裝入40 mm×40 mm×160 mm的鋼模中。將模具放入溫度(20±2)℃的室內(nèi)，48 h后拆模，拆模后將試件放入標準水養(yǎng)室中的水箱里進行水養(yǎng)到28 d即可。

流動度試驗參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T 8077-2012)中水泥凈漿流動度測試方法進行，采用上口直徑36 mm,下口直徑60 mm,高度60 mm的截錐圓模。強度試驗步驟參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671-1999)進行,加載速率為2.4 kN/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)果進行討論。

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

圖2表示2種水泥制備基體的抗壓強度隨水膠比的變化。水膠比0.16時，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；另一方面因為水膠比過低，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，因而導致強度并沒有得到提升。在攪拌過程中可以明顯看到基體十分粘稠，裝模困難，需要振動成型。因此，要提高UHPC的強度，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，保證了基體的流動性，減少了內(nèi)部孔隙，強度有所提高。水膠比為0.22時，攪拌過程中可以看到不斷有氣泡冒出。

圖1 不同品種水泥基體的流動度Figure 1 The fluidity of UHPC matrix with different cement type

圖2 不同品種水泥基體的抗壓強度Figure 2 Compressive strength of UHPC matrix with different cement type

對照圖1、圖2可知，52.5級硅酸鹽水泥制備的基體在流動度為175 mm，42.5級中熱水泥制備的基體在流動度為180 mm時強度達到最高。綜合2種水泥分別在不同硅灰及硅灰摻量的全部實驗結(jié)果來看，較好強度的組別見表5,表明水泥本身的強度等級對UHPC能達到的最大強度的影響并不明顯，但不同品種的水泥通過對基體流動度的作用，進而很大程度上影響了不同配比下UHPC基體試件的抗壓強度。2種水泥制備基體均在流動度180 mm左右時抗壓強度達到最高，此時混凝土強度與工作性協(xié)調(diào)最好?？梢酝茰y摻白硅灰的UHPC基體在水膠比0.17強度更高。

表5 強度較好組別Table 5 The higher strength group水泥水膠比硅灰硅灰摻量 流動度/mm抗壓強度/MPaC10.18SF40.15195141.7C10.22SF20.15180136.5C20.18SF40.20190142.6C20.18SF10.20180139.4

2.2 硅灰摻量對UHPC基體性能的影響

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%，流動度下降明顯。因為硅灰顆粒較水泥顆粒小近兩個數(shù)量級，故細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。因為硅灰顆粒除了填充在較大的孔隙中，隨著摻量進一步的增多，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性[11]。

圖3 不同硅灰摻量基體的流動度(水泥1基體)Figure 3 The fluidity of UHPC matrix with different silica fume content(Cement matrix 1)

硅灰從兩個方面起作用提高UHPC的強度:一是因為本身顆粒很細而產(chǎn)生的微填充效應，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)化了膠凝材料級配，加強了體系密實度；二是硅灰的火山灰效應，改變了UHPC膠凝組分的水化進程，減少了強度薄弱的Ca(OH)2，使生成的C-S-H凝膠物質(zhì)含量得到顯著提高[12]。圖4為硅灰摻量對52.5級硅酸鹽水泥基體抗壓強度的影響。摻量為15%時，基體抗壓強度達到最高，之后隨著硅灰摻量的加大，抗壓強度整體呈下降趨勢。因為在常溫條件下，硅灰的火山灰反應很弱，很大一部分硅灰并沒有發(fā)生反應，不能有效發(fā)揮出提高強度的效果。對比52.5級硅酸鹽水泥的凈漿，在0.16～0.22水膠比時的抗壓強度均在112～114 MPa間，可見摻入硅灰后，UHPC基體的抗壓強度均比凈漿有所提高。

圖4 不同硅灰摻量基體的抗壓強度(水泥1基體)Figure 4 Compressive strength of UHPC matrix with different silica fume content(Cement matrix 1)

52.5級硅酸鹽水泥摻入半增密硅灰的試驗中流動度、強度規(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，摻入量為15%與20%時流動度變化不大，已經(jīng)具備很好的流動性，尤其是鋯質(zhì)硅灰，0.16水膠比時流動度已達到175 mm。之后隨著硅灰摻量的增加，流動度又有明顯的提高；4種硅灰均在摻量15%時UHPC基體抗壓強度達到最高。因此，在52.5硅酸鹽水泥制備的UHPC中硅灰的最優(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級中熱水泥制備的基體流動性，試驗結(jié)果如圖5所示，隨硅灰摻量增加，流動度逐漸減小。這與水泥1制備基體硅灰摻量為30%時流動性轉(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級中熱水泥制備UHPC基體抗壓強度的影響與水泥1制備基體也有所不同。如圖6所示，在硅灰摻量為20%時，4種水膠比下基體的抗壓強度相對摻量15%與25%都有一個明顯的提高，達到最高?？箟簭姸茸罡叱霈F(xiàn)在水膠比0.18，硅灰摻量20%時，為136.2 MPa,比相同水膠比的凈漿強度提高了18.2 MPa，此時新拌基體流動度為181 mm。

在42.5級中熱水泥中摻入半增密硅灰的試驗中，流動度、強度規(guī)律與摻原狀硅灰結(jié)果一致。摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時，隨摻量的增加，流動度逐漸增加，試件強度在摻量為15%和20%時差別不大，在20%時略高。因此，綜合考慮，在42.5級中熱水泥制備的基體中硅灰的最優(yōu)摻量為20%。

圖5 不同硅灰摻量基體的流動度(水泥2基體)Figure 5 The fluidity of UHPC matrix with different silica fume content(Cement matrix 2)

圖6 不同硅灰摻量基體的抗壓強度(水泥2基體)Figure 6 Compressive strength of UHPC matrix with different silica fume content(Cement matrix 2)

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，選取52.5級硅酸鹽水泥不同硅灰摻量為15%的組別，42.5級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級硅酸鹽水泥，在增大基體流動性方面，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[13]，從而流動度較小。而鋯質(zhì)硅灰與白硅灰相較于2種灰色硅灰流動度有顯著提高，尤其是鋯質(zhì)硅灰。雖然鋯質(zhì)硅灰流動性大，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基體強度并沒有達到預想的高強度，在0.16水膠比下的摻鋯質(zhì)硅灰UHPC基體抗壓強度僅為121.6 MPa。說明鋯質(zhì)硅灰本身對提高UHPC強度的貢獻很小。

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

圖7 不同品種硅灰基體的流動度 (水泥1基體)Figure 7 The fluidity of UHPC matrix with different silica fume type(Cement matrix 1)

圖8 不同品種硅灰基體的抗壓強度(水泥1基體)Figure 8 Compressive strength of UHPC matrix with different silica fume type(Cement matrix 1)

2.3.2硅灰種類對水泥2制備UHPC基體性能的影響

對42.5級中熱水泥制備的基體，改善流動性方面也是鋯質(zhì)硅灰>白硅灰>原狀硅灰>半增密硅灰；強度方面，除摻鋯質(zhì)硅灰的基體外，其余組的最高強度均出現(xiàn)在水膠比0.18時，此時基體的流動度也最接近理想。鋯質(zhì)硅灰在0.16水膠比時強度最高，因為之后基體流動度過大。摻4種硅灰基體最高強度: 白硅灰(142.6 MPa)>原狀硅灰(138.4 MPa)>半增密硅灰(134.2 MPa)>鋯質(zhì)硅灰(126.9 MPa)，相對于凈漿強度分別提升了18.8%、15.3%、11.8%、5.8%。進一步證明了白硅灰對UHPC強度的貢獻最大，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。

圖9 不同品種硅灰基體的流動度(水泥2基體) Figure 9 The fluidity of UHPC matrix with different silica fume type(Cement matrix 2)

圖10 不同品種硅灰基體的抗壓強度(水泥2基體)Figure 10 Compressive strength of UHPC matrix with different silica fume type(Cement matrix 2)

2.4 減水劑種類對UHPC基體性能的影響

根據(jù)實驗結(jié)果，減水劑對UHPC性能影響主要與所摻硅灰的種類有關。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，流動度稍大但差別不大，抗壓強度也幾乎沒有影響。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的基體流動度為190 mm左右，摻另外2種減水劑的基體流動度只有145～158 mm。可見，制備UHPC時選用減水劑不僅要與水泥有良好的適應性，還要注意與硅灰作用的匹配。故對摻白硅灰的UHPC，應選用聚羧酸粉體減水劑。

圖11 不同品種減水劑基體的流動度Figure 11 The fluidity of UHPC matrix with different water reducing agent type

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基體流動性及強度的影響，得出以下主要結(jié)論：

a.水膠比是影響UHPC基體性能的最大要素，使基體流動度達到180 mm左右時UHPC的強度最高。

b.水泥種類對UHPC的基體流動性影響更大，通過流動性進而影響強度。水泥顆粒越細，UHPC流動度越小。

c.對于52.5級普通硅酸鹽水泥制備的基體，隨著硅灰摻量增加，流動度逐漸降低至摻量為30%時開始回升；對于42.5級中熱水泥制備的基體，隨著硅灰摻量的增加流動度逐漸降低。不同水泥制備的UHPC，硅灰在不同摻量使其強度達到最

高。52.5級硅酸鹽水泥制備的基體抗壓強度在硅灰摻量15%時最大，42.5級中熱水泥在硅灰摻量20%時抗壓強度最高。

d.試驗所用硅灰在增大基體流動性方面：鋯質(zhì)硅灰>白硅灰>原狀硅灰>半增密硅灰。其中白硅灰對UHPC基體的強度提高作用最大，原狀硅灰次之，鋯質(zhì)硅灰最小。

e.選用減水劑要注意與硅灰的適應性，對摻白硅灰的UHPC應選用聚羧酸粉體減水劑。