李爽，李云軍，沈銳，韓昊，余林文，楊長(zhǎng)輝

（1重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400030；2重慶天維綠色建筑技術(shù)開發(fā)有限公司，重慶 400700；3中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院，四川成都 610094；4中交二航局第二工程有限公司，重慶 630042）

0 引言

20世紀(jì)90年代，法國(guó)Richard等人[1]發(fā)明了一種新型超高性能水泥基復(fù)合材料，活性粉末混凝土 （reactive powder concrete），簡(jiǎn)稱RPC。活性粉末混凝土具有膠凝材料用量大、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。根據(jù)強(qiáng)度不同，RPC可以分為RPC 200和RPC 800兩級(jí)，分別指強(qiáng)度達(dá)到200MPa和800MPa以上的活性粉末混凝土。由于RPC被Richard所在的法國(guó)Bouygues公司注冊(cè)了專利，為了避免知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，學(xué)術(shù)界將該類產(chǎn)品稱為超高性能混凝土（ultra-high performance concrete），簡(jiǎn)稱UHPC。 UHPC具有強(qiáng)度高、韌性好、耐久性優(yōu)異等性能特點(diǎn)，用于結(jié)構(gòu)工程中可大大降低結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)服役壽命，具有極高的應(yīng)用價(jià)值和潛力[2]。

一般來(lái)說(shuō)，UHPC水灰比極低（通常小于0.2），膠凝材料等粉體材料用量大，外加劑摻量大，導(dǎo)致UHPC具有粘度大的問(wèn)題。降低UHPC粘度、提高其流動(dòng)性，有利于提高施工效率、降低施工強(qiáng)度、加快施工速度，對(duì)于推動(dòng)UHPC的工程應(yīng)用具有重要作用。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-11]針對(duì)如何降低UHPC粘度、增大流動(dòng)度開展了大量研究，能夠制備出跳桌流動(dòng)度200mm以上、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d或90℃熱養(yǎng)護(hù)2～3d，抗壓強(qiáng)度超過(guò)了150MPa的UHPC。不同地區(qū)原材料性能差異巨大，本文研究的目的在于利用川渝地區(qū)原材料，通過(guò)調(diào)整水膠比、砂的種類和粒徑分布、硅灰種類以及加入消泡劑等手段降低UHPC粘度，提高流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度，配制出流動(dòng)度大于200mm、抗壓強(qiáng)度高于150MPa的活性粉末混凝土。為制備高流動(dòng)性高力學(xué)性能的UHPC提供理論依據(jù)和參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用P.O.52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其密度為3.10g/cm3，比表面積為399cm2/g，中位粒徑為16.6μm。所用礦粉為S95級(jí)礦粉，密度為2.88g/cm3，比表面積為453cm2/g，中位粒徑為13.8μm。石英粉細(xì)度為600目，表觀密度為2.65g/cm3，中位粒徑為11.8μm。采用的超細(xì)粉煤灰密度為2.55g/cm3，中位粒徑為7.9μm。水泥、超細(xì)粉煤灰、礦粉的化學(xué)組成見(jiàn)表1所示。采用了三種硅灰，分別為半加密、不加密和全加密硅灰，其主要性能如表2所示。

表1 原材料的化學(xué)組成 /wt%

表2 硅灰的主要性能

試驗(yàn)采用聚羧酸高性能減水劑，減水率高于40%。采用聚醚型消泡劑，推薦摻量為外加劑液體摻量的1‰～8‰。采用的鋼纖維直徑為0.2mm，長(zhǎng)度為13mm。采用了3種單粒徑的石英砂（含水率均小于0.1%），A石英砂細(xì)度為20～40目，表觀密度為2.64g/cm3；B石英砂細(xì)度為40～70目，表觀密度為2.65g/cm3；C石英砂細(xì)度為70～140目，表觀密度為2.67g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

攪拌：先將膠凝材料倒入攪拌鍋中慢攪2min，再加入石英砂慢攪2min，然后加入80%水和外加劑，慢攪90s，停30s，刮凈攪拌鍋及攪拌葉片上所粘的材料，加入剩下的水和外加劑，繼續(xù)慢攪2min，并在30s內(nèi)加入鋼纖維，然后快攪3min，攪拌完成。

成型：將UHPC拌合物倒入40mm×40mm×160mm的試模中，置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30s，用抹刀刮平，表面覆保鮮膜，室內(nèi)（15℃～25℃）養(yǎng)護(hù)1d后脫模，然后將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)溫度為（90±2）℃，濕度不小于95%。2d后取出試件，冷卻至常溫，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至7d。按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》GB/T 17671-1999測(cè)定UHPC抗壓強(qiáng)度（Fc）、抗折強(qiáng)度（Fl）。

采用高度為60mm，上下口內(nèi)徑分別為70mm和100mm的截錐圓模測(cè)試UHPC流動(dòng)度，將截錐圓模置于平板玻璃上，在截錐圓模內(nèi)填滿新拌UHPC，插搗密實(shí)，用刮刀將表面刮平，輕輕提起截錐圓模，1min后讀取UHPC的擴(kuò)展度，將其作為新拌UHPC的流動(dòng)度。參考Yu等人[12]提出的方法測(cè)試新拌UHPC的含氣量，將新拌UHPC裝入固定容器中，放入振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)30s，然后刮平測(cè)試容重，然后根據(jù)公式（1）計(jì)算新拌UHPC的含氣量，式中ρ1為實(shí)際表觀密度，ρ2為理論表觀密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 消泡劑對(duì)UHPC性能的影響

拌合物含氣量是影響水泥基材料工作性能及力學(xué)性能的主要因素，UHPC由于粘度大的問(wèn)題，在攪拌過(guò)程中會(huì)引入大量氣泡，從而對(duì)材料工作性能及力學(xué)性能不利。消泡劑的引入可降低泡沫彈性膜的強(qiáng)度從而破壞氣泡穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣泡破裂或合并，降低體系含氣量，改善漿體流動(dòng)性及力學(xué)性能。本節(jié)主要通過(guò)加入消泡劑調(diào)整UHPC含氣量，研究不同水膠比條件下UHPC含氣量對(duì)其坍落度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。 水膠比選取了0.171、0.187、0.203和0.220，A、B兩組分別為基準(zhǔn)組和摻消泡劑組，圖1a所示為不同水膠比情況下有無(wú)消泡劑對(duì)UHPC含氣量的影響，圖1b所示為新拌UHPC的流動(dòng)度，圖1c和圖1d為UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

圖1 不同水膠比下空氣含量對(duì)UHPC性能的影響

如圖1a所示，當(dāng)不摻消泡劑時(shí)，UHPC含氣量隨著水膠比的增大而顯著增大；摻入消泡劑時(shí)，UHPC含氣量無(wú)顯著變化。當(dāng)水膠比較小時(shí)，拌合物流動(dòng)性差，攪拌過(guò)程中剪切應(yīng)力大，使得氣泡無(wú)法穩(wěn)定存在于新拌UHPC中，隨著水膠比逐漸增大，UHPC拌合物流動(dòng)性增大，攪拌過(guò)程中會(huì)引入一些氣泡穩(wěn)定存在于拌合物中，從而使得不摻消泡劑時(shí)拌合物含氣量增長(zhǎng)明顯。摻入消泡劑以后，雖然水灰比增大使得攪拌過(guò)程中會(huì)形成一些氣泡，但是消泡劑在流動(dòng)性高的砂漿中可以更好更均勻的分散，更好地發(fā)揮其消泡效果：一方面分散均勻的消泡劑滲透進(jìn)入泡沫彈性膜并且在膜中分布，通過(guò)表面張力的降低導(dǎo)致薄層破裂，另一方面分散均勻的消泡劑滲透進(jìn)入泡沫薄層并且形成單分子膜，使其附著力降低，氣泡破裂，從而使得UHPC拌合物含氣量降低。

圖1b所示為水膠比和消泡劑對(duì)UHPC流動(dòng)度的影響，可以看出有無(wú)消泡劑時(shí)，UHPC的流動(dòng)度均隨水灰比增大而增加，同水膠比條件下?lián)饺胂輨┦沟肬HPC流動(dòng)性略有下降。從圖1c、圖1d可以看出，隨著水膠比的增加，A、B兩組試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均隨水膠比增大而逐漸降低，水膠比增大會(huì)增加界面過(guò)渡區(qū)寬度和孔隙率，降低基體密實(shí)度，使強(qiáng)度降低。但隨著消泡劑的加入，UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均明顯得到改善，其中抗折強(qiáng)度改善效果更為明顯。這主要是由于消泡劑的加入使得UHPC大氣泡和氣孔破滅，從而使強(qiáng)度得到改善，而混凝土抗折強(qiáng)度對(duì)氣孔缺陷的存在更為敏感，因此消泡劑的摻入使得抗折強(qiáng)度提升效果更加明顯。

2.2 骨料級(jí)配對(duì)UHPC性能的影響

為消除粗骨料和漿體界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)存在的缺陷對(duì)UHPC強(qiáng)度等性能的不利影響，UHPC通常僅采用小于4.75mm的細(xì)集料作為骨料。本節(jié)研究三種不同粒徑的石英砂搭配對(duì)UHPC含氣量、流動(dòng)度以及力學(xué)性能的影響，共采用了四種不同砂的組合， 包括A∶B的混合比例0.5∶0.5，A∶C的混合比例0.5∶0.5，B∶C的混合比例為0.5∶0.5，以及A∶B∶C的混合比例為0.25∶0.25∶0.5。圖2a所示為不同骨料組合的緊密堆積密度及制備的UHPC流動(dòng)度，可以看出UHPC流動(dòng)度與細(xì)骨料堆積密度間無(wú)明顯關(guān)系。圖2b和圖2c分別為細(xì)骨料組合對(duì)UHPC含氣量及抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，隨著砂的堆積密實(shí)度的提高，UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度先提高后降低；A+B+C組合強(qiáng)度最高，含氣量最低，表明此種粒徑搭配使骨料之間相互填充，有更佳粒徑分

布，體系缺陷降低，含氣量減少，強(qiáng)度較高；A+C組合制備的UHPC力學(xué)性能較A+B+C和B+C組合差，但較A+B組合好；骨料顆粒粒徑越大[13-14]，UHPC的缺陷越大，強(qiáng)度越低，一般UHPC的骨料緊密堆積密度越大，體系勻質(zhì)性越好，UHPC強(qiáng)度越高。由于A+C組合為間斷級(jí)配，骨料的整體顆粒粒徑大于A+B+C和B+C組合，使基體缺陷增多，并且A+C組UHPC空氣含量最大，即使A+C組緊密堆積緊密度大，但是其抗壓強(qiáng)度仍然小于A+B+C和B+C組。

2.3 硅灰種類對(duì)UHPC性能的影響

分別采用I1半加密硅灰、I2不加密硅灰和I3全加密硅灰配制UHPC，研究不同種類硅灰對(duì)UHPC流動(dòng)度、含氣量、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3a可以發(fā)現(xiàn)，三類硅灰制備的UHPC含氣量無(wú)明顯區(qū)別，流動(dòng)度按大小順序則依次為I1半加密硅灰＞I3全加密硅灰＞I2不加密硅灰；從圖3b中可以看到，抗壓強(qiáng)度按大小順序依次為I2不加密硅灰＞I1半加密硅灰＞I3全加密硅灰。I2不加密硅灰流動(dòng)性差但抗壓強(qiáng)度高，主要原因可能是，硅灰I2的比表面積最大，需水量大，增加了拌合物粘度，因此其制備的UHPC拌合物流動(dòng)度最差[5]。但由于I2不加密硅灰粒徑最小且最容易分散，在基體中可填充孔隙使基體更加致密，因此其抗壓強(qiáng)度最高。硅灰I1和硅灰I3經(jīng)過(guò)加密，在攪拌過(guò)程中不易分散，顆粒之間聚集成團(tuán)，使其比表面積減少，吸附性能減弱，對(duì)水的需求量降低，但顆粒團(tuán)聚也導(dǎo)致其填充性較I2更差，因此在相同水膠比下，其具有更高流動(dòng)性，但強(qiáng)度卻更低。綜合來(lái)看，不加密硅灰雖抗壓強(qiáng)度高，但流動(dòng)性差；全加密硅灰雖流動(dòng)性好，但抗壓強(qiáng)度低；而半加密硅灰在更好流動(dòng)度條件下抗壓強(qiáng)度也滿足要求，更適合制備UHPC。

2.4 砂膠比對(duì)UHPC含氣量及力學(xué)性能的影響

本節(jié)主要研究了砂膠比分別為0.8、1.0和1.2時(shí)UHPC的流動(dòng)度、含氣量及力學(xué)性能。圖4a所示為砂膠比對(duì)UHPC流動(dòng)度和含氣量的影響，可以看出隨著砂膠比從0.8提高到1.2，覆蓋在細(xì)骨料表面的凈漿層厚度降低，顆粒間摩擦力增大，試件內(nèi)部缺陷增加，使得其流動(dòng)度從245 mm下降到170 mm。而隨著UHPC砂膠比增大，其空氣含量從1.8%增加到2.1%，這是由于砂膠比增大，砂子總比表面積增加，吸附水分增多，導(dǎo)致漿體粘度增加，在拌合過(guò)程中引入更多氣體，使含氣量增大。除此之外，砂膠比較大時(shí)，意味著漿體相對(duì)較少，不能填充于骨料孔隙或不能很好包裹骨料表面，導(dǎo)致基體孔隙率增加，含氣量也相應(yīng)增大。圖4b所示為砂膠比對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，可以看出UHPC抗折強(qiáng)度隨著砂膠比的提高呈增加的趨勢(shì)，而抗壓強(qiáng)度則略有降低。

圖4 砂膠比（S/B）對(duì)UHPC性能的影響

3 結(jié)論

（1）當(dāng)水膠比較大時(shí)，使用消泡劑可明顯降低UHPC拌合物的含氣量；加入消泡劑使得UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度對(duì)水膠比的敏感性降低；消泡劑的加入可消除UHPC拌合物中的大氣泡，從而使得UHPC抗折強(qiáng)度明顯改善。

（2）連續(xù)級(jí)配的細(xì)骨料可明顯提升UHPC的密實(shí)度，提高其流動(dòng)度及力學(xué)性能。

（3）硅灰加密狀態(tài)對(duì)UHPC流動(dòng)度和力學(xué)性能均有明顯影響，采用不加密硅灰制備的UHPC流動(dòng)度差，但抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最高；采用半加密硅灰制備的UHPC流動(dòng)度最大。

（4）砂膠比在0.8～1.2范圍內(nèi)，UHPC流動(dòng)度隨砂膠比增大而降低，砂膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯影響，而抗折強(qiáng)度則隨砂膠比增大而明顯提高。