周玉娟，王全超，徐文冰，占 文，舒騰飛

(1.寧波市高等級(jí)公路建設(shè)管理中心,寧波 315192; 2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,武漢 430040;3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430040)

混凝土作為當(dāng)今社會(huì)用量最大的建筑材料，已被廣泛應(yīng)用于各種工程建設(shè)中，混凝土對(duì)城市及交通工程的建設(shè)起著極其重要的作用。然而，普通水泥基材料存在脆性大、氯鹽條件下耐腐蝕性差、高力學(xué)性能要求下自重大等缺點(diǎn)，盡管纖維的引入對(duì)水泥基復(fù)合材料具有一定的增強(qiáng)增韌[1-2]，但纖維的摻入并不能阻止粗集料-水泥石間微裂紋的產(chǎn)生，對(duì)水泥基材料的密實(shí)度并沒(méi)有改善。

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)由于其致密的微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的力學(xué)性能及耐久性能有效地解決了普通水泥基材料的現(xiàn)存問(wèn)題。超高性能混凝土發(fā)展至今已取得了不少研究成果及工程應(yīng)用[3-4]，但現(xiàn)在仍存在一些問(wèn)題[5-8]，如拌合物粘稠工作性能較差、養(yǎng)護(hù)工藝復(fù)雜、成本較高等。該研究依據(jù)最緊密堆積原理，采用常規(guī)養(yǎng)護(hù)制度配制出自流平且力學(xué)性能非常優(yōu)異的超高性能混凝土，研究了鋼纖維摻量、石英砂的細(xì)度及其級(jí)配等因素對(duì)所制超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，以解決現(xiàn)存超高性能混凝土工作性差、養(yǎng)護(hù)工藝復(fù)雜等問(wèn)題。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥：海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，3 d抗折強(qiáng)度7.2 MPa、抗壓強(qiáng)度38.0 MPa，28 d抗折強(qiáng)度10.8 MPa、抗壓強(qiáng)度60.2 MPa；硅灰：上海亨創(chuàng)化工有限公司生產(chǎn)，比表面積18 680 m2/kg，粒徑0.1～0.15 μm；粉煤灰漂珠：鞏義市歐尚耐材有限公司生產(chǎn)，粒徑200目。化學(xué)成分組成見(jiàn)表1。

表1 原材料的化學(xué)組成 /%

石英砂：佛山玉峰粉體材料有限公司生產(chǎn)，粒徑分別為16-26目、26-40目、40-70目、70-120目，其物理參數(shù)如表2所示。鍍銅帶鉤鋼纖維：上海真強(qiáng)纖維有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)徑比65，直徑0.2 mm，長(zhǎng)度13 mm。減水劑：為減水率35%粉末狀固體減水劑。拌合水為普通自來(lái)水。

表2 石英砂的物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期探索試驗(yàn)結(jié)果，確定了最優(yōu)基準(zhǔn)配合比，見(jiàn)表3，其中鋼纖維摻量為體積摻量，其余原材之間比例為質(zhì)量百分比。

表3 研究所用基準(zhǔn)配合比

依照配合比將稱(chēng)量好的水泥、硅灰、粉煤灰漂珠、粉體減水劑、石英砂，倒入攪拌鍋中慢攪1 min混合均勻，將稱(chēng)量好的水倒入攪拌鍋中慢攪3 min，然后緩慢加入稱(chēng)量好的鍍銅鋼纖維再慢攪3 min，繼續(xù)快速攪拌1 min即可成型，所制UHPC砂漿可實(shí)現(xiàn)自流平。將攪拌好的砂漿倒入40 mm×40 mm×160 mm的試模中振動(dòng)25次成型。試樣成型一天后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼纖維摻量對(duì)UHPC性能的影響

在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，首先研究了鋼纖維摻量對(duì)UHPC試樣性能的影響，帶鉤鋼纖維的體積摻量為0.33%至3%，上述配比中所用石英砂的粒徑為16-26目。由圖1可知，當(dāng)鋼纖維摻量大于1%時(shí)，隨著帶鉤鋼纖維體積摻量的增加，所制UHPC試樣的工作性能會(huì)相應(yīng)降低；當(dāng)鋼纖維體積摻量大于2%時(shí)，UHPC試樣的工作性能已不能滿足自流平，這將會(huì)增加其實(shí)際工程應(yīng)用中的泵送難度，并增加UHPC試樣的成本。當(dāng)帶鉤鋼纖維體積摻量為2%時(shí)，所制UHPC試樣的抗折強(qiáng)度增幅最大，其28 d的抗折強(qiáng)度可達(dá)38.0 MPa，相較于帶鉤鋼纖維體積摻量為0.33%和1.67%的UHPC試樣分別增加了12.7 MPa和7.4 MPa，繼續(xù)增加帶鉤鋼纖維體積摻量，所制UHPC試樣的抗折強(qiáng)度增加并不明顯(如圖2所示)。并且，如圖3所示，隨帶鉤鋼纖維體積摻量的增加，所制UHPC試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，較帶鉤鋼纖維體積摻量為0.33%的UHPC試樣，當(dāng)帶鉤鋼纖維體積摻量為2%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度增加了47.4 MPa，達(dá)到170.1 MPa，其力學(xué)性能得到了大幅提升。綜合考慮所制UHPC試樣的成本及工作性能，論文選定帶鉤鋼纖維的最佳體積摻量為2%。

鋼纖維的摻入能夠改善所制UHPC試樣力學(xué)性能的主要原因?yàn)榫鶆螂s向分布的鋼纖維能使混凝土基體形成環(huán)箍效應(yīng)[9]，能夠約束UHPC基體收縮所產(chǎn)生的微裂紋并阻止其發(fā)展，且UHPC基體在受力時(shí)，均勻分布的鋼纖維搭接環(huán)箍效應(yīng)可以阻止UHPC基體的橫向膨脹發(fā)展，從而提高UHPC試樣力學(xué)性能。

2.2 石英砂的細(xì)度對(duì)UHPC性能的影響

分別采用粒徑范圍為16-26目、26-40目、40-70目、70-120目的石英砂為骨料制備UHPC試樣，并對(duì)所制UHPC試樣的工作性能及力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，探究石英砂的細(xì)度對(duì)所制UHPC試樣性能的影響。

結(jié)果如圖4所示，采用16-26目、26-40目、40-70目石英砂為骨料的試樣均具有較優(yōu)異的工作性能；隨著石英砂粒徑的減小，所制UHPC試樣工作性能逐漸降低，且采用70-120目石英砂為骨料時(shí)，所制UHPC試樣工作性能降低明顯(圖4(a))，故不宜單獨(dú)采用粒徑范圍小于70目(0.212 mm)的石英砂為骨料制備UHPC試樣。由圖4(b)、圖4(c)可知，所制UHPC試樣具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，28 d抗折抗壓強(qiáng)度最低也可達(dá)到34.2 MPa、161.3 MPa。所制UHPC試樣的力學(xué)性能并非隨石英砂粒徑的減小而增大，單一粒徑范圍石英砂中，以26-40目石英砂為骨料的UHPC試樣工作性及力學(xué)性能最優(yōu)，其28 d抗折抗壓強(qiáng)度分別為40.1 MPa、170.1 MPa。

2.3 石英砂的級(jí)配對(duì)UHPC性能的影響

根據(jù)2.2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，剔除70-120目石英砂，將16-26目、26-40目、40-70目石英砂以不同質(zhì)量比例進(jìn)行級(jí)配以確定三者混合的最大緊密堆積密度。首先，將26-40目的石英砂摻入16-26目的石英砂中以測(cè)定兩者的最佳比例，結(jié)果由表4可知，當(dāng)16-26目和26-40目石英砂的混合比例為1∶1時(shí)，緊密堆積密度最大，可達(dá)1 450.1 kg/m3。然后在16-26目和26-40目石英砂的最佳混合比(1∶1)的基礎(chǔ)上，將40-70目石英砂以不同質(zhì)量比摻入前兩者的混合物中以測(cè)定三者的最佳比例。結(jié)果如表5所示，當(dāng)16-26目和26-40目最佳比混合物與40-70目石英砂的比例為7∶3時(shí)，緊密堆積密度最大(1 551.8 kg/m3)，因此，16-26目、26-40目和40-70目石英砂最佳混合比例為7∶7∶6。

表4 不同比例的16-26目和26-40目石英砂的緊密堆積密度

表5 不同比例的16-26目、26-40目和40-70目石英砂的緊密堆積密度

將表5中所示的不同比例的石英砂進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，以探究石英砂的級(jí)配對(duì)UHPC性能的影響。由圖4(a)和圖5可知，級(jí)配后的UHPC試樣工作性能得到大幅提升，明顯優(yōu)于單一粒徑的UHPC試樣(摻單一粒徑范圍石英砂的UHPC試樣最大工作性為225 mm)。

由圖6、圖7可知，較摻單一粒徑范圍石英砂的UHPC試樣(28 d抗折最大值為40.1 MPa，抗壓最大值為170.1 MPa)，級(jí)配后的UHPC試樣抗壓值得到一定提高，抗折值并無(wú)提高，造成此現(xiàn)象的原因在于UHPC工作性的明顯提高利于粉料及纖維的流動(dòng)堆積而使基體更加緊密，但會(huì)導(dǎo)致鋼纖維的過(guò)多下沉而不利于其發(fā)揮環(huán)箍增韌效果，因此在制備UHPC試樣時(shí)在滿足工作性能的前提下盡量減少UHPC成型時(shí)的震動(dòng)次數(shù)使其自流平。級(jí)配后的UHPC試樣3 d抗折和抗壓強(qiáng)度最低可達(dá)26.6 MPa和115.1 MPa，28 d抗折和抗壓強(qiáng)度最低可達(dá)32.4 MPa和173.8 MPa，其中最佳混合比例(16-26目、26-40目、40-70目石英砂質(zhì)量比例為7∶7∶6)的石英砂UHPC試樣力學(xué)性能最優(yōu)，其28 d抗折抗壓強(qiáng)度可達(dá)40.2 MPa、187.0 MPa，可解決超高性能混凝土工作性差、養(yǎng)護(hù)工藝復(fù)雜的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

a.UHPC隨帶鉤鋼纖維的摻入量的增加力學(xué)性能得到顯著提高，但隨帶鉤鋼纖維摻量的增加，所制UHPC試樣的工作性能會(huì)有所降低，這將會(huì)增加其在實(shí)際工程應(yīng)用中的泵送難度，并增加UHPC試樣的成本，論文帶鉤鋼纖維的最佳體積摻量為2%。

b.UHPC試樣的力學(xué)性能并非隨骨料粒徑的減小而逐漸增大，而應(yīng)綜合考慮骨料的堆積密度和摻入骨料后UHPC試樣的工作性能，優(yōu)異的工作性能更易于鋼纖維的均勻分布，但應(yīng)減少UHPC成型時(shí)的震動(dòng)次數(shù)以避免纖維下沉，較大的緊密堆積密度則更利于發(fā)揮最緊密堆積原理。

c.不同粒徑石英砂的合理級(jí)配可以提高UHPC試樣的工作性能及力學(xué)性能，當(dāng)16-26目∶26-40目∶40-70目石英砂質(zhì)量比例為7∶7∶6，所制UHPC試樣的力學(xué)性能最優(yōu)，且其采用常溫養(yǎng)護(hù)制度滿足自流平的性能特點(diǎn)，可提高工程施工效率，降低工程成本。