劉子源，李磊，柯偉席，成良民，陳林，鄒偉

（1.武漢三源特種建材責(zé)任有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430080）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力學(xué)性能和耐久性能，被廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高層、大跨度、高耐久性工程結(jié)構(gòu)中[1]。隨著材料研究和工程應(yīng)用的進一步發(fā)展，橫向坡與縱向坡UHPC建筑越來越普遍，UHPC在坡面硬化前在重力作用下會導(dǎo)致所成坡度消失或減小[2]，因此，減少UHPC在坡面硬化前無法保持與定型等現(xiàn)象變得至關(guān)重要。為了使UHPC滿足抹坡后能良好保持形態(tài)坡度的特殊工況和功能要求，通過在UHPC中摻入觸變劑來提高其觸變性，進而實現(xiàn)UHPC在澆筑與振搗時具有良好的流變性能，便于施工，在抹坡處理后，具有良好的形狀保持能力，便于坡度定性。

有研究表明，粉煤灰與微珠可降低膠凝材料漿體的屈服應(yīng)力、塑性黏度與觸變性[3-4]，硅灰會增大膠凝材料漿體的觸變性[5-6]。高南簫等[7]的研究表明，油脂在堿性條件下制成的新型脂肪酸鹽類觸變劑對水泥漿體的觸變性有良好的改善效果。目前大多數(shù)研究都是基于水泥漿體以及混凝土的流變性能研究，而針對低水膠比的超高性能混凝土研究較少。

本文研究了觸變劑對UHPC工作性能、流變性及力學(xué)性能的影響，進而為觸變劑在UHPC工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：華新水泥股份有限公司P·O52.5水泥，表觀密度3210 kg/m3，比表面積384 m2/kg；微珠：深圳道特科技有限公司，表觀密度2550 kg/m3，比表面積1690 m2/kg；超細礦粉：武漢武新新型建材股份有限公司，表觀密度2500 kg/m3，比表面積1351 m2/kg，水泥、微珠和超細礦粉的主要化學(xué)成分見表1，水泥的物理力學(xué)性能見表2。石英砂：將細度模數(shù)分別為1.3和2.2的石英砂按1∶1的質(zhì)量比混合得到；減水劑：江蘇兆佳建材科技有限公司生產(chǎn)的PC8010粉體聚羧酸減水劑，減水率為23%；觸變劑：廣東龍湖科技股份有限公司OPTIBENT 602型觸變潤滑劑，主要成分為硅酸鎂鋁（3MgO·15Al2O3·8SiO2·9H2O），密度為800 g/L，含水量為9%～13%；鋼纖維：長13 mm、直徑0.2 mm，平直形。

表1 水泥、微珠和超細礦粉的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

1.2 混凝土配合比

本試驗中UHPC的配合比如表3所示，水膠比為0.16，鋼纖維體積摻量為基體的2%，觸變劑摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

表3 UHPC基體的配合比 %

1.3 測試方法

（1）流動度與坡面流動度：流動度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測試方法》進行測試，坡面流動度測試在一端墊高4 cm（8%坡比）的邊長為50 cm玻璃板上進行，如圖1所示。

（2）流變性與觸變性：采用德國產(chǎn)eBT-V新澆混凝土流變儀的V模式，星形葉片探頭，葉片半徑為51.5 mm、高度為103 mm、測量池半徑為122 mm。在不同剪切速率下考察觸變劑對UHPC流變特性的影響。UHPC的流變性能采用修正Bingham流體模型描述，塑性黏度和屈服應(yīng)力可以從角速度和測量的扭矩中計算得出。測試漿體流變參數(shù)的流變制度如圖2（a）所示。流變制度測試時間為230s，在0～90 s內(nèi)轉(zhuǎn)速線性增大，隨后轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)階梯式下降。測試漿體觸變性的制度如圖2（b）所示，0～90 s內(nèi)轉(zhuǎn)速線性增大到40 r/min，隨后轉(zhuǎn)速線性減小至0，據(jù)此得到漿體的扭矩-轉(zhuǎn)速滯回曲線（即觸變環(huán)），根據(jù)觸變環(huán)的面積來評價漿體的觸變性。

（3）抗壓強度：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，標養(yǎng)7 d、28 d分別進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 觸變劑摻量對UHPC流動性的影響（見圖3）

由圖3可見，摻加觸變劑后UHPC的流動度均較未摻觸變劑的空白組有所減小。其原因為觸變劑中片層狀的硅酸鹽礦物材料在水中能夠形成一種卡屋式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可提高體系的基本黏度，但當(dāng)受到的剪切力超過某一極限值時，該結(jié)構(gòu)被破壞使黏度降低，體系可恢復(fù)良好的流動性。觸變劑摻量越多，UHPC流動度下降趨勢越強，當(dāng)觸變劑摻量為0.2%時，平面流動度與坡面流動度分別為242、260 mm，較空白組分別降低了12.8%、30.7%；當(dāng)觸變劑摻量為0.4%時，UHPC基本無流動性。

2.2 觸變劑對超高性能混凝土流變性能與觸變性的影響

采用Bingham模型分析計算摻鋼纖維的低水膠比UHPC得到的屈服應(yīng)力為負值，從物理意義上來說，UHPC的屈服應(yīng)力應(yīng)為正值，因此UHPC采用Bingham模型分析是不可行的，從而選擇修正Bingham流體模型來計算UHPC砂漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度，屈服應(yīng)力和塑性黏度由Reiner-Riwlin方程確定。

式中：T——扭矩，N·m；

N——轉(zhuǎn)速，r/s；

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

C——修正系數(shù)；

R1——測量池半徑，51.5 cm；

R2——葉片半徑122cm；

h——葉片高度，103 cm；

G、H——修正前擬合得到T-N直線的截距與斜率（修正前線性關(guān)系為T=G+H·N）。

圖4為摻觸變劑UHPC的流變曲線，可以看出，該模型擬合曲線與實測UHPC流變曲線具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)最小也可達到0.94239。

表4為根據(jù)擬合公式計算得到的UHPC屈服應(yīng)力與塑性黏度。

表4 UHPC的屈服應(yīng)力與塑性黏度

由表4可見，觸變劑的摻入使UHPC的屈服應(yīng)力與塑性黏度進一步增大，且隨著觸變劑摻量的增加，屈服應(yīng)力與塑性黏度逐漸增大。與U0相比，U2的屈服應(yīng)力與塑性黏度分別增大了19.0%與3.5%。

膠凝材料漿體的觸變環(huán)面積，即觸變性大小取決于漿體內(nèi)部阻礙流動的絮凝結(jié)構(gòu)的數(shù)量[8-9]。相同條件下，觸變環(huán)面積越大，漿體的觸變性就越大。摻觸變劑的UHPC觸變環(huán)如圖5所示。

由圖5可見，漿體的觸變環(huán)面積大小存在差異，經(jīng)計算，U2的觸變環(huán)面積是U0的4.2倍，摻入觸變劑的UHPC中形成了更多的卡屋式結(jié)構(gòu)，觸變環(huán)面積明顯大于未摻觸變劑組。觸變劑的摻入提高了UHPC的觸變性。

2.3 觸變劑對超高性能混凝土抗壓強度的影響（見表5）

表5 觸變劑摻量對UHPC抗壓強度的影響

由表5可以看出，在觸變劑摻量為0.2%時，觸變劑對UHPC基體的抗壓強度影響較小，其標養(yǎng)28 d抗壓強度較空白組下降了4.2%；當(dāng)觸變劑摻量繼續(xù)增加時，UHPC的抗壓強度下降程度明顯，觸變劑摻量為0.4%時，28 d抗壓強度較空白組下降了23.4%。這主要與其工作性能有關(guān)，在相同配合比條件下，觸變劑摻量超過0.3%時，流動度較差，基體中較多的氣泡無法排出，使UHPC基體中有害氣孔增加，影響基體的抗壓強度。

3 結(jié)論

（1）觸變劑影響超高性能混凝土的流動性，隨其摻量的增加，流動度減小，觸變劑摻量為0.2%時，流動度與斜面流動度較空白組分別減小了12.8%、30.7%。

（2）采用修正Bingham流體模型進行計算可知，摻觸變劑增大了UHPC的屈服應(yīng)力、塑性黏度，提高了其觸變性，觸變劑摻量為0.2%時，屈服應(yīng)力與塑性黏度較空白組分別提高了19.0%、3.5%。

（3）在相同UHPC配合比條件下，不同摻量觸變劑對UHPC抗壓強度影響程度不同，摻量為0.2%時，對抗壓強度無明顯影響；摻量達到0.4%時，28 d抗壓強度較空白組降低了23.4%。