超高性能混凝土(UHPC)的基本性能測試方法研究

魯 亞，閔洋洋，范忠輝，劉華明，趙 筠

(1.江西貝融超高性能混凝土技術(shù)有限公司,江西 南昌 330000;2.江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330001)

0 引言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,簡稱UHPC),屬于現(xiàn)代先進(jìn)材料,創(chuàng)新了水泥基材料(混凝土或砂漿)與鋼纖維、鋼材(鋼筋或高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋)的復(fù)合模式,大幅度提高了鋼纖維和鋼筋在混凝土中的強(qiáng)度利用效率,使水泥基材料的全面性能發(fā)生了跨越式進(jìn)步：具備了高密實(shí)度、超高強(qiáng)、高韌性和超高耐久性等特點(diǎn)[i],在工程結(jié)構(gòu)及裝飾工程等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

目前歐洲、北美、日韓、馬來西亞等國家和地區(qū)的UHPC技術(shù)已相對成熟,UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料檢測、施工、驗(yàn)收等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基本完善。而中國處于廣泛研究和初步應(yīng)用階段,UHPC的系列技術(shù)規(guī)范制定工作才剛剛起步,材料的性能檢測是關(guān)鍵,因此本文結(jié)合普通混凝土性能測試方法以及中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)正在制定的《超高性能混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：基本性能與試驗(yàn)方法》中的有關(guān)方法,探索出適合UHPC的簡便、準(zhǔn)確的UHPC基本性能測試方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)見表1,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種UHPC基體：A、B組為同一灰色基體,D組為白色基體。灰色基體分別添加2.5%、5%體積摻量鋼纖維,白色基體添加3%體積摻量耐堿玻璃纖維,制作三種等級的UHPC。

A、B組所用原材料分別為525#普通硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂(≦2.36mm)、鍍銅微絲鋼纖維(長度在12-14mm之間,直徑在0.15-0.20mm之間,抗拉強(qiáng)度大于2850MPa)。

D組所用原材料分別為525#白水泥、硅灰、磨細(xì)石英粉、石英砂(≦2.36mm)、耐堿玻璃纖維(長度12mm,長徑比58,單絲直徑14-19μm,抗拉強(qiáng)度1700MPa,彈性模量72GPa)。三組減水劑均為聚羧酸型高效減水劑,減水率大于30%。

表1 配合比設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 成型、養(yǎng)護(hù)方式

按配合比設(shè)計(jì)要求稱取原材料,先將硅灰、砂投入高效率強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行干拌1min,再加入其它固體材料進(jìn)行干拌1min,充分混合后加2/3的水和減水劑進(jìn)行攪拌2min,再加入剩下的水?dāng)嚢?min,最后邊攪拌邊加纖維,根據(jù)纖維類型和摻量的不同繼續(xù)攪拌約30s-1min后出機(jī)。

根據(jù)纖維類型和摻量的不同,不同等級對應(yīng)不同的成型方式,具體成型方式見表2。養(yǎng)護(hù)方式統(tǒng)一采用熱養(yǎng)護(hù),即90℃下進(jìn)行48小時(shí)蒸汽養(yǎng)護(hù)。

表2 成型方式

1.2.2 流動(dòng)性測試

UHPC制備原理是實(shí)現(xiàn)納米級到毫米級材料的最緊密堆積,為了提高勻質(zhì)性,一般不使用粗骨料[2],其厘米級材料相當(dāng)于粗骨料,因此既可以稱為“砂漿”,又可叫“混凝土”。所以本文采用兩種方法測試擴(kuò)展度,一種是參考《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119-2013)[3]中附錄A砂漿擴(kuò)展度測試方法測試,稱為“砂漿法”；一種是參考《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080)[2]中混凝土擴(kuò)展度測試方法測試,稱為“混凝土法”。不含纖維的UHPC基體均一次裝入擴(kuò)展度筒,不進(jìn)行插搗,含纖維的UHPC根據(jù)纖維類型和摻量的不同分2-4層裝入擴(kuò)展度筒,不進(jìn)行插搗。

1.2.3 力學(xué)性能測試

力學(xué)性能試驗(yàn)方法見表3,主要測試抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。“哈工大法”抗拉強(qiáng)度測試模具尺寸圖見圖1。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

圖1 抗拉模具設(shè)計(jì)尺寸圖

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)性測試方法

表4 兩種測試方法擴(kuò)展度測試結(jié)果

圖2 “砂漿法”擴(kuò)展度測試

兩種測試方法擴(kuò)展度測試結(jié)果見表4,從表4可以看出,“砂漿法”測得的擴(kuò)展度值約為“混凝土法”的1/2。因此,針對不同的試驗(yàn)場合可選擇不同的測試方法,均能表征出流動(dòng)性的好壞。鋼纖維的摻入對流動(dòng)性影響相對玻璃纖維的較小。

擴(kuò)展度的測試是檢驗(yàn)UHPC拌和物是否均勻的一個(gè)初步判斷,因?yàn)閁HPC的水膠比極低,能夠?qū)HPC漿體“打開”至關(guān)重要,然后通過觀察攪拌出的UHPC漿體的流動(dòng)狀態(tài)、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)判別拌和物的質(zhì)量。圖2為A、B基體用“砂漿法”測試的最終擴(kuò)展圖,從圖中可以看出最終擴(kuò)展的形狀為圓形,說明整體均勻性、粘聚性較好；表面氣泡量較少,同時(shí)觀察流動(dòng)過程的流動(dòng)效果、氣泡破裂情況等,判斷拌和物的質(zhì)量好壞。

2.2 抗壓強(qiáng)度測試方法

在測試過程中,試塊的處理對于力學(xué)性能的測試至關(guān)重要,由于UHPC試塊表面邊緣部分會(huì)有裸露纖維(如圖3所示),尤其含有鋼纖維時(shí),邊緣若沒有清理平整,纖維架立會(huì)導(dǎo)致試塊無法擱置平穩(wěn)(如圖4所示),試塊會(huì)出現(xiàn)異常破壞。這種情況在試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn),而且容易被測試人員忽略。

表5 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

圖5 抗壓測試試樣的破壞狀態(tài)

抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表5,軸心抗壓強(qiáng)度約為立方體抗壓強(qiáng)度的85%-90%；鋼纖維隨著摻量的增加抗壓強(qiáng)度在增大,而耐堿玻璃纖維摻入后卻出現(xiàn)了比基體強(qiáng)度下降的狀況,主要原因是耐堿玻璃纖維并沒有在基體中分散好,反而使基體密實(shí)度下降,缺陷更多。從圖5可以看出,UHPC基體破壞為爆炸性破壞,因此在基體抗壓測試時(shí)要注意遮擋,避免傷害到測試人員。所以UHPC抗壓測試時(shí)要注意“毛邊”的清理,以及對基體爆炸性破壞時(shí)的安全措施處理。

2.3 抗彎強(qiáng)度測試方法

抗彎強(qiáng)度測試采用兩種方式測試：成型面受壓和側(cè)面受壓。抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果見表6,結(jié)果表明：無論哪種測試方式,初裂抗彎強(qiáng)度約為極限抗彎強(qiáng)度的1/2；B、D組成型面受壓和側(cè)面受壓結(jié)果基本一致,A組成型面受壓結(jié)果比側(cè)面受壓的大,主要原因是A組是進(jìn)行強(qiáng)力振搗,鋼纖維會(huì)出現(xiàn)小部分下沉,D組雖然也進(jìn)行了強(qiáng)力振搗,但基于耐堿玻璃纖維的特性,是不會(huì)出現(xiàn)下沉的現(xiàn)象,B組進(jìn)行了輔助性振搗,從結(jié)果看鋼纖維下沉并不嚴(yán)重,但還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。若按照實(shí)際工程應(yīng)用,成型面受壓更能體現(xiàn)實(shí)際承載能力,且纖維下沉反而會(huì)對抗彎結(jié)果有利,但纖維下沉?xí)绊懻w的均勻性,所以按照普通混凝土測試標(biāo)準(zhǔn),側(cè)面受壓是更合理的,一方面可以檢驗(yàn)纖維分散的均勻性,一方面對設(shè)計(jì)取值更安全。

表6 抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果

圖6 抗彎測試試塊的破壞狀態(tài)

圖6為抗彎測試試塊的破壞狀態(tài),從圖中可以看出,破壞位置基本在“純彎”段,均為“有效”破壞。所以,抗彎強(qiáng)度測試可以采用普通混凝土測試標(biāo)準(zhǔn)中的方法,即側(cè)面受壓方式,也需注意清理“毛邊”。

2.4 抗拉強(qiáng)度測試方法

抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果見表7,“哈工大法”測試數(shù)據(jù)不完整,且拉伸曲線重復(fù)性差,從圖7中A、B、D組破壞狀態(tài)可以看出,試樣破壞位置大部分在試樣變截面處,主要原因是試樣在拉伸過程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的扭轉(zhuǎn)。從圖8中“小八字模法”測試試樣破壞位置可以看出基本在中間有效段,但其會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、尺寸效應(yīng)等問題,不過其制樣、測試簡便,可以用于材料出廠檢測。抗拉強(qiáng)度測試還得進(jìn)一步解決應(yīng)力集中、扭轉(zhuǎn)等問題,進(jìn)一步研究。

表7 抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

圖7 “哈工大法”測試A、B、D組破壞狀態(tài)

圖8 “小八字模法”測試試樣破壞狀態(tài)

抗拉強(qiáng)度測試方法可初步利用“小八字模法”,但其指標(biāo)取值需進(jìn)一步通過大量試驗(yàn)獲得。同時(shí)也要注意試驗(yàn)前對成型模具校準(zhǔn),避免成型試塊尺寸與夾具夾頭尺寸有較大偏差,兩者之間不宜有較大空隙,導(dǎo)致試樣異常破壞。

4 結(jié)論

UHPC拌和物具有粘度大、纖維易結(jié)團(tuán)等特點(diǎn),通過對其流動(dòng)性能和力學(xué)性能測試,研究出UHPC基本性能測試方法與普通混凝土測試方法的差異：

1、擴(kuò)展度測試是關(guān)鍵,測試值和測試過程中流動(dòng)狀態(tài)、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)可以反映出UHPC拌和物質(zhì)量的好壞。“砂漿法”擴(kuò)展度測試值約為“混凝土”法的1/2。

2、力學(xué)性能測試時(shí),對于含纖維試樣的處理至關(guān)重要,纖維會(huì)影響試樣的有效測試尺寸及平整度,進(jìn)而影響UHPC的力學(xué)性能。

3、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度測試方法均可采用普通混凝土測試方法。UHPC抗壓強(qiáng)度測試時(shí)要注意對基體爆炸性破壞時(shí)的安全措施處理；抗彎強(qiáng)度測試采用側(cè)面受壓方式。

4、抗拉強(qiáng)度測試方法可初步利用“小八字模法”,但其指標(biāo)取值需進(jìn)一步通過大量試驗(yàn)獲得。其它試驗(yàn)方法需進(jìn)一步解決應(yīng)力集中、扭轉(zhuǎn)等問題。

[1]趙筠,廉慧珍,金建昌.鋼-混凝土復(fù)合的新模式--超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:鋼-混凝土復(fù)合模式的現(xiàn)狀、問題及對策與UHPC發(fā)展歷程[J].混凝土世界,2013,(10):56-69.

[2]Richard, P., Cheyrezy, M., 'Composition of Reactive PowderConcretes,'Cement and Concrete Research, V. 25,1995, pp.1501-1511.

[3]GB 50119-2013, 混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB/T 50080-2016, 普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]GB/T 50081-2002,普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì).超高性能混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):基本性能與試驗(yàn)方法(征求意見稿)[S].(2018-01-12)[2018-03-20].http://xh.concrete365.com/ccpa/content/0-9323850719753.html.

[7]GB/T 16777-2008,建筑防水涂料試驗(yàn)方法[S].