不同攪拌工藝下UHPC配合比設(shè)計(jì)及性能分析*

李 凱，張飛龍，魏丙華，李昕成，張紅杰，張夢(mèng)荻

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037； 2.許昌德通振動(dòng)攪拌科技股份有限公司，河南 許昌 461000； 3.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)混凝土工程結(jié)構(gòu)的品質(zhì)要求越來(lái)越高，與普通混凝土相比，超高性能混凝土(UHPC)的各項(xiàng)性能均可得到大幅度改善，但其配合比無(wú)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，大多數(shù)是根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)優(yōu)化后得到較佳的力學(xué)性能最終確定配合比。與傳統(tǒng)強(qiáng)制攪拌相比，振動(dòng)攪拌一方面使混合料中的膠凝材料在宏觀和微觀上實(shí)現(xiàn)更加均勻的分布狀態(tài)；另一方面可縮短攪拌時(shí)間，提高混凝土強(qiáng)度和長(zhǎng)期耐久性能。UHPC水化過(guò)程需高溫高濕養(yǎng)護(hù)，但保證現(xiàn)場(chǎng)的養(yǎng)護(hù)條件花費(fèi)較高，合適的養(yǎng)護(hù)條件也是UHPC施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

何峰等在未摻加纖維的情況下，制備出流動(dòng)性好的超高強(qiáng)混凝土，研究了原材料及配合比對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度的影響。萬(wàn)朝均等采用超低水膠比和高強(qiáng)水泥在常溫養(yǎng)護(hù)條件下制備UHPC，研究了不同影響因素對(duì)其力學(xué)性能的影響。李傳習(xí)等針對(duì)UHPC，通過(guò)對(duì)比強(qiáng)制攪拌和振動(dòng)攪拌，研究振動(dòng)攪拌對(duì)UHPC施工及力學(xué)性能的影響。目前振動(dòng)攪拌技術(shù)較多應(yīng)用于普通混凝土攪拌，對(duì)于UHPC使用振動(dòng)攪拌的相關(guān)文獻(xiàn)還較少。

因此，本文基于多元膠凝體系流動(dòng)度試驗(yàn)確定膠凝材料比例，采用修正的Andreasen法計(jì)算天然砂級(jí)配，從而優(yōu)化UHPC配合比設(shè)計(jì)；同時(shí)，引進(jìn)使混凝土攪拌更加均勻的新技術(shù)即振動(dòng)攪拌技術(shù)，希望通過(guò)優(yōu)化的配合比和振動(dòng)攪拌獲得性能更好的UHPC，后期又研究了養(yǎng)護(hù)條件與2個(gè)技術(shù)的耦合，最終提出采用振動(dòng)攪拌方式實(shí)現(xiàn)UHPC的最優(yōu)工藝方法。

1 原材料

原材料主要有水、水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、天然砂、減水劑和鋼纖維，其中水泥采用P·O 52.5水泥；硅灰外觀為深灰色粉末，活性指數(shù)為99%；粉煤灰活性指數(shù)為78%；礦粉外觀呈白色粉末，活性指數(shù)為103%；天然砂最大粒徑2.36mm、最小粒徑0.3mm；采用的減水劑外觀為白色流狀液體；纖維采用平直型鋼纖維，體積摻量均為2%。

2 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 膠凝材料比例

試驗(yàn)方法為：采用凈漿攪拌機(jī)，投料順序?yàn)椋孩贀郊庸潭ǖ臏p水劑(膠凝材料的1.5%)和固定質(zhì)量的水(水的質(zhì)量需根據(jù)實(shí)際材料調(diào)試，確保膠凝材料攪拌至平坦均勻的漿體)；②摻加350g膠凝材料的混合料；③慢攪1min，高速攪拌1min，停止后將葉片、鍋邊緣和底部的拌合物刮下，高速攪拌5min；④將上述拌合后的膠凝材料進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn)，確定流動(dòng)性最佳的膠凝材料比例，如圖1所示。

圖1 膠凝材料比例確定試驗(yàn)

2.1.1確定水泥和粉煤灰二元膠凝體系漿體比例

按上述試驗(yàn)方法測(cè)得不同比例(5%，10%，15%，20%，25%，30%)的粉煤灰替代水泥時(shí)漿體的流動(dòng)度，如表1所示，其中“—”表示膠凝固體材料未攪拌為平坦均勻的漿體，確定水泥和粉煤灰的比例。

表1 粉煤灰取代水泥后漿體的流動(dòng)度

根據(jù)粉煤灰取代水泥后漿體的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果確定水泥和粉煤灰的比例為0.90∶0.10。

2.1.2確定水泥、粉煤灰和礦粉三元膠凝體系漿體比例

保持水泥和粉煤灰的比例為2.1.1節(jié)確定的比例(0.90∶0.10)不變，按上述試驗(yàn)方法測(cè)得不同比例的礦粉等量替代水泥和粉煤灰總量時(shí)漿體的流動(dòng)度，如表2所示。

表2 礦粉取代水泥和粉煤灰后漿體的流動(dòng)度

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，確定礦粉的摻加比例為10%，此時(shí)，水泥、粉煤灰和礦粉的比例為0.81∶0.09∶0.10。

2.1.3確定水泥、粉煤灰、礦粉和硅灰四元膠凝體系漿體比例

同樣保持水泥、粉煤灰和礦粉的比例為2.1.2節(jié)確定的比例(0.81∶0.09∶0.10)不變，按上述試驗(yàn)方法測(cè)得不同比例的硅灰等量替代水泥、粉煤灰、礦粉總量時(shí)漿體的流動(dòng)度，如表3所示。

表3 硅灰取代水泥、粉煤灰和礦粉后漿體的流動(dòng)度

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，考慮到硅灰取代量處于10%～15%，漿體流動(dòng)性最好，因此礦粉的摻加比例取13%，此時(shí)，水泥、粉煤灰、礦粉和硅灰的比例為0.70∶0.08∶0.09∶0.13。

2.2 天然砂

天然砂粒徑分為3個(gè)等級(jí)，即0.3～0.6mm(細(xì))，0.6～1.18mm(中)，1.18～2.36mm(粗)，砂級(jí)配采用修正的Andreasen級(jí)配計(jì)算方法，即同時(shí)考慮最大和最小粒徑的級(jí)配曲線(xiàn)表達(dá)式計(jì)算：

(1)

式中：dmax，dmin分別為固體顆粒中的最大和最小粒徑；對(duì)于分布模量q的取值，有文獻(xiàn)建議取0.22～0.25，本文取q=0.23。計(jì)算可得3種等級(jí)的天然砂質(zhì)量比為0.39∶0.325∶0.285。

鋼纖維摻量(體積分?jǐn)?shù))為2%，減水劑為2.25%，UHPC設(shè)計(jì)配合比為：水膠比∶水∶水泥∶硅灰∶粉煤灰∶礦粉∶天然砂∶鋼纖維∶減水劑=0.18∶180∶700∶130∶80∶90∶1 220∶156∶22.5。

3 混凝土性能分析

1)試件制備、成型及養(yǎng)護(hù) 混凝土拌合物攪拌順序?yàn)橄葘⑻烊簧啊摾w維倒入攪拌鍋內(nèi)干拌1min，然后倒入膠凝材料(水泥、硅灰、粉煤灰和礦粉)干拌1min，最后加入溶有減水劑的水?dāng)嚢?min。將拌合物澆筑于100mm×100mm×100mm三聯(lián)試模和100mm×100mm×400mm試模中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5min。將成型的試件在溫度為(20±2)℃下靜止24h后拆模，再分別進(jìn)行：①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(20±2)℃，濕度95%)28d；②熱水養(yǎng)護(hù)(90℃)48h。

2)施工和易性 根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)拌合物進(jìn)行試驗(yàn)，得到采用不同攪拌方式的新拌UHPC拌合物的坍落度、擴(kuò)展度、拌合物狀態(tài)和含氣量等性能指標(biāo)，其中ZD組為雙臥軸振動(dòng)攪拌組，PT組為強(qiáng)制攪拌組，測(cè)試指標(biāo)如表4所示。

表4 拌合物性能指標(biāo)

3)力學(xué)性能 按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下到期的UHPC試塊進(jìn)行試驗(yàn)，得到采用不同攪拌方式的試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度力學(xué)性能指標(biāo)，試件破壞形態(tài)如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5，6所示，UHPC隨時(shí)間的強(qiáng)度發(fā)展曲線(xiàn)如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d強(qiáng)度與熱水養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖2 試件破壞形態(tài)

圖3 UHPC抗壓與抗折強(qiáng)度時(shí)程發(fā)展曲線(xiàn)

圖4 UHPC標(biāo)養(yǎng)28d與熱養(yǎng)48h強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，本文通過(guò)優(yōu)化配合比制備的UHPC的施工和易性滿(mǎn)足自流平要求，28d抗壓強(qiáng)度均在100MPa以上，其28d抗折強(qiáng)度均在15MPa以上，可滿(mǎn)足C100混凝土的使用要求。與普通攪拌下的UHPC結(jié)果相比，振動(dòng)攪拌的試塊強(qiáng)度普遍偏高。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3d與7d強(qiáng)度(包含抗壓和抗折強(qiáng)度)分別占28d強(qiáng)度的66%～70%，84%～88%。對(duì)于28d抗壓強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下振動(dòng)攪拌試塊強(qiáng)度提高10%，熱水養(yǎng)護(hù)條件下增大8.2%；對(duì)于28d抗折強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下振動(dòng)攪拌試塊強(qiáng)度提高14.6%，熱水養(yǎng)護(hù)下增大15.4%；整體來(lái)看，不管UHPC試塊是在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)還是在熱水條件下養(yǎng)護(hù)，振動(dòng)攪拌下抗壓和抗折強(qiáng)度均大于普通攪拌，而抗折強(qiáng)度的增幅大于抗壓強(qiáng)度增幅。

表5 UHPC標(biāo)養(yǎng)3d與7d強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表6 UHPC標(biāo)養(yǎng)28d與熱養(yǎng)48h強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件，熱水養(yǎng)護(hù)48h的抗壓和抗折強(qiáng)度普遍大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度。對(duì)于普通攪拌，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的抗壓和抗折強(qiáng)度分別占熱水養(yǎng)護(hù)下的88.2%和85.3%，而振動(dòng)攪拌標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的抗壓和抗折強(qiáng)度分別占熱水養(yǎng)護(hù)下的89.7%和92.8%。這是由于熱水養(yǎng)護(hù)下試塊處于高溫狀態(tài)，而高溫對(duì)多元膠凝材料體系中的礦物摻合料具有非常明顯的熱激發(fā)作用，特別對(duì)于硅灰的效應(yīng)最為明顯，從而提高了各摻料的反應(yīng)程度，致使?jié){體結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度得到大幅度提升。因此，在UHPC施工過(guò)程中，建議盡量采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，不僅可提高混凝土強(qiáng)度，還可縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

1)按膠凝材料流動(dòng)性?xún)?yōu)選原則，優(yōu)化配合比后的UHPC施工和易性得到了保證，為UHPC其余性能的保證提供了巨大空間。

2)與普通攪拌的UHPC相比，振動(dòng)攪拌條件下更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)；在理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐下，優(yōu)化的UHPC配合比設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

3)對(duì)于UHPC的力學(xué)性能，振動(dòng)攪拌下抗壓強(qiáng)度增加幅度均大于抗折強(qiáng)度，熱水養(yǎng)護(hù)48h下抗壓和抗折強(qiáng)度普遍大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度。