基于MAA模型的水泥基UHPC性能研究*

楊耀輝，叢波日，郭保林，李 利，姜瑞雙

(1.山東高速集團有限公司創新研究院，山東 濟南 250098； 2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；3.山東省橋隧結構性能評估與耐久性提升工程實驗室，山東 濟南 250031)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是由水泥、細集料、纖維、礦物摻合料、高效減水劑等加水后進行拌合，再經凝結硬化后形成的新型水泥基復合材料，具有超高強、高韌性、高耐久性等優異性能[1-4]。UHPC性能優異與原材料有關，史才軍等[5]對材料組成對UHPC的影響進行了研究，結果表明，水膠比對UHPC性能的影響最大，隨著水膠比的增大，UHPC拌合物流動性增強，強度減小；何峰等[6]研究了鋼纖維及水膠比對活性粉末混凝土強度的影響，發現在高溫養護條件下，摻有鋼纖維的活性粉末混凝土抗壓強度達298MPa，同時發現在鋼纖維摻量相同的情況下，當水膠比較大時，活性粉末混凝土抗壓強度較小；余清河等[7]研究了不同骨料級配、鋼纖維摻量對活性粉末混凝土強度的影響，發現良好的級配有利于改善界面過渡區密實性，提高混凝土強度，摻入適量的鋼纖維能夠提高混凝土韌性和延性，有效避免混凝土脆性破壞；杜修力等[8]研究了鋼纖維、聚乙烯醇纖維對超高強混凝土性能的影響，對不同體積摻量的2種纖維混凝土進行了基本力學性能測試，結果表明，2種纖維均可提高混凝土劈裂抗拉強度、抗彎強度及彎曲韌性，鋼纖維的增強增韌效果明顯好于聚乙烯醇纖維；黃育等[9]研究了不同鋼纖維對活性粉末混凝土性能的影響，結果表明，在纖維體積摻量相同的條件下，由端鉤形鋼纖維制備的活性粉末混凝土抗壓強度最高(可達145MPa)，由方直形鋼纖維制備的活性粉末混凝土抗折強度最高(可達41MPa)，同時由端鉤形鋼纖維和方直形鋼纖維制備的活性粉末混凝土流動性和抗沖擊性能最好。

Huseyin等[10-11]應用粉煤灰取代了60%的水泥，并在成型過程中施壓，得到了強度達338MPa的活性粉末混凝土，結果表明，采用粉煤灰和礦粉取代部分水泥和硅灰，可有效減少減水劑用量，并對活性粉末混凝土收縮起抑制作用；Philippot等[12]的研究表明，硅灰作為活性礦物摻合料，是活性粉末混凝土中不可缺少的原材料之一，養護溫度及養護時間對其活性的影響較大，其火山灰作用的反應量隨著養護溫度的增加而增大，在高溫養護條件下硅灰更易發生二次水化反應；Marcel等[13]研究了活性粉末混凝土在不同養護制度下的孔徑及孔隙率變化規律，結果表明，活性粉末混凝土累計孔隙率不高于試件總體積的9%，高溫蒸壓養護明顯降低了活性粉末混凝土孔隙率；Ehab等[14]對摻鋼纖維與不摻鋼纖維的2種配合比UHPC進行了耐久性測試，研究了其凍融循環300次的裂縫開展情況，結果表明，經300次凍融循環的UHPC試件未破壞(表面混凝土未剝落)，可知UHPC具有優異的耐久性。

目前，UHPC研制與應用已取得一定成果，但國內對UHPC的研究相對較分散，缺乏系統性和針對性，且UHPC的實際工程應用較少。為此，本文從原材料出發，利用改進的Andreasen和Andersen 模型(modified Andreasen and Andersen，MAA)設計最大堆積密實度UHPC基準配合比，研究膠凝材料、砂、鋼纖維等材料用量，分析配合比對UHPC性能的影響，通過觀察UHPC微觀形貌，得到最佳配合比。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

本試驗采用P·O 42.5水泥，密度為3.2g/cm3，比表面積為381m2/kg，3d抗折強度為4.7MPa，8d抗折強度為7.7MPa，3d抗壓強度為19.5MPa，28d抗壓強度為46.5MPa。經篩選處理的粉煤灰含水率≤1.0%，燒失量為2.1%，45μm篩余量為2.1%，需水量比為86%，安定性合格，未經篩選處理的普通粉煤灰密度為2.2g/cm3，細度為6.0%，需水量比為95%，Al2O3含量為13.81%，SiO2含量為23.54%，Fe2O3含量為4.80%，CaO含量為23.15%，MgO含量為4.42%，SO3含量為5.86%，Na2O含量為6.55%，K2O含量為0.41%。硅灰燒失量為1.36%，硅含量為95.43%，比表面積為3 300m2/kg。摻加長20mm光圓鋼纖維，混合使用單級配中、細砂，摻加SD-600P-02型聚羧酸粉體減水劑，其摻量根據試驗結果調整。

1.2 試驗方法

1.2.1攪拌

采用水泥膠砂攪拌機攪拌UHPC，首先加入水，然后加入粉體(含粉煤灰、水泥、硅灰、砂及一定量減水劑)慢速攪拌30s，在隨后慢速攪拌的30s內加入砂，待砂完全加入后，快速攪拌4min，隨后慢速攪拌并摻入鋼纖維(用時約1min)，最后快速攪拌3～4min。

1.2.2成型

UHPC采用一次澆筑、輔以振動的方式成型，試驗初期試件成型以160mm×40mm×40mm(長×寬×高)三聯模為主，試驗后期測試UHPC抗壓強度時以100mm×100mm×100mm立方體試件為主。

1.2.3養護

參照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》規定的標準蒸汽養護方法對UHPC試件進行養護。

1.2.4性能測試

1)工作性能

采用圖1所示裝置測試UHPC流動度、擴展度，參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試UHPC坍落度和坍落擴展度。

2)抗壓強度與彈性模量

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》和《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》進行。

表1 不同粉煤灰顆粒累計粒徑分布

1.2.5試件檢測

反應產物中的晶體物相利用X射線衍射儀進行檢測，對晶體物相進行定量分析，掃描速度設定為0.02°/min，掃描范圍設定為5°～ 80°。

采用JEOL JSM 5900型掃描電鏡對試件進行形貌觀察，加速電壓為20kV。

1.3 配合比設計目標

根據工程實際需求，本文以UHPC拌合物流動度(≥200mm)和硬化UHPC抗壓強度(≥150MPa)為控制指標。

2 試驗結果與分析

2.1 配合比設計

本文采用MAA模型進行不同粒徑粉煤灰的配合比設計，以分析混合料中過篩粉煤灰最佳粒徑分布，從而制備較高密實度的基體，不同粉煤灰顆粒累計粒徑分布如表1所示。

根據粉煤灰顆粒尺寸，利用MATLAB軟件繪制目標函數曲線(見圖2)，其中，最大粒徑為98.00μm，最小粒徑為0.42μm，分布模量取0.24，并將目標曲線繪制于圖2中。

利用殘差平方和表征堆積密實度，如表2所示。當體系混合粒徑分布曲線與目標曲線殘差平方和最小時，說明UHPC堆積密實度最大。由表2可知，當經篩選處理的粉煤灰1～3含量分別為80%，15%，5%時，殘差平方和最小，為938.182，理論上達到最緊密堆積，在后續的研究中用SD-FA表示按此比例配制的粉煤灰基礦物外加劑。

表2 粉煤灰不同配合比殘差平方和

2.2 膠凝材料體系優化

在保證鋼纖維、砂、水和減水劑不變的情況下，設計9種膠凝材料組合試驗配合比，如表3所示。

表3 不同膠凝材料組合試驗配合比 (kg·m-3)

不同膠凝材料體系UHPC性能如表4所示。由表4可知，隨著粉煤灰取代水泥用量的提升，UHPC拌合物流動性逐漸增大，硬化后UHPC抗壓強度基本先增大后減小；在粉煤灰用量不變的情況下，隨著硅灰用量的增加，UHPC流動度和抗壓強度基本增大；在膠凝材料總量不變的情況下，當水泥用量≤750kg且礦物摻合料用量≥250kg時，可配制流動性、力學性能俱佳的UHPC。

表4 不同膠凝材料體系UHPC性能

2.3 水膠比

在確保膠凝材料體系(組成與用量)、鋼纖維、砂和減水劑不變的情形下，改變其用水量，研究不同水膠比對UHPC性能的影響。不同水膠比UHPC配合比如表5所示，UHPC性能如表6所示。

表5 不同水膠比UHPC配合比 (kg·m-3)

表6 不同水膠比UHPC性能

由表6可知，UHPC拌合物流動性隨著水膠比的增大而增大，UHPC抗壓強度隨著水膠比的增大基本呈減小趨勢。在當前的材料用量下，當水膠比>0.17時UHPC可獲得良好的工作性能，當水膠比≤0.17時UHPC拌合物流動性不佳。綜上所述，確定水膠比為0.18。

2.4 含砂量

配制UHPC時一般采用多級配石英砂作為骨料，含砂量不僅會影響拌合物的和易性，也會影響硬化UHPC的力學性能，因此需對含砂量進行確定。其中，中砂目數為40～70目，細砂目數為70～140目。不同含砂量UHPC配合比如表7所示，UHPC性能如表8所示。

表7 不同含砂量UHPC配合比 (kg·m-3)

表8 不同含砂量UHPC性能

由表8可知，含砂量對UHPC抗折強度和抗壓強度的影響略有不同，當中砂與細砂含量比例為4∶6時，UHPC抗壓強度最大，但抗折強度最小；當中砂與細砂含量比例為5∶5或7∶3時，UHPC抗壓強度和抗折強度相對較均衡。因此本研究確定中砂與細砂含量比例為7∶3。

2.5 灰砂比

灰砂比指UHPC膠凝材料與砂的質量比，不僅影響混凝土拌合物流動性，還影響混凝土結構物耐久性和力學性能。不同灰砂比UHPC配合比如表9所示，UHPC性能如表10所示。

表9 不同灰砂比UHPC配合比 (kg·m-3)

表10 不同灰砂比UHPC性能

由表9，10可知，在用水量不變的情況下，UHPC抗折強度和抗壓強度隨著灰砂比的減小而減小；在水膠比不變的情況下，UHPC抗折強度基本隨著灰砂比的減小而增大，抗壓強度基本隨著灰砂比的減小而減小。本研究采用的灰砂比為1∶1。

2.6 鋼纖維摻量

在UHPC中摻加鋼纖維的主要目的是提高其力學性能，進行鋼纖維摻量研究的目的是通過試驗得到鋼纖維最佳摻量，進而改善UHPC性能，降低經濟成本。作為初步研究，本文對6種不同體積分數的鋼纖維進行了比較，UHPC配合比如表11所示。

表11 不同鋼纖維摻量UHPC配合比 (kg·m-3)

鋼纖維摻量對UHPC流動性、力學性能的影響分別如圖3，4所示。由圖3，4可知，UHPC拌合物的流動度隨著鋼纖維摻量的增加而降低；②鋼纖維摻量對UHPC力學性能有較大影響，UHPC抗折、抗壓強度均隨著鋼纖維摻量的增大而顯著提高。根據如上結論可知，若UHPC力學性能較差，可通過提高鋼纖維摻量進行改善。需要注意的是，在提高鋼纖維摻量的同時，應采用匹配的外加劑種類或用量，以保證UHPC拌合物的工作性能。本研究確定的鋼纖維體積分數為2.0%。

3 優化機理分析與配合比優選

3.1 粉煤灰優化機理

為更進一步了解不同材料組成下UHPC性能提升原因，本文選取材料組成中的粉煤灰，利用物相分析與微觀分析深入研究其對UHPC性能的影響機理，以對其進行優化。

在室溫、相對濕度100%條件下養護1，7，14，28d，養護初期CaO快速與H2O反應生成Ca(OH)2。Ca(OH)2易被空氣中的CO2碳化并生成CaCO3。當養護齡期為14d時，試件中的Ca(OH)2已完全反應，其中一部分生成C-S-H凝膠，還有一部分生成CaCO3，直至養護28d時，試件中幾乎僅存在C-S-H凝膠。

試件在室溫、相對濕度100%條件下養護1，7，14，28d的SEM測試結果如圖5所示。由圖5可知，養護初期粉煤灰由大小不一的球狀顆粒組成，其表面光滑，在混凝土拌合物中能起到滾珠作用，有利于其擴展度的提高，改善了流動性；養護后期粉煤灰微珠表面已形成致密的水化產物，且周圍水泥的水化產物基本為致密的凝膠狀物質，表明粉煤灰微珠和富集在骨料顆粒周圍的Ca(OH)2結晶發生火山灰反應，從而生成C-S-H凝膠，使粉煤灰與水泥凝膠體之間的界面趨于密實，體系更加致密，試件漿體強度更高，提高了試件耐久性。

3.2 配合比優選

綜合研究膠凝材料組成與用量、砂組成、配合比參數(水膠比、灰砂比)、鋼纖維摻量對UHPC性能的影響，最終得到推薦UHPC配合比為水泥∶普通粉煤灰∶SD-FA∶硅灰∶鋼纖維∶中砂∶細砂∶減水劑∶水=700∶100∶100∶100∶156∶700∶300∶10∶180kg/m3，此時UHPC坍落度為285mm，坍落擴展度為720mm，抗折強度為23.4MPa，抗壓強度為167.2MPa，彈性模量為49 300MPa。

4 結語

本文通過最緊密堆積原理設計了MAA模型下理論最大堆積密實度的相應配合比，系統研究了膠凝材料組成與用量、砂組成、配合比參數(水膠比、灰砂比)、鋼纖維摻量對UHPC性能的影響。

1)當經篩選處理的粉煤灰1～3含量分別為80%，15%，5%時，殘差平方和最小，為938.182，理論上達到最緊密堆積。

2)膠凝材料體系和水膠比對UHPC性能的影響較大，其中粉煤灰和硅灰對UHPC拌合物流動性的影響較明顯。水膠比越大，UHPC拌合物流動性越好，但力學性能有所降低，本研究取水膠比為0.18。

3)灰砂比及砂級配均會影響UHPC性能。在用水量不變的情況下，UHPC抗折強度和抗壓強度隨著灰砂比的減小而減小；在水膠比不變的情況下，UHPC抗折強度基本隨著灰砂比的減小而增大，抗壓強度基本隨著灰砂比的減小而減小。本研究取灰砂比為1∶1，且中砂與細砂含量比例為7∶3。

4)增加鋼纖維摻量可有效提高UHPC強度，但UHPC拌合物流動性隨著鋼纖維摻量的增加而降低，同時也會增加UHPC生產成本，因此，宜在試驗結果的基礎上確定鋼纖維最佳摻量，本研究確定鋼纖維體積分數為2%。

5)通過理論計算與試驗相結合的方式，配制出抗壓強度≥150MPa的UHPC干混料，最終得到推薦UHPC配合比為水泥∶普通粉煤灰∶SD-FA∶硅灰∶鋼纖維∶中砂∶細砂∶減水劑∶水=700∶100∶100∶100∶156∶700∶300∶10∶180kg/m3，此時UHPC坍落度為285mm，坍落擴展度為720mm，抗折強度為23.4MPa，抗壓強度為167.2MPa，彈性模量為49 300MPa。