超高性能混凝土中型設備攪拌工藝研究

徐東升

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一種具有超高耐久性、超高強度、超高韌性的水泥基復合材料，主要成分有水泥、硅灰、細骨料、鋼纖維及減水劑[1]。自從20 世紀90 年代提出UHPC 概念之后，該材料已經在橋梁、建筑、海洋等工程中得到應用[2，3]。2014 年，我國住房和城鄉建設部與工業和信息化部召開了工作會議，討論和推廣使用高性能混凝土，為UHPC充分應用于我國各類工程中提供了政策支持[4]。

近年來，UHPC 已應用于我國多座橋梁工程中，包括新橋建設和舊橋改造工程，涵蓋梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型。其中，具有代表性的工程有湖南岳陽洞庭湖二橋、湖北石首長江大橋。湖南岳陽洞庭湖二橋是一座跨徑為1 480 m 的鋼桁梁懸索橋，其橋面板采用了鋼-超高韌性混凝土組合橋面板，超高韌性混凝土是一種經過改性和強化的UHPC，具有優異的力學性能和耐久性。湖北石首長江大橋是一座主跨820 m 的斜拉橋，主梁采用鋼箱梁與預應力混凝土梁組成的混合梁，其鋼-混結合段采用UHPC 填充鋼箱梁格室。這些橋梁在重載交通、高溫低溫等嚴酷條件下運營良好。

使用UHPC 能夠減少碳排放、提高結構質量，因此開展UHPC 制備技術研究具有重要意義。常規針對普通混凝土的攪拌工藝可能難以滿足UHPC 的制備要求，需要對常規攪拌工藝進行改進以滿足UHPC 的拌合要求。目前，實驗研究主要采用小型攪拌機制備少量UHPC進行測試，然而在實際應用中需要采用中、大型攪拌設備制備大量UHPC。本文通過中型立軸式攪拌機制備UHPC試塊，探究UHPC 中型攪拌設備合理工藝，為UHPC 的實際應用提供借鑒。

1 混凝土攪拌工藝概述

1.1 普通混凝土攪拌工藝

目前，我國較為成熟的普通混凝土攪拌工藝分為兩步法和三步法，兩步法主要有先拌水泥凈漿法、先拌水泥砂漿法，三步法主要有水泥裹石法、水泥裹砂法和水泥裹砂石法等，工藝流程如圖1所示。對于不同的混凝土，合理選取攪拌工藝，可以增強混凝土的強度和耐久性，節省水泥用料[5]。普通混凝土基體主要由水泥漿、石子、砂和少量氣孔組成，水泥漿主要起膠凝作用，砂石作為骨料起支撐填充作用。攪拌過程使混凝土中的各個組分與水分充分接觸，砂填充在石子的縫隙中，水泥水化后的膠凝結構填充砂和石子的縫隙中。攪拌的目的是讓砂石在水泥漿中均勻分布，并且在微觀上使各組分三間表面結合良好。

圖1 分步攪拌工藝流程（來源：作者自繪）

1.2 UHPC 攪拌工藝

對于UHPC 而言，其實現超高強度、超高耐久度的關鍵因素是孔隙度較小。因此，UHPC 需要采用特殊的攪拌工藝來降低孔隙度，例如預設壓力的工藝和真空攪拌工藝[6]。預設壓力的工藝是采用真空混合工藝并且在凝固過程中預設壓力，可以降低UHPC的空隙率并去除游離水，使顆粒之間的距離更近，從而提高UHPC的密實度、抗彎強度和韌性。而真空攪拌工藝是通過降低攪拌過程中UHPC 內部的氣泡含量來達到降低UHCP 內部空隙率的目的。但是，使用這些方法制備UHPC 不僅需要昂貴的設備，還對實驗場地要求較高，導致UHPC 的價格更高。因此，改進常規攪拌工藝來制備UHPC具有重要的意義。使用常規設備制備UHPC 的一般攪拌流程為：首先把干混料加入攪拌機中預混，然后加入水和減水劑，物料均勻后加入鋼纖維，待鋼纖維分布均勻后即完成攪拌過程。各步驟的攪拌時間是影響UHPC性能的關鍵因素。

2 UHPC 攪拌工藝影響因素

UHPC 攪拌工藝的影響因素較多，王啟睿等發現通過干混料制備的UHPC 抗壓強度和抗折強度的標準偏差最小，且目前市面上大多數UHPC 廠家都是提供預制好的干混料，因此在本次實驗中使用干混料制備UHPC。本文主要對中型攪拌設備、UHPC 配合比、投料順序和各步驟攪拌時間進行探討。

2.1 攪拌設備

攪拌設備的選擇會影響UHPC 力學性能，中型臥軸式攪拌設備是通過連軸器使攪拌軸不斷旋轉，帶動攪拌軸上正反兩方向的鏟片不斷攪拌，但是其轉速較小，在加入鋼纖維后攪拌速度較慢，鋼纖維容易出現“團簇”現象。因此，在使用中型臥軸式攪拌機攪拌過一次后，換用如圖2 所示的中型立軸式混凝土攪拌機，除外側慢速轉軸外，該攪拌機還有一個內測高轉速轉軸，可以實現順時針、逆時針雙向攪拌。

圖2 中型立軸式混凝土攪拌機（來源：作者自攝）

2.2 配合比

UHPC 的配合比決定了UHPC 性能。研究人員使用粉煤灰、礦渣代替UHPC中的水泥、硅灰等材料，主要目的是降低原材料的造價。本文使用江蘇蘇泊特公司生產的SBT-UDC（II）產品，UHPC主要成分如圖3 所示，其配合比如表1所示。原材料中的水泥、硅灰、細骨料等成分預拌均勻形成干混料，方便使用。鋼纖維為長13 mm、直徑0.2 mm 的鍍鋅鋼纖維，減水劑的主要成分是聚羧酸，是一種高效表面活性劑。在UHPC 攪拌前嚴格控制UHPC 配合比，精確稱量各組分的重量。

表1 UHPC 配合比

圖3 UHPC 的主要成分（組圖,來源：作者自攝）

2.3 投料順序

普通混凝土投料順序多變，可先拌水泥砂漿，再投放石子和水，或先拌砂、石子和水，再投入水泥和水，均為較成熟的做法。UHPC 是一種相對精細的“新材料”，具有基本的配置原理和特定的技術要求，不能簡單沿用普通混凝土的設計與制備方法。UHPC 攪拌工藝需要先拌干混料，后投入鋼纖維。原因是鋼纖維不易打散，先投鋼纖維再投干混料，鋼纖維會聚集在料斗下部，很難分布均勻。在本次實驗中，減水劑先加入水中并與水混合均勻，隨著干混料的投入，分次少量地不斷加入料斗中，在干混料和水完全加入后，最后加入鋼纖維，多次少量不斷加入，防止鋼纖維結團，從而影響UHPC 的流動性和后期強度。

2.4 攪拌時間

在實驗過程中詳細記錄了每次攪拌的時間，干混料預拌時間約為1 min，加入水和減水劑攪拌時間約為5 min，加入鋼纖維后攪拌時間約為4 min，總時間在10 min 左右。少于該時間，干混料不能攪拌均勻，超過該時間則會影響UHPC的流動性。如圖4 所示，流動性較差的UHPC 在澆筑過程中會表面起皮，且表面粗糙無漿，試塊7 d 平均抗壓強度為102.3 MPa。

圖4 不同攪拌時間的表面對比（組圖，來源：作者自攝）

攪拌時間適中的UHPC 具有較好的流動性，方便澆筑，試塊7 d 平均抗壓強度為107.2 MPa。批量制備UHPC 的過程中，干混料攪拌應控制在5 ～6 min，加入鋼纖維后攪拌應控制在4 ～5 min。此外，為防止鋼纖維聚集，在澆筑過程中避免采用振搗設備振搗，可通過敲擊模板排出氣泡。

3 工藝發展前景

UHPC 已經有幾十年的發展歷史，但直到20世紀末才有實際應用的工程案例，原因是UHPC 的價格昂貴以及制備和養護的條件苛刻。

近年來，隨著粉體技術、高效減水劑和纖維的研制取得了長足的進步，才能夠在常規的設備中制備UHPC，并獲得良好的性能。在今后的一段時間內，我國仍然處于大建設時期，超高性能混凝土推廣應用是節能減排、防治大氣污染的有效途徑，能提高建筑質量，延長建筑壽命。

隨 著UHPC 價 格 的 下 降， 未 來UHPC 的使用范圍將更加廣泛，使用常規設備攪拌UHPC也將是未來的發展趨勢，因此研究和改進UHPC 中型攪拌設備工藝具有重要的意義。在制備大量UHPC的過程中，如何控制攪拌時間，提高攪拌效率和質量是未來研究的重點。

4 結語

本文首先介紹了UHPC 的發展趨勢及采用常規設備制備UHPC的重要意義，其次介紹了普通混凝土和UHPC 的制備方法，最后總結了UHPC 中型設備攪拌工藝中的關鍵影響因素。得到以下結論：第一，臥軸式攪拌機的轉速較慢，鋼纖維容易出現結團現象，而立軸式攪拌機具有內側和外側雙軸，可以進行順時針和逆時針雙向旋轉，攪拌效果較好；第二，UHPC 攪拌階段應嚴格控制攪拌時間，攪拌時間過短則干混料不能攪拌均勻，攪拌時間過長不但會影響UHPC的流動性，還會影響UHPC 的后期強度；第三，通過中型立軸式攪拌機制備UHPC 時，干混料攪拌時間應控制在5 ～6 min，加入鋼纖維后的攪拌時間控制在4 ～5 min，總攪拌時間不超過10 min。