超高性能混凝土配制影响因素分析

王传林，钟思锐，高润权，区钰妍，黄钟琼

(汕头大学 土木与环境工程系，广东 汕头 515063)

0 前 言

传统混凝土因成本较低、制造工艺简单等优点被广泛运用于当代社会，但因存在自重大、强度低、耐久性差等缺点，并不能满足更高要求的社会需求。20世纪末，法国研发出活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，RPC)。而超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)就是基于RPC制备原理获得的宏观无缺陷水泥基材料。UHPC原材料为水、水泥、超细颗粒、细骨料、纤维以及高效减水剂，通过超细活性颗粒实现高密实度，使用高效减水剂实现减少用水量，最终实现混凝土的超高性能。与普通混凝土相比，UHPC的抗压强度是普通混凝土的数倍甚至十倍，其耐久性与耐腐蚀性也比传统混凝土更强。UHPC由于具备强度高、耐久性强等优越性，是当今水泥基材料的研究热点。但因UHPC存在配比特殊、技术复杂等制约因素，使得其在近期很难全面普及。本文通过分析影响UHPC性能的因素，主要包括：减水剂、水胶比、钢纤维、石英粉，硅灰、搅拌方式和养护制度等，整理和总结各因素的工作原理，获得最优的材料配比、搅拌方式和养护制度，配制出具有最优力学性能的UHPC，使其应用更加经济可行。

1 材料配合比

1.1 减水剂

减水剂是改善混凝土拌合物流动性的外加剂之一，对混凝土的发展起着至关重要的作用。20世纪90年代日本成功开发出聚羧酸系高效减水剂，并迅速成为使用最广泛的减水剂国家之一。现阶段，聚羧酸系减水剂因其具有良好的分散稳定性，在提高减水率、保持流动性方面效果显著，同时还有掺量低、坍落度损失小、引气适量、对胶凝材料适应性好、综合性能优异，是目前制备超高性能混凝土普遍使用的高效减水剂。

目前，关于聚羧酸系减水剂的作用机理主要有静电斥力理论、空间位阻理论以及空位稳定理论三种解释。在向水泥中加水拌制过程中，通过水泥颗粒分子间的凝聚作用，水泥矿物水化后产生的某些缔合作用而形成的絮凝结构会把自由水包裹在水泥颗粒之间，从而降低水泥浆的流动性。当加入聚羧酸系减水剂后，减水剂分子带有的呈负电性基团在水中会离解出来并吸附在水泥颗粒表面，从而提高其表面Zeta电位绝对值，致使颗粒间静电斥力增大，水泥颗粒分开，释放出自由水，提高流动性。

多位学者[1-2]研究聚羧酸减水剂掺量对UHPC强度及流动性研究发现，UHPC流动性随着减水剂掺量增加而提高，但抗压强度及抗折强度达到峰值时存在最佳掺量。王哲等[1]通过聚羧酸减水剂掺量对UHPC的工作性能、湿堆积密实度以及强度的影响试验得出减水剂掺量的合理区间为3%～4%。张志豪等[2]通过实验发现聚羧酸高效减水掺量在2.0%～3.0%，UHPC的流动性能和抗压强度最好。因此，根据文献可知,聚羧酸减水剂掺量在2%～4%时，UHPC可以获得较优性能。

1.2 水胶比

水泥完全水化的理论需水量约占水泥总量的20%～25%，另外还需要一部分水用于改善混凝土的和易性。在拌制混凝土拌合物时，水胶比过大，拌合物流动性会增大，但是多余的水分会在混凝土内部形成孔隙，致使混凝土承受荷载的有效面积减小并在孔隙周围出现应力集中现象，从而减小混凝土的抗压强度并降低其耐久性；水胶比过小，则没有足够的水供给水泥进行水化反应，阻碍水化进程，同时拌合物流动性过低，不仅难以密实成型，还会影响混凝土强度。因此，在满足流动性和自密性等指标要求，选取合适水胶比成为制备超高性能混凝土的关键。

试验表明随着水胶比的增加，试件抗压强度呈先增加后减小的趋势。胡翱翔等[3]以0.02为梯度在0.12～0.20进行水胶比单一变量试配试验。试验结果显示，随着水胶比的降低，坍落度减小，抗压强度先增加后减小；水胶比为0.12和0.14时坍落度小于150 mm，不满足其设定的泵送要求；在水胶比为0.16时抗压强度达到最大。在综合流动性和抗压强度两个因素后，笔者建议水胶比为0.18。同样的，陈晓冬[4]通过实验发现，水胶比为0.20可同时符合流动性和强度的要求。由于实验所使用的材料不尽相同，制作工艺和养护方式等方面上也存在一定差异，试验结果会出现一定差异。因此，综合UHPC的工作性能以及强度，最佳水胶比为0.16～0.20。

1.3 钢纤维

钢纤维掺量及其自身长径比和形状都是影响UHPC性能的重要因素。混凝土强度越高，脆性越大，在 UHPC中掺加纤维，可以显著提高其韧性和延性。目前混凝土常用的纤维包括聚丙烯纤维、玻璃纤维和钢纤维等，其中钢纤维是最常用的。钢纤维能够阻碍混凝土内部微裂纹的扩展，对增加混凝土的韧性、抗冲击性等起着关键作用，可有效避免无征兆脆性破坏的产生。

随着钢纤维体积掺量的增加，UHPC流动性降低，抗折强度增大，抗压强度则先增大后降低。李峰等[5]研究表明钢纤维掺量超过3%以后，UHPC工作性能大幅降低且钢纤维增强效果开始减弱。王武峰[6]通过X-ray CT技术发现UHPC流动性下降趋势和强度升高趋势都在钢纤维掺量达到2.0%时有一个突变点，从2.0%增加到2.5%时，流动性显著下降，原因是钢纤维掺量超过2.0%后，试件内部纤维相互之间搭接的概率急剧下降，会有更多钢纤维网络结构形成。钢纤维掺量为0～2%时，钢纤维掺量增大，抗压强度也增大，当钢纤维掺量为2%～3%时，抗压强度反而减小。综合上述文献，本文建议配制HPC 钢纤维掺量为2%。

钢纤维掺量较低时，钢纤维长径比对流动性和抗压性能影响较小，而随着掺量的增加，长径比越大流动性越低，抗压强度越大，但因长径比对抗压强度影响不明显，故长径比并不是影响UHPC性能的主要因素。在满足工作性能要求和其他条件相同情况下，长径比越大，抗折强度也随之增大。提高纤维长径比，可有效提高混凝土韧性。但纤维过长，反而会造成应力下降，故要选择长径比适中的钢纤维。

1.4 活性矿物微粉

矿物细掺料不但能改善水泥新拌浆体的和易性，还能提高浆体的耐久性和抗压强度，改善孔结构，降低孔隙率等。目前制备高强混凝土最通用的技术路线为：水泥+活性矿物掺料+高效减水剂。工程中常用的活性矿物微粉主要有：矿渣微粉、粉煤灰和硅灰。

毛丹[7]通过实验发现掺入硅灰后的UHPC抗剪强度最高,且掺量超过20%后,抗剪强度与其他组的差距加大。这是因为硅灰可以增加混凝土匀质性，减少水泥浆-集料界面处Ca(OH)2结晶取向，从而减小界面尺寸。又由于硅灰与高碱性水化硅酸钙产生火山灰反应,生成低碱性水化硅酸钙，从而提高强度。而且未参与水化反应的矿物掺合料还可以微填充界面处孔隙，优化和改善界面。此外，在减水剂作用下，硅灰作为超细颗粒对水泥颗粒起分散作用，释放更多自由水。史才军等[8]通过实验得出，硅灰掺量对UHPC试件抗压强度的影响不大，硅灰掺量为15%时，抗折强度最高。

为获得更优性能并满足经济性，不少学者研究多种矿物微粉和水泥复掺。同时掺入硅灰和粉煤灰能使UHPC更紧密，在低水胶比环境下能使微粉颗粒的密实填充效应充分发挥，从而提高浆体抗压强度。王德辉[9]指出硅灰和矿粉都能提高超高强混凝土流动度及抗压强度。毛丹[7]研究硅灰、粉煤灰、水泥三元体系矿物微粉掺量对堆积密实度的影响，发现当硅灰和粉煤灰掺量都为15%时,三元颗粒体系的堆积密实度达到最大。

1.5 石英粉

石英粉的掺入可使UHPC的密实度提高。惰性SiO2是石英粉的主要成分，故石英粉一般不发生化学反应，只起物理填充的作用。石英粉在标准养护和蒸汽养护条件下强度贡献率较低，而压蒸养护时石英粉能发生火山灰反应，其强度贡献率为15%左右[8]。史才军等[8]指出，掺入35%石英粉时，UHPC堆积密实度达到最大。王德辉[9]发现当石英粉掺量从 0增至30%时，UHPC流动度下降。当石英粉掺量从0增至20%时，UHPC抗压强度增加。但是当石英粉掺量增至30%时，超高强混凝土抗压强度下降。

1.6 砂胶比

合适的砂胶比，可以提高超高性能混凝土的流动性和稳定性。砂胶比是通过改变砂粒间平均浆体厚度对RPC性能产生影响。砂胶比越大，砂粒所占比例升高，平均浆体厚度减小，RPC流动性减小；砂胶比减小时，平均浆体厚度增加，骨料被有效分隔开，同时有足够的浆体将砂粒连为一体，增大砂粒与浆体间粘结力，从而提高整体抗压、抗折强度。

梁咏宁等[10]通过实验发现，砂胶比在0.9～1.2时，随砂胶比的增加，流动度、抗折强度、抗压强度都减小。柯杨等[11]使用5种不同粒径的河砂进行实验发现了相同的规律，随着砂胶比的增大，水泥基流动性降低，抗压强度在砂胶比为1.2时最大，但变化幅度很小。同样的，胡翱翔等[3]通过试验发现，砂胶比为1.50和1.35时，试件的抗压强度较低。而砂胶比为1.27、1.00、0.80的实验里，流动性均满足工作性能要求，最大抗压强度出现在砂胶比为1.27时。参照已有研究，综合流动性和强度，推荐合理的砂灰比在1.0～1.4。

2 拌制工艺

拌制工艺的主要影响因素包括搅拌设备、混合料添加顺序和拌制时间。何雁斌等[12]研究比较了3种不同投料次序对RPC性能的影响，实验表明,投料次序的不同,对RPC抗折、抗压强度有一定影响,对RPC流动性影响最大。研究发现最佳投料顺序和搅拌时间是先将称好的硅灰和水泥以及80%溶有高效减水剂的水依次倒入拌锅中,搅拌5 min，加入砂子和石英粉以及剩余20%溶有高效减水剂的水,搅拌5 min。陈毅卓等[13]则推荐加料顺序是将砂子、水泥、硅粉、矿物掺合料和钢纤维倒入搅拌机中,干搅90 s至搅拌均匀,然后将50%的水与高性能减水剂混和后加入搅拌机,再将剩余的水加入,搅拌3 min,使钢纤维在混凝土中分布均匀。此外，提高搅拌速率和延长搅拌时间能降低UHPC含气量,提高其强度。提高搅拌速率，可缩短最优搅拌时间。相同搅拌速率下,搅拌时间增长,小直径孔的比例增大,气泡结构得到一定改善,从而提高UHPC强度。

3 养护制度

制备UHPC常用养护制度主要包括常温养护、高温养护、热养护、蒸汽养护和干热养护等，不同养护条件对UHPC性能影响程度不一。根据已有的文献资料可知不同养护制度的差异：高温养护>热水养护>标准水养护>标准养护>绝湿养护>自然养护。牛旭婧等[14]指出与单一水养、单一干热养护或组合养护相比,热水-干热组合养护可以显著提高UHPC力学性能,且延长干热养护持续时长或提高干热养护温度将更加显著提高UHPC力学性能。实验得出最佳组合养护制度为90 ℃热水养护2 d+250 ℃干热养护3 d。

除养护制度条件之外，养护时间也是重要因素，曾庆鹏[15]通过实验得出，在热水温度不同时,最佳养护时长也不同。当养护温度为60 ℃和90 ℃时,热水养护最佳养护时长分别为4 d和3 d。

大部分学者表明，高温养护是提高UHPC抗压强度最明显的养护方式，且高温养护所用时间相对较短。因此，在条件允许情况下，选择高温养护能配制出性能更好的UHPC。

4 结 论

本文对影响UHPC性能的三个主要因素：材料配比、搅拌方式和养护制度，进行了详细的总结与分析，得出以下结论。

1)聚羧酸系减水剂因其具有良好的分散稳定性，在提高减水率、保持流动性方面效果显著，能够很好地适应胶凝材料等优点，是目前制备超高性能混凝土使用最多的高效减水剂。推荐减水剂最佳掺量为2%～4%。

2)水胶比对UHPC力学性能影响显著。一般情况下，水胶比越大，UHPC力学性能越差。综合不同研究，笔者建议最佳水胶比为0.16～0.20。

3)在UHPC中掺加钢纤维，可以显著提高UHPC韧性和延性，推荐最佳掺量为2%～2.5%。

4)矿物细掺料不但能改善水泥新拌浆体和易性，还能提高浆体耐久性和抗压强度，推荐活性矿物掺量为25%。

5)石英粉可以提UHPC高密实度，但是石英粉除高温养护条件下,一般不发生化学反应，不作为胶凝材料，石英粉建议掺量为30%。

6)合适的砂胶比可以提高超高性能混凝土流动性和稳定性，推荐砂胶比为1.0～1.4。

7)搅拌方式会轻微影响UHPC的力学性能，推荐搅拌程序为：材料和一部分溶有高效减水剂的水分步倒入搅拌锅中进行搅拌均匀，后续加入剩下混合液，并采用较高搅拌速率并增加搅拌时间。

8)高温养护是提高UHPC抗压强度最明显的养护方式，且高温养护所用时间相对较短；而标准高温养护是最容易实现、最经济的养护方式，但是对UHPC抗压强度影响幅度最小。

[ID：010259]