超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC)是一種強度高、韌性好、具有優(yōu)異耐久性的水泥基復(fù)合材料，由Larrard和Sedran在1994年.先提出。本文研究了不同品種水泥、硅灰、減水劑，及硅灰摻量、水膠比對常溫養(yǎng)護UHPC基體的流動度及強度的作用。本實驗結(jié)果有助于提高UHPC的工程實用性，進一步改善UHPC的常溫制備技術(shù)。

1 試驗及原材料

1.1 原材料

a. 水泥。C1:P.O52.5級普通硅酸鹽水泥;C2:磨細的P.O42.5級中熱水泥。水泥的化學(xué)組分及膠砂強度見表1，表2。

b. 硅灰。SF1:原狀硅灰，灰色粉末狀; SF2:半增密硅灰，灰色粉末狀; SF3:鋯質(zhì)硅灰，白色粉末狀; SF4:英國生產(chǎn)的白硅灰，白色粉末狀。硅灰的化學(xué)組分見表3。

c. 減水劑。E1:聚羧酸高效減水劑，粉體;E2:液體減水劑，固含量30%; E3:西卡減水劑，粉體。3種減水劑的減水率均大于30%。

d. 石英粉。325目，平均粒徑為50.6um，密度為2.644g/cm3。

1.2 試驗方案設(shè)計

結(jié)合文獻中UHPC各組分的摻量范圍考慮，試驗選取水膠比為0.16～0.22; 硅灰采用內(nèi)摻法，摻量范圍為0.15～0.30; 其余材料摻量均為與膠凝材料質(zhì)量的比值。具體配合比設(shè)計見表4。故試驗共有水泥品種、硅灰品種、減水劑品種、硅灰摻量和水膠比5個變量。

1.3 試驗制備與試驗方法

按表4試驗設(shè)計配合比，將稱量好的各粉體材料依次倒入水泥膠砂攪拌機內(nèi)進行慢攪2min，之后加入稱量好的水，慢速攪拌3min，如果是使用液體減水劑，先將其溶于水中，再和水一起加入攪拌機內(nèi)，攪拌5min后結(jié)束。之后進行流動度測試試驗，裝入40mm×40mm×160mm的鋼模中。將模具放入溫度(20±2)℃的室內(nèi)，48h后拆模，拆模后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)水養(yǎng)室中的水箱里進行水養(yǎng)到28d即可。流動度試驗參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T8077－2012)中水泥凈漿流動度測試方法進行，采用上口直徑36mm，下口直徑60mm，高度60mm的截錐圓模。強度試驗步驟參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T17671－1999)進行，加載速率為2.4kN/s至試件破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1水泥種類及水膠比對UHPC基體性能的影響

為簡明分析，取均選用原狀硅灰SF1，且摻量為20%，減水劑為聚羧酸粉體減水劑E1的組別結(jié)果進行討論。

由圖1可見，水膠比從0.16到0.22，新拌基體流動性顯著增加，52.5級水泥新拌基體流動度在0.22時比0.16時要高出近100mm。而42.5級中熱水泥新拌基體流動度要明顯好于52.5級硅酸鹽水泥基體，這種現(xiàn)象在使用另外3種硅灰時也明顯存在。這是由于52.5級水泥的顆粒粒徑要小于42.5級中熱水泥，比表面積大，進而水化反應(yīng)需水較多，降低其流動性。

圖2表示2種水泥制備基體的抗壓強度隨水膠比的變化。水膠比0.16時，雖然膠凝材料含量較高，但由于缺少水分，阻礙了水泥的水化反應(yīng); 另一方面因為水膠比過低，使攪拌過程中帶入到水泥漿體里的空氣不能有效排出，增多了試件內(nèi)部的缺陷，因而導(dǎo)致強度并沒有得到提升。在攪拌過程中可以明顯看到基體十分粘稠，裝模困難，需要振動成型。因此，要提高UHPC的強度，必須在確保良好工作性能的條件下，降低水膠比。在水膠比為0.18和0.20的情況下，保證了基體的流動性，減少了內(nèi)部孔隙，強度有所提高。水膠比為0.22時，攪拌過程中可以看到不斷有氣泡冒出。

對照圖1、圖2可知，52.5級硅酸鹽水泥制備的基體在流動度為175mm，42.5級中熱水泥制備的基體在流動度為180mm時強度達到.高。綜合2種水泥分別在不同硅灰及硅灰摻量的全部實驗結(jié)果來看，較好強度的組別見表5，表明水泥本身的強度等級對UHPC能達到的.大強度的影響并不明顯，但不同品種的水泥通過對基體流動度的作用，進而很大程度上影響了不同配比下UHPC基體試件的抗壓強度。2種水泥制備基體均在流動度180mm左右時抗壓強度達到.高，此時混凝土強度與工作性協(xié)調(diào).好。可以推測摻白硅灰的UHPC基體在水膠比0.17強度更高。

2.2 硅灰摻量對UHPC基體性能的影響

纖維種類、摻量、長度對蒸汽養(yǎng)護UHPC抗壓、抗折強度的影響分別如圖2、3所示。

2.2.1 硅灰摻量對水泥1制備UHPC基體性能的影響

為簡要說明，均取摻原狀硅灰SF1，減水劑為聚羧酸粉體減水劑E1的組別結(jié)果為例。

由圖3可知，硅灰摻量從15%到30%，基體流動度整體表現(xiàn)出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。尤其從摻量15%到25%，流動度下降明顯。因為硅灰顆粒較水泥顆粒小近兩個數(shù)量級，故細度和比表面積大得多，所以隨著硅灰摻量的增加，基體需水量加大。摻量大于25%之后，對流動度的影響不明顯，甚至有些組別出現(xiàn)了略微增大的情況。因為硅灰顆粒除了填充在較大的孔隙中，隨著摻量進一步的增多，硅灰顆粒也存在于比較大的水泥顆粒間，起到了潤滑的作用，從而改善了基體流動性。

硅灰從兩個方面起作用提高UHPC的強度: 一是因為本身顆粒很細而產(chǎn)生的微填充效應(yīng)，硅灰顆粒填充在孔隙及較大的水泥顆粒間，減少了基體的大孔數(shù)量，優(yōu)化了膠凝材料級配，加強了體系密實度; 二是硅灰的火山灰效應(yīng)，改變了UHPC膠凝組分的水化進程，減少了強度薄弱的Ca(OH)2，使生成的C－S－H凝膠物質(zhì)含量得到顯著提高。圖4為硅灰摻量對52.5級硅酸鹽水泥基體抗壓強度的影響。摻量為15%時，基體抗壓強度達到.高，之后隨著硅灰摻量的加大，抗壓強度整體呈下降趨勢。因為在常溫條件下，硅灰的火山灰反應(yīng)很弱，很大一部分硅灰并沒有發(fā)生反應(yīng)，不能有效發(fā)揮出提高強度的效果。對比52.5級硅酸鹽水泥的凈漿，在0.16～0.22水膠比時的抗壓強度均在112～114MPa間，可見摻入硅灰后，UHPC基體的抗壓強度均比凈漿有所提高。

52.5級硅酸鹽水泥摻入半增密硅灰的試驗中流動度、強度規(guī)律與原狀硅灰結(jié)果一致。而在摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時，摻入量為15%與20%時流動度變化不大，已經(jīng)具備很好的流動性，尤其是鋯質(zhì)硅灰，0.16水膠比時流動度已達到175mm。之后隨著硅灰摻量的增加，流動度又有明顯的提高;4種硅灰均在摻量15%時UHPC基體抗壓強度達到.高。因此，在52.5硅酸鹽水泥制備的UHPC中硅灰的.優(yōu)摻量為15%。

2.2.2 硅灰摻量對水泥2制備UHPC基體性能的影響對42.5級中熱水泥制備的基體流動性，試驗結(jié)果如圖5所示，隨硅灰摻量增加，流動度逐漸減小。這與水泥1制備基體硅灰摻量為30%時流動性轉(zhuǎn)好的結(jié)果不一致，證明不同水泥與硅灰作用的整體效果不同。

硅灰摻量對42.5級中熱水泥制備UHPC基體抗壓強度的影響與水泥1制備基體也有所不同。如圖6所示，在硅灰摻量為20%時，4種水膠比下基體的抗壓強度相對摻量15%與25%都有一個明顯的提高，達到.高?？箟簭姸?高出現(xiàn)在水膠比0.18，硅灰摻量20%時，為136.2MPa，比相同水膠比的凈漿強度提高了18.2MPa，此時新拌基體流動度為181mm。

在42.5級中熱水泥中摻入半增密硅灰的試驗中，流動度、強度規(guī)律與摻原狀硅灰結(jié)果一致。摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時，隨摻量的增加，流動度逐漸增加，試件強度在摻量為15%和20%時差別不大，在20%時略高。因此，綜合考慮，在42.5級中熱水泥制備的基體中硅灰的.優(yōu)摻量為20%。

2.3 硅灰種類對UHPC基體性能的影響

2.3.1 硅灰種類對水泥1制備UHPC基體性能的影響根據(jù)上述硅灰摻量的研究結(jié)果，討論硅灰種類對UHPC基體影響時，選取52.5級硅酸鹽水泥不同硅灰摻量為15%的組別，42.5級中熱水泥不同硅灰摻量為20%的組別。

在相同水膠比豎向比較方面，如圖7，對52.5級硅酸鹽水泥，在增大基體流動性方面，鋯質(zhì)硅灰＞白硅灰＞原狀硅灰＞半增密硅灰。原狀與半增密硅灰的組成成分雖然相同，但半增密硅灰的堆積密度大得多，硬化漿體中的分散程度較差，從而流動度較小。而鋯質(zhì)硅灰與白硅灰相較于2種灰色硅灰流動度有顯著提高，尤其是鋯質(zhì)硅灰。雖然鋯質(zhì)硅灰流動性大，有助于在保證工作性能的情況下降低水膠比，但是摻鋯質(zhì)硅灰的UHPC基體強度并沒有達到預(yù)想的高強度，在0.16水膠比下的摻鋯質(zhì)硅灰UHPC基體抗壓強度僅為121.6MPa。說明鋯質(zhì)硅灰本身對提高UHPC強度的貢獻很小。

白硅灰對流動度的改善要優(yōu)于2種灰色硅灰，且由于白硅灰的SiO2含量.高，參與反應(yīng)的活性.高，對UHPC強度的提高作用在4種硅灰中.大。圖8可以看出，.大的抗壓強度出現(xiàn)在水膠比0.18的摻15%白硅灰的配比上，強度為141.7MPa，相對于水泥凈漿提高了26.5%。摻半增密硅灰的.大強度出現(xiàn)在流動度為180mm組中，符合之前的結(jié)論: 基體在180mm左右流動度時具有較好的工作性，有利于提高強度。

2.3.2 硅灰種類對水泥2制備UHPC基體性能的影響

對42.5級中熱水泥制備的基體，改善流動性方面也是鋯質(zhì)硅灰＞白硅灰＞原狀硅灰＞半增密硅灰; 強度方面，除摻鋯質(zhì)硅灰的基體外，其余組的.高強度均出現(xiàn)在水膠比0.18時，此時基體的流動度也.接近理想。鋯質(zhì)硅灰在0.16水膠比時強度.高，因為之后基體流動度過大。摻4種硅灰基體.高強度: 白硅灰(142.6MPa)＞原狀硅灰(138.4MPa)＞半增密硅灰(134.2MPa)＞鋯質(zhì)硅灰(126.9MPa) ，相對于凈漿強度分別提升了18.8%、15.3%、11.8%、5.8%。進一步證明了白硅灰對UHPC強度的貢獻.大，原狀硅灰次之。

從硅灰種類對2種不同水泥的基體性能影響，可以得出結(jié)論，對于制備UHPC，白硅灰優(yōu)于原狀硅灰優(yōu)于半增密硅灰優(yōu)于鋯質(zhì)硅灰。

2.4 減水劑種類對UHPC基體性能的影響

根據(jù)實驗結(jié)果，減水劑對UHPC性能影響主要與所摻硅灰的種類有關(guān)。對于摻原狀及半增密硅灰的試件，西卡減水劑和液體減水劑比聚羧酸粉體減水劑E1的減水效果稍好一點，流動度稍大但差別不大，抗壓強度也幾乎沒有影響。但對摻白硅灰的試件，減水劑E1的效果要明顯好于另外2種減水劑。在水膠比0.18，白硅灰摻量為15%的條件下，見圖11，摻聚羧酸粉體減水劑E1 的基體流動度為190mm左右，摻另外2種減水劑的基體流動度只有145～158mm?？梢姡苽銾HPC時選用減水劑不僅要與水泥有良好的適應(yīng)性，還要注意與硅灰作用的匹配。故對摻白硅灰的UHPC，應(yīng)選用聚羧酸粉體減水劑。

3 結(jié)論

研究了2種水泥，4種硅灰，3種減水劑及不同硅灰摻量、水膠比對常溫制備UHPC基體流動性及強度的影響，得出以下主要結(jié)論:

a．水膠比是影響UHPC基體性能的.大要素，使基體流動度達180mm左右時UHPC的強度.高。

b．水泥種類對UHPC的基體流動性影響更大，通過流動性進而影響強度。水泥顆粒越細，UHPC流動度越小。

c．對于52.5級普通硅酸鹽水泥制備的基體，隨著硅灰摻量增加，流動度逐漸降低至摻量為30%時開始回升; 對于42.5級中熱水泥制備的基體，隨著硅灰摻量的增加流動度逐漸降低。不同水泥制備的UHPC，硅灰在不同摻量使其強度達到.高。52.5級硅酸鹽水泥制備的基體抗壓強度在硅灰摻量15%時.大，42.5級中熱水泥在硅灰摻量20%時抗壓強度.高。

d．試驗所用硅灰在增大基體流動性方面: 鋯質(zhì)硅灰＞白硅灰＞原狀硅灰＞半增密硅灰。其中白硅灰對UHPC基體的強度提高作用.大，原狀硅灰次之，鋯質(zhì)硅灰.小。

e．選用減水劑要注意與硅灰的適應(yīng)性，對摻白硅灰的UHPC應(yīng)選用聚羧酸粉體減水劑。

來源：黃政宇，等