不同配合比对UHPC早期性能的影响.pdf

第42 卷第5期2023年10 月文章编号：2 0 95-7 38 6（2 0 2 3)0 5-0 0 6 3-0 6DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2023.05.009武汉轻工大学学报Journalof WuhanPolytechnicUniversityVol.42 No.5Oct.2023不同配合比对 UHPC早期性能的影响徐鑫磊，游其勇（武汉轻工大学土木工程与建筑学院，武汉430 0 2 3）摘要：为了研究不同配合比对UHPC早期性能的影响，使用水胶比、砂胶比、钢纤维掺量三种不同影响因素、共计15组配合比对UHPC的早期性能进行试验研究分析。试验结果显示：水胶比的增大能够有效改善UHPC的流动性，但会导致其早期抗压、抗折强度降低；砂胶比的增大会使UHPC的流动性减弱，适量增大砂胶比能够提高UHPC的早期抗压、抗折强度；钢纤维的掺入能够有效提高UHPC的早期抗压、抗折强度，对提高抗折强度尤为显著，但过量的钢纤维掺量会严重影响UHPC的流动性。试验可为以后设计施工配合比提供一些参考。关键词：超高性能混凝土；早期性能；抗压强度；抗折强度中图分类号：TU528.31The effect of different mixture ratios on the early performance of UHPC(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)Abstract:In order to study the influence of different mixture ratio on the early performance of UHPC,threedifferent factors,such as water-binder ratio,sand-binder ratio and steel fiber content,were studied in thispaper,the early performance of UHPC was studied and analyzed with a total of 15 kinds of mixture.Theresults show that the increase of water-binder ratio can effectively improve the fluidity of UHPC,but it willlead to the decrease of its early compressive strength and flexural strength,and the increase of sand-binderratio will reduce the fluidity of UHPC,the early compressive strength and flexural strength of UHPC canbe improved by increasing the sand-binder ratio,and the early compressive strength and flexural strength ofUHPC can be improved by adding steel fiber,especially by adding steel fiber,but excessive steel fiber con-tent will seriously affect the fluidity of UHPC.The results can provide some references for future in thedesign of construction mix ratio.Key words:ultra-high performance concrete;early performance;compressive strength;flexural strength1引言近年来，随着车辆数量的增多，一些旧桥承受了文献标识码：AXYU Xinlei,YOU Qiyong远超设计的载荷，由此产生了许多安全隐患。推倒重建旧桥不仅成本太高，建设新桥的周期也很长，而在原有旧桥的基础上进行加固维修，不仅可以节省收稿日期：2 0 2 3-0 9-0 8.作者简介：徐鑫磊（1999-），男，硕士研究生，E-mail：156 90 8 1130 7 16 3.c o m.通信作者：游其勇（197 5-），男，硕士，副教授，E-mail：56 599535.c o m基金项目：湖北省交通运输厅2 0 2 2 年科技项目（2 0 2 2-11-6-3）64人力、成本，又可以保证桥梁能在短时间内重新运行。随着对旧桥的加固修复工作逐渐增多，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UH-PC)在桥梁加固中的运用次数逐渐增加,因为其具有远超于传统普通混凝土的综合性能，可以在加固维修后提升桥梁的整体稳定性-3。UHPC 的抗压强度能达到12 0 MPa以上，具有超高韧性、超高强度以及超高耐久性，其主要组成材料有水泥、矿物掺合料、粗细骨料、钢纤维、外加剂等，且因为钢纤维的加人,能够大大提升UHPC的延性和吸收能量的能力,能够有效提高建筑设施的抗震性能 4-7 。目前许多学者已经对 UHPC的工作性能和力学性能进行了研究。李锋等 8 通过正交试验法研究发现，当养护方式为蒸汽养护或标准养护时，硅灰掺量对UHPC抗压、抗折强度的影响均是最大，研究确定了UHPC的最佳配合比,发现钢纤维掺量的增加会增大UHPC的抗压、抗折强度。李双欣等 9在超高性能混凝土中加人纳米Al2O:和MgO材料，发现UHPC的内部结构变得更加密实，并且UHPC的抗压强度和耐磨性能均有提高,确定了 MgO掺人量为0.35%时最为合适。黄政宇等 10 1发现不锈钢纤维能够改善UHPC的抗压、抗折强度以及弯曲韧性，且当掺量为2%时，抗压强度最大，在多次干湿循环后，掺入不锈钢纤维的UHPC无明显锈蚀现象。Wang Yingbin等 11发现在UHPC中用超细玻璃粉代替硅粉和高炉渣能够改善UHPC的孔隙填充效果,并且加入超细玻璃粉后能够提高UHPC的抗压强度。ZhuChao等 12 用再生混合粉末和风积砂代替水泥和河砂,并分析研究了UHPC的工作性能、力学性能以及环境影响。Ge Wenjie 等 13 用矿物外加剂代替水泥、海砂代替石英砂、海水代替淡水，发现随着水胶比的提高，UHPC的流动性逐渐增加，制成的UHPC强度高，并且抗渗性、耐氯化物编号水胶比砂胶比水泥A10.16A20.17A30.18A40.19A50.20B10.18武汉轻工大学学报性以及抗冻融性都比普通混凝土更加优异。门光誉等 14 发现当矿渣粉掺量增加或硅粉掺量增加时，UHPC的扩展度以及2 8 d抗压、抗折强度均呈现出先增大后减小的趋势。可以看出，,学者们对不同影响因素对UHPC的性能影响有了一定的研究基础，但是针对多因素耦合对于UHPC早期性能的影响研究相对较少。因此，笔者根据超高性能混凝土制备原理设计出其基础配合比，然后根据不同配合比对UHPC的扩展度、早期抗压以及抗折强度进行试验，并根据试验结果分析水胶比、砂胶比和钢纤维掺量对UHPC的工作性能以及早期力学性能的影响，以期为未来旧桥的加固维修提供一定的理论参考。2试验概况2.1原材料试验中使用的原材料包括水泥、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂和水。水泥采用的是PO52.5级普通硅酸盐水泥，其比表面积为37 5m/kg，3d 抗压强度为30.7 MPa，抗折强度为6.3MPa；硅灰，浅灰色粉末，SiO2含量为9 2.5%，比表面积为19 350m/kg;粉煤灰为I级粉煤灰；石英砂的SiOz含量为97.40%,其粒径分别为0.2 0.5mm、0.5 1.0 m m和1.0 2.0 mm;钢纤维为端钩形镀铜钢纤维，抗拉强度为2 8 0 0 MPa，长度为12 mm，等效直径为0.2 mm;减水剂是西卡高性能聚羧酸减水剂,白色粉末，减水率为35%；水为实验室用普通自来水。2.2试验配合比试验主要研究水胶比、砂胶比以及钢纤维掺量对UHPC早期性能的影响规律，,故将水胶比、砂胶比和钢纤维掺量作为试验变量，其中钢纤维掺量按体积百分数计，减水剂的掺量根据其占胶凝材料的质量百分比计。所有试验配合比见表1。表 1 UHPC 试验配合比Table 1UHPC test mix ratio材料用量/kgm硅灰粉煤灰石英砂1.208001.208001.208001.208001.208001.008002023年钢纤维/%减水剂/%水5015050150501505015050150501501200120012001200120010001601701801902001801.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.55期编号水胶比砂胶比水泥硅灰粉煤灰石英砂B20.18B30.18B40.18B50.18C10.18C20.18C30.18C40.18C50.182.3试验方法2.3.1试块的制备将称量好的水泥、硅灰、粉煤灰和石英砂倒入水泥胶砂搅拌机中干拌2 min，使材料能够均匀分散；然后加入提前配制好的减水剂搅拌6 8 min，使减水剂能充分分散在混合材料内部；最后加人钢纤维搅拌2 min。搅拌完成后，将其浇筑到40 mmX40mmX160mm的三联模具中，轻微震荡刮平后用塑料薄膜覆盖，静置2 4h后拆模养护。2.3.2养护方式文中试验均采用蒸汽养护的方式，将试块放入蒸汽养护箱内，在7 0 下分别养护1d、3d 和7 dTable 2 Effects of water-to-adhesive ratio on early UHPC performance抗压强度/MPa编号水胶比扩展度/mmA10.16A20.17A30.18A40.19A50.20从图1中可以看出，随着水胶比的增加,UHPC的流动性得到改善，呈正相关增长趋势。这主要是由于水胶比增加,用水量增多，水泥颗粒与骨料颗粒表面的水膜厚度变厚，使两者之间的摩擦阻力减小，骨料在浆体中更易于滑动，使得UHPC扩展度增加，且扩展度最大为6 8 0 mm时水胶比为0.2 0。对图1中扩展度随水胶比的变化情况进行拟合，其线性拟合关系为y=792十7 30 0,R=0.97458，拟合关系良好。徐鑫磊，游其勇：不同配合比对UHPC早期性能的影响材料用量/kgm1.108001.208001.308001.408001.208001.208001.208001.208001.20800表2 水胶比对UHPC早期性能的影响1d3d390126.47450121.63490109.83600101.3168098.4465续表钢纤维/%减水剂/%水501505015050150501505015050150501505015050150147.92144.49129.24115.65111.37110012001300140012001200120012001200后将试块取出，然后进行抗压、抗折强度试验。2.3.3抗压、抗折试验参照GB/T500812002普通混凝土力学性能试验方法标准对UHPC 进行抗压、抗折试验，且均使用深圳万测试验设备有限公司生产的抗压抗折一体机进行试验。3丝结果与分析3.1水胶比对UHPC早期性能的影响试验对比分析了5种不同水胶比（0.16、0.17、0.18、0.19、0.2 0)对UHPC早期性能的影响。结果如表2、图1和图2 所示。7d1d155.1633.14151.3831.95140.0626.44130.8224.24116.2722.13从图2 中可以看出，随着水胶比的逐渐增大，UHPC的早期抗压、抗折强度均呈现出逐渐降低的趋势。与最低水胶比0.16 相比，当水胶比增大到最大0.2 0 时，其7 d抗压、抗折强度降低2 5.0 6%和33.98%。这是因为当水胶比增大时，UHPC内部水分含量增多，随着养护龄期的增加，UHPC内部的水分蒸发逐渐减少，会在UHPC内部留下危害性的毛细孔隙,降低了 UHPC 的密实度，导致 UHPC有效受力面积减小，从而使UHPC的抗压、抗折强1801801801801801801801801801.51.51.51.501.01.52.02.5抗折强度/MPa3d40.2138.7533.1429.3627.791.51.51.51.51.51.51.51.51.57d45.6240.6736.5432.8130.1266度降低，而低水胶比能够有效降低浆体内部的孔隙率，提高其强度，强度最大时水胶比为0.16，此时抗压、抗折强度分别为155.16 MPa、45.6 2 M Pa。700扩展度线性回归：y=-792+7300 x650R2=0.974 586005500450400350图1水胶比对UHPC流动性的影响Fig.1Effect of water-to-adhesive ratioon UHPC fluidityTable 3 Effect of sand-to-adhesive ratio on early performance of UHPC编号砂胶比扩展度/mmB11.00B21.10B31.20B41.30B51.40从图3中可以看出，随着砂胶比的逐渐增加，UHPC的扩展度逐渐降低,这是因为砂胶比的增加导致UHPC内部骨料含量增加,会使骨料周围包裹的水泥浆减少、流动性降低，所以当砂胶比为1.0 0时其流动性最好，此时扩展度为6 0 0 mm。对图3中扩展度随砂胶比的变化情况进行拟合，其线性拟合关系为y=1438820c,R=0.9728，拟合关系良好。从图4中可以看出,随着砂胶比的增加,UHPC的抗压、抗折强度呈现出先增加后减少的趋势，这是因为砂胶比的增加会使UHPC内部的浆体厚度增加,导致其与砂粒之间的粘聚力降低，所以当UH-PC体积一定时,随着砂胶比的逐渐增加，UHPC 的抗压、抗折强度会逐渐降低。故在配制UHPC时砂胶比不宜过大,否则会影响UHPC的强度。如图 4所示，当砂胶比为1.2 0 时，此时UHPC的抗压、抗折强度相对最大，分别为140.0 6 MPa和36.54MPa，之武汉轻工大学学报16014012010080图2水胶比对UHPC早期抗压抗折强度的影响Fig.2 Effect of water-to-adhesive ratio on earlycompressive and flexural strength of UHPC0.160.176005404903602802023年1d抗压强度3d抗压强度457d抗压强度1d抗折强度3d抗折强度40一7 d抗折强度353025200.160.170.180.19水胶比表3砂胶比对UHPC早期性能的影响抗压强度/MPa1 d3d99.64120.96104.35125.74109.83129.24101.55116.4796.18111.68渐减弱。650600550/年500450400350300250图3砂胶比对UHPC流动性的影响Fig.3Effect of sand-to-adhesive ratioon UHPC fluidity0.18水胶比0.203.2砂胶比对UHPC早期性能的影响试验对比分析了5种不同砂胶比(1.0 0、1.10、1.20、1.30、1.40)对UHPC早期性能的影响。结果如表3、图3和图4所示。7d1d131,8724.32135.1625.15140.0626.44130.1321.81118.3718.19后随着砂胶比的逐渐增加,UHPC的整体强度在逐扩展度线性回归：y=1438-820 xR2=0.972 81.001.100.19抗折强度/MPa3 d29.8731.0333.1427.1724.331.201.30砂胶比0.207d32.6834.7636.5430.4427.471.405期18016014012010080图4砂胶比对UHPC早期抗压抗折强度的影响Fig.4Effect of sand-to-adhesive ratio on earlycompressive and flexural strength of UHPC3.3钢纤维掺量对UHPC早期性能的影响试验对比分析了5种不同钢纤维掺量（0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)对UHPC早期性能的影响。结果如表4、图5和图6 所示。从图5中可以看出，随着钢纤维掺量的逐渐增Table 4 Effect of steel fiber content on early performance of UHPC钢纤维扩展度编号掺量/%C10C21.0C31.5C42.0C52.56506005505004504003500.0图5钢纤维掺量对UHPC流动性的影响Fig.5 Effect of steel fiber contenton UHPC fluidity徐鑫磊，游其勇：不同配合比对UHPC早期性能的影响441d抗压强度3d抗压强度7d抗压强度40一1d抗折强度3d抗折强度367d抗折强度322824201.001.10扩展度线性回归：y=644-104xR2=0.98990.51.0钢纤维掺量/%67加，UHPC的扩展度呈减弱趋势，当钢纤维掺量为2.5%时，其扩展度最小，工作性能明显较差。这是因为当钢纤维掺量过大时，钢纤维会不规则地分布在UHPC内部,形成网状体系，导致浆体不易流动，从而使其扩展度减弱。对图5中扩展度随钢纤维掺量变化的情况进行拟合，其线性拟合关系为y=644一10 4x,R=0.9899,拟合关系良好。从图6 中可以看出，随着钢纤维掺量的增加，UHPC的整体强度呈逐渐增大的趋势。当掺量为1.201.30砂胶比表4钢纤维掺量对UHPC早期性能的影响抗压强度/MPa/mm1 d64095.14540105.67490109.83450115.61370122.331.52.01.402.52.5%时,UHPC的抗压、抗折强度相较于无钢纤维掺入时混凝土的强度分别提高了39.39%和7 3.0 7%，这是因为随着钢纤维掺量的增加，钢纤维在浆体内部形成环箍效应，发挥了桥接裂缝的作用，延缓了表面裂缝的发展，从而使UHPC的强度逐渐提高。但是当钢纤维掺量过大时，会产生团聚现象，不易搅拌、不易成型，施工困难。由图6 可以看出，当钢纤维掺量大于2%时，UHPC的抗压、抗折强度增长缓慢，综合考虑钢纤维体积掺量为2%。抗折强度/MPa3d7d104.31109.87119.11125.65129.24140.06137.52149.74142.61153.151801d抗压强度3d抗压强度7d抗压强度1601d抗折强度3d抗折强度1407d抗折强度12010080Fig.6Effect of steel fiber content on earlycompressive and flexural strength of UHPC1d18.4124.1326.4429.4733.120.01.0图6钢纤维掺量对UHPC早期抗压抗折强度的影响3 d21.8331.6633.1435.9538.111.52.0钢纤维掺量/%7d23.4333.1236.5438.9440.55504540302520152.5684结论笔者主要研究了水胶比、砂胶比和钢纤维掺量对UHPC早期性能的影响,得出了以下结论。(1)随着水胶比的增大，UHPC的流动性逐渐增大,UHPC的早期抗压、抗折强度逐渐降低。当水胶比过低时，浆体不易成型。综合UHPC的工作性能和早期力学性能，水胶比为0.17 时较为合适。(2)当砂胶比逐渐增大时,UHPC的流动性逐渐减弱,抗压、抗折强度先增大后降低。砂胶比也会影响UHPC内部材料的均质性，砂胶比过大会导致其体积稳定性降低，砂胶比过小会使浆体内部的孔隙率增加。综合考虑，砂胶比为1.2 0 较为合适。(3)钢纤维的掺人能够有效提高UHPC的早期力学性能，尤其对UHPC抗折强度的提高效果明显，但是随着钢纤维掺量的不断增加,UHPC的抗压、抗折强度增长幅度逐渐减小,并且当钢纤维掺量过多时，UHPC内部会产生团聚现象，不易搅拌、不易成型,施工困难,UHPC的流动性明显降低,所以综合考虑，钢纤维体积掺量应为2%。(4)不同影响因素对UHPC的流动性、早期抗压和抗折强度的影响不同。在进行UHPC的配合比设计时，要综合考虑水胶比、砂胶比以及钢纤维掺量对 UHPC的影响。在UHPC达到设计强度的同时还要使其最为经济实惠。试验数据为实际工程应用提供了参考。参考文献：1达明.桥梁加固技术的研究与应用 D.西安：长安大学，2 0 17.2卓韩东，凌俊.超高性能混凝土在桥梁快速维护中的应用 J.人民交通，2 0 2 0（0 3）：6 9,7 1.3韩海兵.公路桥梁加固中超高性能纤维混凝土的应用J.建筑技术开发，2 0 2 2，49（0 8）：12 9-131.4万朝均，尹亚柳，王小茜，等.超高性能混凝土的制备J.硅酸盐通报，2 0 15，34（12）：36 7 6-3681.5孙世国，鲁艳朋.超高性能混凝土国内外研究进展 J.科学技术与工程，2 0 18,18（2 0）：18 4-199.武汉轻工大学学报6 Richard P,Cheyrezy M.Reactive powder concretes with high ductility and 2008 0 0 M Pacompressive strength J.ACI Spring Con-version,1994,144:507-518.7Schmidt M,Fehling E.Ultra-high-perform-ance concrete:Research,development and ap-plication in EuropeJ.ACI Special Publica-tion,2005,228:51-78.8李锋，孔文艺，罗健，等.超高性能混凝土(UHPC)的配制及应用探究 J.混凝土与水泥制品，2 0 19（0 7）：2 6-2 9.9李双欣，高小建.纳米Al,O。和MgO对超高性能混凝土耐磨性的影响及机理.表面技术,2 0 18,47(10):12 3-130.10、黄政宇，李旦.不锈钢纤维对超高性能混凝土的性能影响研究 J.铁道科学与工程学报，2019,16(02):376-383.11Wang Y B,Wang J F,Wu Y J,et al.Prepa-ration of sustainable ultra-high performanceconcrete（U H PC）w i t h u l t r a-f i n e g l a s spowder as multi-dimensional substitute 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