沈楚琦，李北星

(武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

1 引 言

超高性能混凝土(UHPC)一般需加入鋼纖維，也被稱為超高性能鋼纖維混凝土或超高性能纖維增強(qiáng)混凝土。UHPC作為一種新型建筑材料，因其優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，并應(yīng)用在一些工程中并取得了很好效果[2]。其超高性能來源于致密的顆粒堆積，因此常規(guī)UHPC中的骨料一般僅采用粒徑小于1.18 mm的級(jí)配石英砂，以減小界面過渡區(qū)，降低整體孔隙率。但這也帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響，如材料成本高、拌合工藝復(fù)雜且早期收縮嚴(yán)重等，限制了其在工程中的普遍應(yīng)用[3-7]。

為尋求UHPC更加合理、工程適應(yīng)性更強(qiáng)的骨料體系，學(xué)者們做了許多不同的嘗試。Sahmaran等[8]認(rèn)為正確的使用較粗的細(xì)骨料(最大粒徑2.38 mm)制備UHPC可獲得更加優(yōu)良的力學(xué)性能。Ma J等[9]利用2～5 mm碎石制備出與石英砂相同量級(jí)抗壓強(qiáng)度的UHPC，且碎石摻入可以改善UHPC的自收縮。Kay Wille等[10]報(bào)道了在UHPC中使用粗骨料可以獲得良好的成本效益。Liu等[11]使用最大粒徑5 mm的粗骨料制備UHPC，表明粗骨料的摻量在25%以下時(shí)不會(huì)損害UHPC的抗拉性能。這些試驗(yàn)研究均表明了在UHPC中加入粗骨料具有可行性，一些學(xué)者進(jìn)一步對(duì)UHPC中粗骨料的粒徑與摻量進(jìn)行了研究。黃政宇等[12]通過摻入最大粒徑8 mm的粗骨料制備UHPC，表明粗骨料摻量在小于400 kg/m3時(shí)對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，粗骨料對(duì)UHPC的彈性模量有明顯的正向影響。張文遠(yuǎn)[13]對(duì)摻加不同最大粒徑骨料(5、10、15和20 mm)的UHPC進(jìn)行了研究，結(jié)果表明最大粒徑10 mm的骨料對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的發(fā)展最有利，且大幅減少了膠凝材料的用量。

以往研究大多是針對(duì)粗骨料粒徑或摻量對(duì)UHPC性能的研究，未對(duì)粗骨料的摻配比例進(jìn)一步深入研究，忽視了骨料與膠凝材料的比例及粗骨料與細(xì)骨料的比例兩者的共同作用對(duì)UHPC性能的影響。本研究采用河砂(過4.75 mm方孔篩)、河砂與碎石(4.75～9.5 mm)兩種骨料體系，分別設(shè)計(jì)了不同A/B與石砂比CS/RS的UHPC，研究骨膠比與石砂比對(duì)UHPC的工作性、抗壓強(qiáng)度fcu、軸心抗壓強(qiáng)度fcp、抗彎拉強(qiáng)度fb及受壓彈性模量的影響，以尋求最佳的粗細(xì)骨料體系使UHPC能維持優(yōu)異的力學(xué)性能，并通過擬合函數(shù)探究粗骨料在UHPC中的增強(qiáng)效應(yīng)規(guī)律。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

使用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；比表面積為22.4 m2/g，平均粒徑為0.2 μm的硅灰；Ⅰ級(jí)粉煤灰，需水量比94%，表觀密度為2.36 g/cm3；S95級(jí)?；郀t礦渣粉，比表面積為425 m2/kg，流動(dòng)度比102%，7 d、28 d膠砂活性指數(shù)分別為77%、103%，表觀密度為2.98 g/cm3。上述原材料化學(xué)成分見表1。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of binders

使用的細(xì)骨料為河砂，過4.75 mm方孔篩，細(xì)度模數(shù)為2.9，表觀密度為2.63 g/cm3；粗骨料為石灰?guī)r碎石，粒徑為4.75～9.5 mm，表觀密度為2.72 g/cm3，壓碎值9.5%。

使用直徑為0.20 mm，長(zhǎng)度為13 mm的鍍銅鋼纖維，抗拉強(qiáng)度為2850 MPa。

減水劑為高性能粉末狀聚羧酸，減水率>28%。助劑為DF-03消泡劑和RS-01流變穩(wěn)定劑，DF-03消泡劑為由液態(tài)碳?xì)浠衔?、聚乙二醇和非結(jié)晶性二氧化矽混合制成的一種白色粉末；RS-01流變穩(wěn)定劑是一種可溶于水的灰色粉末，由多糖類高分子碳水化合物和多羥基硅酸鹽改性而成。

2.2 配合比

表2分別為河砂、碎石二種骨料制備兩個(gè)系列UHPC的配合比，所有配合比的膠凝材料組成不變，水膠比固定為0.16。優(yōu)化的UHPC膠凝材料由55%水泥、17.5%硅灰、17.5%?；郀t礦渣粉和10%粉煤灰組成。為了對(duì)比研究骨膠比對(duì)不同骨料UHPC力學(xué)性能的影響，通過早期試驗(yàn)的反復(fù)優(yōu)化，將RS-UHPC的骨膠比(ARS/B)設(shè)置5個(gè)水平(0.6、0.75、0.9、1.05、1.2)；CS-UHPC在RS60配比的基礎(chǔ)上外摻不同比例的4.75～9.5 mm碎石制成， CS與RS的摻配比例(CS/RS)為0、1/4、1/2、3/4、1，骨膠比(ARS+CS/B)仍為上述5個(gè)水平。消泡劑與流變劑的摻量均按膠凝材料質(zhì)量的0.1%計(jì)。

表2 超高性能混凝土設(shè)計(jì)配合比Table 2 Mixture proportion design of UHPC

2.3 試件制備、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試

稱量好各種原材料質(zhì)量后，先將膠凝材料與骨料倒入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)干拌1 min，然后將減水劑與水混合均勻，加入攪拌機(jī)拌合5 min至流態(tài)，最后在攪拌狀態(tài)將鋼纖維均勻撒入攪拌機(jī)內(nèi)，繼續(xù)攪拌2 min，使鋼纖維分散均勻。攪拌完成后對(duì)UHPC分別進(jìn)行工作性能測(cè)試及力學(xué)性能試件的成型。

UHPC工作性能采用擴(kuò)展度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，擴(kuò)展度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

UHPC力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進(jìn)行測(cè)定。立方體抗壓試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm，軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，抗彎拉強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件成型后表面覆蓋薄膜，置于(20±2) ℃條件下養(yǎng)護(hù)48 h拆模，拆模后將試件放入溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)加載速率為1.2～1.4 MPa/s，抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率為0.08～0.1 MPa/s，軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量試驗(yàn)加載速率為1.2～1.4 MPa/s。

3 結(jié)果與討論

3.1 工作性能

圖1為所有配比的UHPC坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果。從圖可見，隨骨膠比增加，兩類UHPC的擴(kuò)展度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，工作性能變差。其主要原因是：隨骨膠比的增加，UHPC體系中的膠凝材料漿體含量降低，骨料表面的漿體潤(rùn)滑層厚度減小，從而導(dǎo)致拌合物擴(kuò)展度降低。

圖1 骨膠比對(duì)UHPC擴(kuò)展度的影響Fig.1 Effect of A/B on slump flow of UHPC

在骨膠比一致時(shí)，CS-UHPC擴(kuò)展度小于RS-UHPC，即CS/RS增加會(huì)使UHPC的擴(kuò)展度下降，這與常規(guī)混凝土的結(jié)論不一致。雖然河砂的比表面積較碎石大，但河砂粒徑較小有利于鋼纖維在RS-UHPC拌合物中三維亂向分布的均勻性，且其粒形圓潤(rùn)，滾珠效應(yīng)明顯，使UHPC拌合物坍落流動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力小，均有利于提高UHPC的擴(kuò)展度。CS/RS增大，骨料總比表面積減小，有助于漿體的裹覆，但較大粒徑的碎石阻礙了鋼纖維的均勻分布，在坍落流動(dòng)時(shí)，鋼纖維與碎石極易相互制約纏繞，使其擴(kuò)展度低于同等骨膠比的RS-UHPC。

3.2 立方體抗壓強(qiáng)度

圖2為骨膠比對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響。從圖可見，隨骨膠比增大，RS-UHPC與CS-UHPC的抗壓強(qiáng)度均呈先增后減趨勢(shì)，且在骨膠比為1.05時(shí)抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到最大值130.5 MPa、136.3 MPa。骨膠比增大，UHPC體系中骨料含量增加，在體系內(nèi)形成的剛性骨架體積占比越高，抗壓強(qiáng)度隨之增大，但當(dāng)骨膠比過高時(shí)，會(huì)使UHPC工作性變得較差，不利于成型密實(shí)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。另外，隨骨膠比的增加，RS-UHPC的抗壓強(qiáng)度變化幅度小于CS-UHPC。本研究中的UHPC材料采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式，膠凝材料的強(qiáng)度發(fā)展較通常的蒸汽熱養(yǎng)護(hù)緩慢，加之UHPC水膠比設(shè)計(jì)為0.16，而在水膠比較低時(shí)由于供水不足，UHPC內(nèi)部水化程度并不高[14]，且相較于RS-UHPC，CS-UHPC中的碎石帶來了更強(qiáng)的骨架效應(yīng)，故RS-UHPC的抗壓強(qiáng)度整體表現(xiàn)只是隨著骨膠比變化略有起伏。

圖2 骨膠比對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of A/B on compressive strength of UHPC

等骨膠比的條件下，CS-UHPC的抗壓強(qiáng)度高于RS-UHPC，這是因?yàn)樗槭囊朐鰪?qiáng)了UHPC骨料體系剛性骨架的咬合作用，對(duì)UHPC強(qiáng)度的形成更加有利。與RS-UHPC相比，骨膠比同為0.75、0.90、1.05、1.20的4組CS-UHPC試樣(對(duì)應(yīng)的CS/RS分別為1/4、1/2、3/4、1)的抗壓強(qiáng)度分別提高了5.0%、6.2%、4.4%和4.2%。當(dāng)CS/RS為1/2時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度增幅最大，碎石的增強(qiáng)效應(yīng)最為明顯。進(jìn)一步增加CS/RS，不僅會(huì)導(dǎo)致CS-UHPC工作性能降低，且鋼纖維的均勻分布受到更多數(shù)量的粒徑較大的碎石限制，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度逐步降低。

3.3 軸心抗壓強(qiáng)度

圖3顯示隨骨膠比增加，RS-UHPC軸心抗壓強(qiáng)度呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，骨膠比為1.20時(shí)達(dá)到110.2 MPa，較骨膠比0.60時(shí)的軸心抗壓強(qiáng)度的增幅為7.6%；CS-UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度在骨膠比為1.05時(shí)達(dá)到最大值113.1 MPa，較骨膠比0.60時(shí)的軸心抗壓強(qiáng)度增幅長(zhǎng)10.4%，影響規(guī)律與立方體抗壓強(qiáng)度類似。與立方體抗壓強(qiáng)度相比，軸心抗壓強(qiáng)度隨骨膠比的增加其增長(zhǎng)幅度更大，這是因?yàn)楣羌茉鰪?qiáng)效應(yīng)在混凝土棱柱體試件中貢獻(xiàn)更大，且鋼纖維可顯著降低在靜載壓力下裂紋的擴(kuò)張[15]。

圖3 骨膠比對(duì)UHPC軸心抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of A/B on axial compressive strength of UHPC

3.4 靜力受壓彈性模量

靜力受壓彈性模量除與膠材強(qiáng)度有關(guān)外，受骨料的強(qiáng)度、彈性模量的影響較大。圖4表明隨骨膠比的增加，RS-UHPC與CS-UHPC兩類混凝土的彈性模量均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且CS-UHPC的彈性模量增長(zhǎng)趨勢(shì)更大。RS-UHPC在骨膠比1.2時(shí)的彈性模量為42.7 GPa，較骨膠比0.60時(shí)提高了27.5%；CS-UHPC在骨膠比1.2時(shí)的彈性模量為48.5 GPa，較骨膠比0.60的UHPC(無碎石RS60配比)提高了44.8%。UHPC彈性模量隨骨膠比增大而呈線性增長(zhǎng)主要?dú)w結(jié)于骨膠比越大，UHPC體系內(nèi)骨料體積含量越大，越有利于其剛性骨架結(jié)構(gòu)的形成。

圖4 骨膠比對(duì)UHPC靜力受壓彈性模量的影響Fig.4 Effect of A/B on static compressive elastic modulus of UHPC

相同骨膠比下，CS-UHPC的彈性模量高于RS-UHPC，且UHPC的彈性模量隨骨料中CS/RS比例的增加而增長(zhǎng)。在骨膠比同為0.75、0.90、1.05、1.20的情況下，與RS-UHPC相比，4組CS-UHPC試樣(對(duì)應(yīng)的CS/RS分別為1/4、1/2、3/4、1)的彈性模量分別提高了2.8%、6.8%、10.2%和13.6%。這是因?yàn)樗槭旧砭哂休^高的強(qiáng)度和彈性模量，碎石的加入阻礙了UHPC砂漿基體中微裂紋原有的擴(kuò)展路徑，提高了混凝土的承載性能及抗變形特性[16]，從而使碎石比河砂對(duì)UHPC彈性模量的貢獻(xiàn)更顯著。

3.5 抗彎拉強(qiáng)度

圖5顯示對(duì)于RS-UHPC，隨骨膠比增大，其抗彎拉強(qiáng)度呈先增后降趨勢(shì)，當(dāng)骨膠比為0.75時(shí)抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值(26.9 MPa)。河砂的粒徑較小，骨膠比較低時(shí)，骨膠比的小幅增加對(duì)鋼纖維的均勻分布影響不大，此時(shí)的骨膠比值有利于抗彎強(qiáng)度的增長(zhǎng)。骨膠比繼續(xù)增加，骨料的體積占比增大，對(duì)鋼纖維的分布開始產(chǎn)生不良影響，同時(shí)膠凝材料用量下降，基體與鋼纖維的粘結(jié)力減小，導(dǎo)致抗彎拉強(qiáng)度降低。

圖5 骨膠比對(duì)UHPC抗彎拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of A/B on bending strength of UHPC

對(duì)于CS-UHPC，當(dāng)骨膠比為0.75時(shí)，對(duì)應(yīng)的CS/RS為1/4，較小的碎石摻比對(duì)鋼纖維的分布影響有限，CS-UHPC的抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到峰值(27.6 MPa)。當(dāng)骨膠比分別為0.90與1.05時(shí)，對(duì)應(yīng)的CS/RS增長(zhǎng)至1/2和3/4，較高的骨膠比與較大的碎石摻比對(duì)鋼纖維均勻分布的阻礙作用開始顯現(xiàn)，導(dǎo)致抗彎拉強(qiáng)度下降，較最高強(qiáng)度值損失比例為1.5%與8.7%，損失幅度不大，依然能保持較為優(yōu)良的抗彎性能。當(dāng)骨膠比增為1.20時(shí)，抗彎強(qiáng)度相對(duì)最高強(qiáng)度值損失比例已達(dá)24.3%，下降幅度非常明顯。這主要是因?yàn)榇藭r(shí)不僅骨膠比高且CS/RS增長(zhǎng)至1，對(duì)鋼纖維的均勻分布阻礙作用明顯，本應(yīng)由鋼纖維占據(jù)的空間被碎石隔斷，使體系內(nèi)部不能相互牽扯，鋼纖維與基體形成的纖維網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了斷層缺陷，鋼纖維的利用效率被限制。

當(dāng)骨膠比同為0.75、0.90時(shí)(對(duì)應(yīng)的CS/RS分別為1/4、1/2)，CS-UHPC的抗彎拉強(qiáng)度略高于RS-UHPC，此時(shí)的碎石摻比對(duì)鋼纖維的均勻分布影響有限，而碎石與河砂共同構(gòu)成的骨料體系增強(qiáng)效應(yīng)更加顯著。當(dāng)骨膠比達(dá)1.05后(對(duì)應(yīng)的CS/RS增至3/4)，碎石相比于河砂粒徑大而對(duì)鋼纖維均勻分布的限制更為顯著，導(dǎo)致CS-UHPC抗彎拉強(qiáng)度低于RS-UHPC。

3.6 fcp/fcu、fb/fcu分別與A/B的擬合分析

為探討粗骨料在UHPC中的增強(qiáng)效應(yīng)規(guī)律，將RS-UHPC與CS-UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值(fcp/fcu)、抗彎拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值(fb/fcu)分別與骨膠比(A/B)的關(guān)系進(jìn)行擬合。

在制圖軟件中做出散點(diǎn)圖后可以看出，fcp/fcu基本上是隨A/B的增加而線性增大，基于此嘗試采用線性擬合方式，得到河砂與碎石兩類UHPC的 fcp/fcu數(shù)學(xué)解析式(1)、(2)。fb/fcu隨A/B的增加并非呈現(xiàn)出線性減小趨勢(shì)，于是嘗試多項(xiàng)式擬合，得到河砂與碎石兩類UHPC fb/fcu數(shù)學(xué)解析式(3)、(4)。

RS-UHPC：

(1)

CS-UHPC：

(2)

RS-UHPC：

(3)

CS-UHPC：

(4)

圖6(a)表明骨料用量的增加對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用大于立方體抗壓強(qiáng)度，這是由于骨料所起到的剛性骨架效應(yīng)增強(qiáng)，骨膠比越大，其棱柱體承載效果越好。由圖6(b)可知，在A/B≤0.75時(shí)，隨A/B增加fb/fcu緩慢增加，此時(shí)UHPC中骨料分布比例對(duì)鋼纖維的三維均勻分布影響較小，反而剛性骨架的咬合作用提高了拉壓比；當(dāng)A/B>0.75后，隨A/B增加，fb/fcu下降幅度明顯，顯然UHPC中鋼纖維的三維分布受空間所制約，降低了其增強(qiáng)增韌作用效率。

結(jié)合第3.2節(jié)研究顯示，碎石的摻入可以提高UHPC的fcu，即使CS-UHPC的fb/fcu比值相對(duì)較低，但相同骨膠比下CS-UHPC(A/B≤0.90、CS/RS≤1/2)的抗彎拉強(qiáng)度優(yōu)于RS-UHPC，表明碎石在此分布區(qū)間內(nèi)對(duì)UHPC中鋼纖維的三維分布和界面粘合效率的限制作用有限，但其本身帶給UHPC的骨架增強(qiáng)效應(yīng)可以彌補(bǔ)相應(yīng)的損失，因此適量的碎石提高了UHPC的抗彎拉性能；當(dāng)骨膠比較高時(shí)(A/B>0.90、CS/RS>1/2)，碎石的骨架增強(qiáng)效應(yīng)不足以彌補(bǔ)因碎石引起的鋼纖維不均勻分散對(duì)UHPC基體增強(qiáng)增韌效果的削弱作用，因此CS/RS較高的CS-UHPC其抗彎拉強(qiáng)度低于RS-UHPC。

圖6 骨膠比對(duì)UHPC的fcp/fcu(a)與fb/fcu(b)的擬合曲線Fig.6 Fitting curves of A/B on fcp/fcu (a) and fb/fcu (b)of UHPC

4 結(jié) 論

1．不同A/B與CS/RS對(duì)UHPC的影響主要表現(xiàn)出河砂與含碎石兩類UHPC的擴(kuò)展度均隨A/B的增加而減小，工作性能降低。A/B恒定時(shí)， CS/RS增加會(huì)使UHPC擴(kuò)展度減小。

2．隨A/B增加，UHPC的立方體抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度均呈先增后降趨勢(shì)，彈性模量則呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。相同A/B下，碎石的摻入提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量，當(dāng)CS/RS為1/2時(shí)，碎石對(duì)抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)最顯著；CS/RS越大，CS-UHPC彈性模量相較于RS-UHPC增長(zhǎng)幅度越高；當(dāng)CS/RS≤1/2時(shí)，碎石有助于提高UHPC的抗彎拉強(qiáng)度。

3．fcp/fcu隨A/B的增加線性增長(zhǎng)，而fb/fcu隨A/B的增加呈二次函數(shù)下降。對(duì)比河砂、碎石兩個(gè)系列UHPC的fcp/fcu與fb/fcu發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A/B≤0.90、CS/RS≤1/2時(shí)，碎石在UHPC中的作用影響以碎石的骨架增強(qiáng)正效應(yīng)為主；當(dāng)A/B>0.90、CS/RS>1/2時(shí)，則以碎石降低鋼纖維增強(qiáng)增韌效率的負(fù)效應(yīng)為主。