基于半经验的含粗骨料UHPC配合比设计

基于半经验的含粗骨料UHPC配合比设计

丁一鸣

重庆交通大学 材料科学与工程学院  重庆 400074

摘要：本试验总结了相关文献的实验经验，用最小需水量法设计了含粗骨料UHPC(UHPC-CA)配合比并验证了其力学性能。试验证明，基于最小需水量法设计的UHPC-CA达到了133.7MPa的最大强度，完全达到UHPC强度标准。

关键词：含粗骨料UHPC; 配合比；力学性能

0 引言

目前，随着UHPC的研究越来越深入，研究人员意识到追求UHPC极致的力学性能意义不大，且UHPC自收缩率大，弹性模量较之于强度的增长不符合预期等原因，纷纷转而研究UHPC-CA,偏向实际工程需求。UHPC-CA的配合比就是首要的问题，目前，最常用的配合比方法仍是MAA颗粒堆积模型[1]，如式（1）所示，将粗骨料也作为混合料的一个组分，共同拟合最佳堆积曲线，不过这种方法需要用MATLAB软件进行拟合，日常使用比较困难。法国LCPC实验室推荐使用的最小需水量法是基于湿堆积密度的一种胶凝材料组分设计方法，可以很好的解决UHPC-CA的配合比设计难题。

   式(1)

1 原材料

实验采用公司生产的P•I 42.5普通硅酸盐水泥（简写C）,密度为3.08g/m3，比表面积。采用河南恒源新材料公司一级粉煤灰（简写FA），河南义翔材料公司92#微硅粉（简写SF）。骨料（简写CA）采用破碎卵石，粒径0.00135mm-9.75mm，压碎值。高强微细平直型钢纤维（简写S），直径0.2mm，长度12mm，抗拉强度≥3000MPa。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂（简写SP），减水率＞30%，含固量40%。水为自来水（简写W）。

2 配合比设计

2.1 三元胶凝材料最紧密堆积

使用最小需水量法确定颗粒之间的空隙从而找出三元胶凝材料体系最佳密实度，即先将粉煤灰等量取代部分水泥，找到每个取代量下恰好使拌合物从潮湿的固体（形成球状）变成平坦均匀的浆体所需要的用水量（mw）；再将水泥和粉煤灰定为胶凝材料整体，以硅灰按上一步骤重复进行，再次确定最小需水量，胶凝材料混合料的最大堆积密实度Φ为胶凝材料的体积除以（胶凝材料的体积+水的体积），如式（2）所示, 其中ρ表示胶凝材料混合料的密度，单位为g/cm3；mb表示胶凝材料的质量，单位为g；mw表示浆体最小需水量，单位为g。

       （2）

三元胶凝材料的最小需水量（mw）和最大堆积密实度（Φ）可以确定出三元胶凝材料的理论最佳比例为C：FA：SF=0.72:0.08:0.2，但是此方法只属于物理方面的最紧密堆积，硅灰掺量的多少会影响水泥水化，若综合考虑水化影响，还需对水泥与硅灰的比例进行调整。

2.2 骨料最紧密堆积

本试验直接由Dinger和Funk改进后的MAA模型（如式2所示）出发，将集料破碎成0-0.075mm、0.075-0.15mm、0.15-0.3mm、0.3-0.6mm、0.6-1.18mm、1.18-2.36mm、2.36-4.75mm和4.75-9.5mm各粒径，直接拟合MAA模型的最佳堆积的理想曲线，以期获得骨料的最紧密堆积。其中加入2.36mm以上粒径粗骨料时分两种方式，即总骨料量不变，调整堆积密度曲线（P1）和定量加入400kg/m3粗骨料，调整堆积密度曲线（P2）。

综上，本试验设计了5组配合比如表1所示，分别为不加入粗骨料的CAE，加入2.36-4.75mm粒径的配合比CA5P1、CA5P2，加入2.36-4.75mm后继续加入4.75-9.5mm粒径的配合比CA10P1，CA10P2。

表1 UHPC-CA配合比

*表示胶凝材料的体积分数

3 试验结果与分析

3.1 工作性

本试验主要考察不同粒径粗骨料的掺入对UHPC-CA工作性能的影响，在整个实验过程中，一共测试了5组UHPC-CA的扩展度。

由图可知，在钢纤维掺量不变的情况下，粗骨料的粒径对UHPC-CA工作性能影响显著，随着粒径增大，UHPC-CA的扩展度降低明显，CA0获得最大扩展度607mm。

粗骨料粒径增大后，新拌UHPC-CA的扩展度下降原因是粗骨料加入后，在水胶比不变的情况下，包裹骨料所需要的浆体增加，于是自由流动的浆体就会减少，带来流动性的下降，而粗骨料粒径加大后，需要包裹的表面积进一步增加，流动性降低[2]。

3.2 抗压强度

加入不同粒径粗骨料组合的5组UHPC-CA试件，最大粒径5mm的CA5P2获得了本组最高抗压强度133.7MPa。可以看出，在纤维掺量以及粗骨料掺量不变的情况下，粗骨料的加入增加了UHPC-CA的抗压强度，CA5P2，CA10P1，CA10P2的抗压强度相比于不掺加粗骨料组分别增加了24.2%，14.7%和13.3%。而随着粒径变大，UHPC-CA抗压强度出现小幅回落，并且最佳堆积的实现方式对最大粒径10mm组别影响很小

[3]。

对于粉体而言，粗骨料的引入，对抗压强度有提高作用。首先，粗骨料加入后，会发挥其锁链作用，与胶凝基质形成等效骨架，增强了混凝土的刚度，提高了整体的抗压强度。但是，试验中发现最大粒径为10mm的含粗骨料UHPC抗压强度有所降低，因为骨料的粒径越大，越容易导致局部应力集中[4]。

4 结论

1、采用最小需水量法和MAA最佳堆积模型相结合，设计出了抗压强度超过130MPa，抗拉强度超过10MPa的含粗骨料超高性能混凝土，且工作性能尚佳。

2、在一定粒径范围内，粗骨料由于其等效骨架的作用，对UHPC-CA的力学性能起到正面作用，尤其是最大粒径5mm的粗骨料，使UHPC-CA得抗压强度提升了24.2%。

参考文献：

[1]LARRARD D F, SEDRAN T. Optimization of ultra-high performance concrete by the use of a packing model[J]. Cement and Concrete Research, 1994 , 24(6): 997-1009.

[2] 陈宝春,韦建刚,等.超高性能混凝土应用进展[J].建筑科学与工程学报, 2019, 36(2): 10-20.

[3] 李信,陈露一,黄有强,张志豪,谭洪波.含粗骨料超高性能混凝土的制备及其性能研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2019(11): 6-8.

[4] 史才军,何稳,吴泽媚,吴林妹,朱德举,黄政宇,张家科.纤维对UHPC力学性能的影响研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(08): 2227-2236+2247.