材料组成对常温养护UHPC基体性能的影响

国外文献通过优选材料及调整掺量的方式，常温制备出强度高达200MPa的UHPC。鉴于以上背景，本文研究了不同品种水泥、硅灰、减水剂，及硅灰掺量、水胶比对常温养护UHPC基体的流动度及强度的作用。本实验结果有助于提高UHPC的工程实用性，进一步改善UHPC的常温制备技术。

b. 硅灰。SF1:原状硅灰，灰色粉末状; SF2:半增密硅灰，灰色粉末状; SF3:锆质硅灰，白色粉末状; SF4:英国生产的白硅灰，白色粉末状。硅灰的化学组分见表3。

c. 减水剂。E1:聚羧酸高效减水剂，粉体;E2:液体减水剂，固含量30%; E3:西卡减水剂，粉体。3种减水剂的减水率均大于30%。

d. 石英粉。325目，平均粒径为50.6um，密度为2.644g/cm3。

结合文献中UHPC各组分的掺量范围考虑，试验选取水胶比为0.16～0.22; 硅灰采用内掺法，掺量范围为0.15～0.30; 其余材料掺量均为与胶凝材料质量的比值。具体配合比设计见表4。故试验共有水泥品种、硅灰品种、减水剂品种、硅灰掺量和水胶比5个变量。

按表4试验设计配合比，将称量好的各粉体材料依次倒入水泥胶砂搅拌机内进行慢搅2min，之后加入称量好的水，慢速搅拌3min，如果是使用液体减水剂，先将其溶于水中，再和水一起加入搅拌机内，搅拌5min后结束。之后进行流动度测试试验，装入40mm×40mm×160mm的钢模中。将模具放入温度(20±2)℃的室内，48h后拆模，拆模后将试件放入标准水养室中的水箱里进行水养到28d即可。流动度试验参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T8077－2012)中水泥净浆流动度测试方法进行，采用上口直径36mm，下口直径60mm，高度60mm的截锥圆模。强度试验步骤参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671－1999)进行，加载速率为2.4kN/s至试件破坏。

图2表示2种水泥制备基体的抗压强度随水胶比的变化。水胶比0.16时，虽然胶凝材料含量较高，但由于缺少水分，阻碍了水泥的水化反应; 另一方面因为水胶比过低，使搅拌过程中带入到水泥浆体里的空气不能有效排出，增多了试件内部的缺陷，因而导致强度并没有得到提升。在搅拌过程中可以明显看到基体十分粘稠，装模困难，需要振动成型。因此，要提高UHPC的强度，必须在确保良好工作性能的条件下，降低水胶比。在水胶比为0.18和0.20的情况下，保证了基体的流动性，减少了内部孔隙，强度有所提高。水胶比为0.22时，搅拌过程中可以看到不断有气泡冒出。

对照图1、图2可知，52.5级硅酸盐水泥制备的基体在流动度为175mm，42.5级中热水泥制备的基体在流动度为180mm时强度达到最高。综合2种水泥分别在不同硅灰及硅灰掺量的全部实验结果来看，较好强度的组别见表5，表明水泥本身的强度等级对UHPC能达到的最大强度的影响并不明显，但不同品种的水泥通过对基体流动度的作用，进而很大程度上影响了不同配比下UHPC基体试件的抗压强度。2种水泥制备基体均在流动度180mm左右时抗压强度达到最高，此时混凝土强度与工作性协调最好。可以推测掺白硅灰的UHPC基体在水胶比0.17强度更高。

2.2 硅灰掺量对UHPC基体性能的影响

纤维种类、掺量、长度对蒸汽养护UHPC抗压、抗折强度的影响分别如图2、3所示。

为简要说明，均取掺原状硅灰SF1，减水剂为聚羧酸粉体减水剂E1的组别结果为例。

由图3可知，硅灰掺量从15%到30%，基体流动度整体表现出现逐渐降低的趋势。尤其从掺量15%到25%，流动度下降明显。因为硅灰颗粒较水泥颗粒小近两个数量级，故细度和比表面积大得多，所以随着硅灰掺量的增加，基体需水量加大。掺量大于25%之后，对流动度的影响不明显，甚至有些组别出现了略微增大的情况。因为硅灰颗粒除了填充在较大的孔隙中，随着掺量进一步的增多，硅灰颗粒也存在于比较大的水泥颗粒间，起到了润滑的作用，从而改善了基体流动性。

硅灰从两个方面起作用提高UHPC的强度: 一是因为本身颗粒很细而产生的微填充效应，硅灰颗粒填充在孔隙及较大的水泥颗粒间，减少了基体的大孔数量，优化了胶凝材料级配，加强了体系密实度; 二是硅灰的火山灰效应，改变了UHPC胶凝组分的水化进程，减少了强度薄弱的Ca(OH)2，使生成的C－S－H凝胶物质含量得到显著提高。图4为硅灰掺量对52.5级硅酸盐水泥基体抗压强度的影响。掺量为15%时，基体抗压强度达到最高，之后随着硅灰掺量的加大，抗压强度整体呈下降趋势。因为在常温条件下，硅灰的火山灰反应很弱，很大一部分硅灰并没有发生反应，不能有效发挥出提高强度的效果。对比52.5级硅酸盐水泥的净浆，在0.16～0.22水胶比时的抗压强度均在112～114MPa间，可见掺入硅灰后，UHPC基体的抗压强度均比净浆有所提高。

52.5级硅酸盐水泥掺入半增密硅灰的试验中流动度、强度规律与原状硅灰结果一致。而在掺入锆质硅灰、白硅灰时，掺入量为15%与20%时流动度变化不大，已经具备很好的流动性，尤其是锆质硅灰，0.16水胶比时流动度已达到175mm。之后随着硅灰掺量的增加，流动度又有明显的提高;4种硅灰均在掺量15%时UHPC基体抗压强度达到最高。因此，在52.5硅酸盐水泥制备的UHPC中硅灰的最优掺量为15%。

2.2.2 硅灰掺量对水泥2制备UHPC基体性能的影响

对42.5级中热水泥制备的基体流动性，试验结果如图5所示，随硅灰掺量增加，流动度逐渐减小。这与水泥1制备基体硅灰掺量为30%时流动性转好的结果不一致，证明不同水泥与硅灰作用的整体效果不同。

硅灰掺量对42.5级中热水泥制备UHPC基体抗压强度的影响与水泥1制备基体也有所不同。如图6所示，在硅灰掺量为20%时，4种水胶比下基体的抗压强度相对掺量15%与25%都有一个明显的提高，达到最高。抗压强度最高出现在水胶比0.18，硅灰掺量20%时，为136.2MPa，比相同水胶比的净浆强度提高了18.2MPa，此时新拌基体流动度为181mm。

在42.5级中热水泥中掺入半增密硅灰的试验中，流动度、强度规律与掺原状硅灰结果一致。掺入锆质硅灰、白硅灰时，随掺量的增加，流动度逐渐增加，试件强度在掺量为15%和20%时差别不大，在20%时略高。因此，综合考虑，在42.5级中热水泥制备的基体中硅灰的最优掺量为20%。

2.3.1 硅灰种类对水泥1制备UHPC基体性能的影响

根据上述硅灰掺量的研究结果，讨论硅灰种类对UHPC基体影响时，选取52.5级硅酸盐水泥不同硅灰掺量为15%的组别，42.5级中热水泥不同硅灰掺量为20%的组别。

在相同水胶比竖向比较方面，如图7，对52.5级硅酸盐水泥，在增大基体流动性方面，锆质硅灰＞白硅灰＞原状硅灰＞半增密硅灰。原状与半增密硅灰的组成成分虽然相同，但半增密硅灰的堆积密度大得多，硬化浆体中的分散程度较差，从而流动度较小。而锆质硅灰与白硅灰相较于2种灰色硅灰流动度有显著提高，尤其是锆质硅灰。虽然锆质硅灰流动性大，有助于在保证工作性能的情况下降低水胶比，但是掺锆质硅灰的UHPC基体强度并没有达到预想的高强度，在0.16水胶比下的掺锆质硅灰UHPC基体抗压强度仅为121.6MPa。说明锆质硅灰本身对提高UHPC强度的贡献很小。

白硅灰对流动度的改善要优于2种灰色硅灰，且由于白硅灰的SiO2含量最高，参与反应的活性最高，对UHPC强度的提高作用在4种硅灰中最大。图8可以看出，最大的抗压强度出现在水胶比0.18的掺15%白硅灰的配比上，强度为141.7MPa，相对于水泥净浆提高了26.5%。掺半增密硅灰的最大强度出现在流动度为180mm组中，符合之前的结论: 基体在180mm左右流动度时具有较好的工作性，有利于提高强度。

对42.5级中热水泥制备的基体，改善流动性方面也是锆质硅灰＞白硅灰＞原状硅灰＞半增密硅灰; 强度方面，除掺锆质硅灰的基体外，其余组的最高强度均出现在水胶比0.18时，此时基体的流动度也最接近理想。锆质硅灰在0.16水胶比时强度最高，因为之后基体流动度过大。掺4种硅灰基体最高强度: 白硅灰(142.6MPa)＞原状硅灰(138.4MPa)＞半增密硅灰(134.2MPa)＞锆质硅灰(126.9MPa) ，相对于净浆强度分别提升了18.8%、15.3%、11.8%、5.8%。进一步证明了白硅灰对UHPC强度的贡献最大，原状硅灰次之。

从硅灰种类对2种不同水泥的基体性能影响，可以得出结论，对于制备UHPC，白硅灰优于原状硅灰优于半增密硅灰优于锆质硅灰。

根据实验结果，减水剂对UHPC性能影响主要与所掺硅灰的种类有关。对于掺原状及半增密硅灰的试件，西卡减水剂和液体减水剂比聚羧酸粉体减水剂E1的减水效果稍好一点，流动度稍大但差别不大，抗压强度也几乎没有影响。但对掺白硅灰的试件，减水剂E1的效果要明显好于另外2种减水剂。在水胶比0.18，白硅灰掺量为15%的条件下，见图11，掺聚羧酸粉体减水剂E1 的基体流动度为190mm左右，掺另外2种减水剂的基体流动度只有145～158mm。可见，制备UHPC时选用减水剂不仅要与水泥有良好的适应性，还要注意与硅灰作用的匹配。故对掺白硅灰的UHPC，应选用聚羧酸粉体减水剂。

a．水胶比是影响UHPC基体性能的最大要素，使基体流动度达180mm左右时UHPC的强度最高。

b．水泥种类对UHPC的基体流动性影响更大，通过流动性进而影响强度。水泥颗粒越细，UHPC流动度越小。

c．对于52.5级普通硅酸盐水泥制备的基体，随着硅灰掺量增加，流动度逐渐降低至掺量为30%时开始回升; 对于42.5级中热水泥制备的基体，随着硅灰掺量的增加流动度逐渐降低。不同水泥制备的UHPC，硅灰在不同掺量使其强度达到最高。52.5级硅酸盐水泥制备的基体抗压强度在硅灰掺量15%时最大，42.5级中热水泥在硅灰掺量20%时抗压强度最高。

d．试验所用硅灰在增大基体流动性方面: 锆质硅灰＞白硅灰＞原状硅灰＞半增密硅灰。其中白硅灰对UHPC基体的强度提高作用最大，原状硅灰次之，锆质硅灰最小。

e．选用减水剂要注意与硅灰的适应性，对掺白硅灰的UHPC应选用聚羧酸粉体减水剂。