超高性能混凝土流变特性及调控研究进展

超高性能混凝土流变特性及调控研究进展

田厚仓 ,张阔   ,韩金钊

中国建筑第八工程局有限公司，上海市，200000

摘要：超高性能混凝土(ultra-highperformanceconcrete，UHPC)是一种基于颗粒紧密堆积理论设计的新型水泥基复合材料，它具有超高抗压强度、高韧性、优异耐久性等特点，在大跨径桥梁、薄壁结构、建筑装饰和海洋平台等领域具有广阔的应用前景。优异的流变性能是保障UHPC顺利浇筑、发挥其性能优势的关键。然而，UHPC采用了极低水胶比(通常为0.2左右)，导致新拌UHPC黏度高、流动速度慢、静态损耗快，给泵送和浇筑带来一定困难，且对内部纤维分散和取向及其力学性能有着显著影响。

关键词：超高性能混凝土；流变特性；调控措施

1UHPC流变性能表征

UHPC（超高性能混凝土）是由水泥、辅助性胶凝材料、水、骨料、纤维、外加剂组成的复合材料。在UHPC中，水泥和骨料的比例较高，纤维的加入使得UHPC具有更好的抗拉强度和抗冲击性能。除此之外，UHPC还表现出典型的剪切变稠特性，具有明显的非线性流变特征。研究发现，硅灰含量（0～25%）对UHPC流变性的影响很大，大多数UHPC拌合物都表现出明显的剪切增稠行为。为了研究UHPC的流变特性，Bingham模型、改进的Bingham模型和Herschel-Bulkley模型已被广泛用于各种水泥基材料的流变行为研究。其中，Herschel-Bulkley模型更适合用来描述新拌状态下UHPC的流变特性。此外，含偏高岭土的UHPC流变性能更适宜采用Herschel-Bulkley模型评价。在粗骨料UHPC的流变性能和稳定性方面，呈现出剪切变稀行为，改进的Bingham模型具有更准确的流变参数拟合结果。

2UHPC流变性能调控

2.1水膜层厚度

2.1.1用水量或水胶比

Ultra-HighPerformanceConcrete(UHPC)是一种具有很高强度和优异耐久性的混凝土材料，但是如果水胶比过低，会导致它的工作性变差，施工难度增加。因此，在选择水胶比时需要在强度和工作性之间做出平衡，以选择合适的比例。除此之外，减水剂和钢纤维的掺量也会影响UHPC的流变性能。减水剂可以有效地降低混凝土水胶比，从而提高UHPC的强度和耐久性。而加入钢纤维可以增强UHPC的抗拉强度和韧性，从而提高其整体的性能。为了研究这些因素对UHPC性能的影响，可以采用正交实验的方法。正交实验是一种多因素试验设计方法，可用于确定多个因素对实验结果的影响程度。通过正交实验，可以确定最优的UHPC材料组成，以达到最佳的性能表现。

2.1.2高效减水剂

高效减水剂在UHPC（超高性能混凝土）的生产中起着至关重要的作用。它通过吸附在水泥颗粒表面形成静电斥力及空间位阻效应，减弱颗粒间的相互作用。这样做可以使相互包裹的水泥颗粒分散，絮凝结构被打开并释放出内部包裹的自由水，增加WFT（工作时间），从而改善新拌UHPC流变行为。高效减水剂对颗粒分散及整个体系堆积密实度的影响取决于其掺量与种类。因此，减水剂掺量的增加能够降低UHPC拌合物的屈服应力和塑性黏度，增加流动性。研究表明，当减水剂掺量为2.5%～4.0%时，UHPC屈服应力和塑性黏度随其掺量的增加分别降低了88.9%、20.6%。然而，减水剂掺量也存在一个临界值。当超过临界值时，减水剂分子便不再有效吸附于胶凝材料颗粒表面，而是以液体形态存在。这将引发拌合物的泌水现象，影响混凝土的性能和使用寿命。

UHPC是一种高性能混凝土，其中掺聚羧酸系高效减水剂可以提高拌合物的湿堆积密实度，并具有更好的保坍能力和降黏功能。这种减水剂适用于配制高流动性混凝土，可以使混凝土在施工过程中更易于流动。另外，掺萘系高效减水剂配制的砂浆的扩展度经时损失率介于氨基磺酸盐减水剂和聚羧酸高效减水剂之间。而掺氨基磺酸盐减水剂的砂浆的扩展度经时损失率最大。这表明不同类型的减水剂在不同的混凝土或砂浆中具有不同的效果。此外，甲基丙烯酸酯(MPEG)型和烯丙醚(APEG)型PCE对UHPC中水泥和硅灰的吸附行为不同，因此可以考虑掺入不同分子结构的高效减水剂来实现对不同矿物掺合料表面吸附的优化作用。PCE在吸附过程中产生较强的熵效应，这使其成为更有效的分散剂。

2.2富余浆膜层厚度

超高性能混凝土（UHPC）是一种高强高性能的新型建筑材料，在工程建设中得到了广泛应用。其中，流变性能是UHPC重要的性能指标之一，影响着混凝土的加工、施工和使用效果。因此，研究UHPC的流变性能及其影响因素，对于提高UHPC的性能具有重要意义。骨料掺量、粒径和级配是影响UHPC流变性能的重要因素。研究发现，最大骨料粒径对混凝土和其润滑层的流变性有较大影响，影响混凝土的泵送性能。此外，石英体积分数对UHPC流变性、收缩和力学性能的影响也很大，制备出自密实UHPC的骨料体积分数上限为45%。因此，对于UHPC的骨料掺量、粒径和级配的选择需要仔细考虑，以提高混凝土的流变性能。流动性良好的UHPC存在一个合理砂率范围，在此范围内，UHPC流变性能最佳。此外，流变性能的调控可以通过优化骨料级配来实现。骨料级配的优化可以增加UHPC浆体的粘性，提高混凝土的流变性能。浆膜层厚度（PFT）是骨料对UHPC流变性的影响最终体现的参数。浆膜层厚度越大，UHPC浆体的流动性越好。而PFT与骨料比表面积成反比。因此，细小的砂粒会导致水泥浆包裹骨料表面的PFT较小，从而对浆体的流变性能造成不利影响。为了提高UHPC的流变性能，可以向UHPC中掺入适量粗骨料的方式，降低骨料比表面积，增加浆膜层厚度，从而提高UHPC的流变性能。

2.3间隙液黏度

关键成分之一是使用减水剂或增塑剂，它们被添加到混凝土混合物中，以增加和易性并减少混合所需的水量。然而，减水剂在UHPC中的行为是复杂的，可能会影响混凝土的性能和性能。UHPC中减水剂的一个重要方面是它们在混合物中的分布。研究表明，减水剂可以分为两类：吸附在水泥颗粒表面的减水剂和残留在间隙液体中的减水剂。未吸收减水剂的存在可能导致间隙液体的粘度增加，这可能会对UHPC的性能产生不利影响。为了解决这个问题，研究人员探索了如何增强减水剂在水泥颗粒表面的吸附。研究发现，某些类型的减水剂表现出选择性吸附行为，这意味着它们优先吸附在某些类型的水泥颗粒上。通过增加减水剂的吸附，可以降低填隙液的粘度，提高UHPC的性能。所使用的减水剂类型也会影响UHPC的性能。例如，研究表明，与膦酸基减水剂相比，羧酸基减水剂对低水灰比UHPC的流变性能具有更大的影响。这表明，必须仔细考虑减水剂的选择，以在UHPC中实现最佳性能。

超高性能混凝土（UHPC）是一种通过使用特定成分和配合比设计实现优异力学性能的混凝土。影响UHPC流变性能的一个重要方面是矿物掺合料的吸附行为，特别是与减水剂组合使用时。近年来的研究发现，增加矿物掺合料高岭石的掺量，可以提高UHPC的屈服强度和粘度，同时也可以改善纤维的分散性能。这是由于高岭石的表面电荷效应，高岭石可以与水泥颗粒相互作用，增强颗粒间的内聚力，进一步提高絮凝效率。然而，应该注意的是，增加减水剂的用量可以削弱高岭石颗粒的表面电荷效应，这可能会阻碍UHPC内部结构的形成和重建。换句话说，在UHPC混合料设计中，矿物掺合料和减水剂的使用之间存在微妙的平衡。总之，矿物掺合料在UHPC中的吸附行为是实现所需机械性能和流动特性时需要考虑的重要因素。通过了解各种组分的影响及其相互作用，研究人员和工程师可以优化UHPC的配合比设计，以满足特定的要求和应用。

结论

超高性能混凝土（UHPC）是近年来因其优异的力学性能而备受关注的一种混凝土。UHPC的流变性能、纤维分散性和力学性能密切相关。添加不同类型和比例的纤维，如长纤维和短纤维、宏纤维和微纤维，可以调节UHPC的粘度。此外，纤维的加入可以提高UHPC的机械强度和弯曲韧性。当受到外力作用时，纤维可以有效地抵抗微裂纹的发展，并提高UHPC的整体力学性能。

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