摘要：超高性能混凝土的配合比能够直接决定超高性能混凝土的工作性能和抗压强度，基于实际研究蒸养超高性能混凝土配合比参数对混凝土性能影响意义重大。本文基于蒸汽养护超高性能混凝土胶砂比、水胶比、钢纤维掺量、减水剂掺加量等参数展开对混凝土坍落度扩展度和抗压强度影响程度的研究，意在寻找最佳配合比参数，并针对超高性能混凝土的应用展开研究。
关键词：超高性能混凝土；最佳配合比；性能研究
超高性能混凝土的出现有效解决了原有过程中混凝土材料拉力较低、预应力较差的情况，能够在建筑工程及预制构件中得以切实应用，并使混凝土材料获得预防微观裂缝产生、延时开裂、提升开裂强度的优点。但就实际而言，130MPa级超高性能混凝土配比造价通常昂贵，通常在2800元/m3以上，本文研究采用天然河砂作为骨料，降低应用成本的前提下，研究预制工厂采用蒸汽养护工艺的超高性能混凝土的配合比，在超高性能混凝土制备的过程中，各类材料所使用的比例能够直接决定其强度是否符合标准，因此，本文将在初步设计的配合比基础上，针对胶砂比、水胶比、钢纤维掺量、减水剂掺加量等超高性能混凝土的配合比参数，展开试验研究，对混凝土工作性和抗压强度进行分析，从而确定最优配合比。
1.试验材料及方法
为了确定超高性能混凝土的配合比，本文结合实际展开分析，以较为有效的方式确定超高性能混凝土的各类材料配合比。
1.1 试验材料
本次试验选择的材料为超高性能混凝土中存在的材料。
就各类材料展开分析，材料皆为国内厂家所生产的、符合生产要求的材料。水泥为P?O42.5R普通硅酸盐水泥，28d抗压强度50MPa。在制备为可用材料的过程中选择自来水进行拌合，品质不应低于《混凝土用水标准》，碱质量浓度小于1000mg/L。硅灰材料为一类无定形超细粉末，非晶体，呈灰白色。质量分数≥93%，烧失量≤2.6%。石英粉采用1500目，由硅灰材料和石英粉高速旋转物理搅拌而成高性能复合掺合料，28d标准养护活性指数120%。
骨料采用河砂，应具有良好级配质硬洁净，河砂细度模数在2.3-3.0，超过粒径2.36mm颗粒不超过10%，并且最大粒径不大于4.75mm，颗粒洁净硬质，含泥量小于1.0%，压碎指标小于10%。
减水剂的选择为聚羟酸高性能减水剂，为浅黄色，呈液体状。对减水剂的酸碱度进行测试，其处于6~8之间。减水率达到30%~￥40%，不存在氯离子。液体含固量为36%。
钢纤维长度为长径比70：1，直径为0.2mm，抗拉强度不小于2850MPa。钢纤维整体呈正圆柱体，表面镀黄铜。
1.2试验基准配合比确定
本研究采用河砂骨料取代传统石英砂，利用最大密实度原理，对超高性能混凝土配合比初步设计后，确定初步配合比见表1。设计坍落度扩展度为650mm，终养抗压强度为130MPa，做到自流平超高性能混凝土。
表1 初步配合比
1.3成型及试验方法
试验室内进行试配，并盛放立方体抗压强度试件100*100*100mm，试件成型3件为一组。成形后保持温度20℃±2℃，湿度为60%的环境下，试件表面覆盖不透水膜，24小时后拆模编号。移入高温蒸汽快速养护箱内在80℃环境下，养护72小时，冷却至常温后，破型，测试终养抗压强度值并记录。抗压强度测试方法，依据《科技基（2006）129号客运专线活性粉末溷凝土RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》。
1.4 试验内容
表1 初步混凝土配合比基础上，选择具有决定性能特点的参数为砂胶质量比、水胶质量比、纤维体积分数、减水剂掺加量，对其展开试验。试验目标为在满足超高性能混凝土质量的前提上，归纳总结各参数变化对超高性能混凝土抗压强度带来的变化规律，同时对满足工作性且抗压强度测试评定值有一定富裕系数保证的参数作为最优配合比进行优化，得到最佳配比。
以表1为基准配合比，试验内容为控制常量，根据所测试内容的要求提供五类试验体，如测试砂胶质量比，则控制水胶质量比与纤维体积分数为常量。
2 试验结果
2.1砂胶比对超高性能混凝土性能的影响。
以砂胶质量比为例，砂胶质量比的确定与水胶质量比确有关系。因此，当水胶质量比不能确定时，可先预设一个固定参数，将其作为常量代入试验，若在此常量下出现目标差异，即代表其与砂胶质量比具有关联，哪一类配比方式质量更佳，即说明哪一类砂胶质量比可用，属于最优配比。在试验过程开展前，将水胶质量比设置为0.16，随后展开试验。
在试验过程中，砂胶质量比为五类，分别为1.50、1.35、1.27、1.00、0.8。在此过程中，除了将水胶质量比固定外，更固定纤维体积分数为4%。在进行超高强度混凝土的制备后，获取五个试验体。分别对其进行标准养护后测试抗压试验、坍落度扩展度。
图1 胶砂质量比对超高性能混凝土坍落度扩展度及抗压强度的影响
由图1可发现，在砂胶质量比为1.50和1.35时，由于配比出的超高性能混凝土坍落度扩展度不足流动性较低，导致浇筑构件表面空洞，蜂窝无法实现自流平混凝土的效果。当砂胶质量比为1.27和1.00时，坍落度扩展度分别增大为35%和34%。当砂胶质量比为0.80时，对坍落度扩展度的影响较大，再次增加6%。但抗压强度也随着降低，较之前试验体数据降低6%。因此，在砂胶质量比的确定过程中，当纤维体积分数为4%时，砂胶质量比应为1.27或是1.00。但就实际而言，在砂胶质量比为1.00时，抗压强度较1.27更好，且在坍落度扩展度接近极限时，1.00的砂胶质量比更具有优势。
2.2水胶质量比对超高性能混凝土性能影响。
在水胶质量比试验中，以上文试验数据，砂胶质量比为1.00，纤维体积质量分数为4%。由于本文研究采用的减水剂为液体含固量36%，减水剂中含有64%溶液自由水，在水胶比参数试验研究时，减水剂中所含水分需加入计算进水胶比中。水胶比定义为：试验配比中自由水与水泥、石英石粉、硅粉之和的质量比。本次试验的目的为满足自流平状态下的抗压强度满足130MPa级别，因此，将水胶质量比拉低，分别取0.20，0.18，0.16，0.14，0.12五组，配比出试验体五类。试验参数与上文砂胶质量比的试验相同，均为在本文规定蒸汽养护情况下测试超高性能混凝土的坍落度扩展度与抗压强度。
图3 钢纤维掺加量对超高性能混凝土坍落度扩展度及抗压强度的影响关系
由图3对比后发现，纤维体积分数超过4%后，坍落度极快地下降，但抗压强度随着纤维体积分数的增加而显著提高，当达到6%时，抗压强度基本持平，说明钢纤维达到一定数量后对抗压强度影响程度趋缓，从经济性角度不建议考虑此掺量。在纤维体积分数的确定过程中，试验建议选择3%~5%的纤维体积质量分数，在性价比合理的情况下，优选合理掺量范围在下限的配合比，实际应用同时应根据超高性能混凝土结构受力情况及抗疲劳、抗冲击影响情况确定钢纤维的掺加量。
2.4减水剂掺加量对超高性能混凝土性能影响
在初步配合比的基础上，按上文确定的三类试验参数，钢纤维体积掺加量选用4%，对减水剂掺加量参数进行试验。在超高性能混凝土配比的过程中，减水剂的减水率对蒸养超高性能混凝土影响重大，同时减水剂成份中不允许添加缓凝类的佐料，否则影响超高性能混凝土蒸养凝固时间，对预制构件产生巨大质量隐患。在试验过程中，对减水剂的质量分数进行测试，根据实际减水剂含固量情况情况可微量调整减水剂用量。本文主要研究减水剂掺加量对混凝土工作性能和抗压强度的影响，将减水剂分成2.7%、2.9%、3.1%、3.3%、3.5%五类试验参数，进行平行试验，试验结果见图4。
图4 减水剂对超高性能混凝土坍落度扩展度及抗压强度的影响关系
由图4可知，减水剂掺加量对超高性能混凝土工作性能影响非常大，减水剂由2.7%——2.9%——3.1%——3.3%逐渐提升掺量的过程中，坍落度扩展度逐步变大，分别提升38.0%、26.2%、14.2%、17.0%，当掺加量达到3.3%时，满足自流平混凝土设计要求，而此阶段，抗压强度随着流动状态提高先增加后平稳，减水剂掺加量达到3.1%时，抗压强度为134MPa，而坍落度扩展度不满足设计目标。3.1%——3.3%减水剂掺量提升，抗压强度提升4%，具有一定抗压强度富裕，满足设计目标。而当掺量提高到3.5%时，虽然坍落度扩展度也在提升，但是抗压强度却减小，此时混凝土表面翻出水性浆体，用直尺在混凝土表面刮动，出现泌水，能刮出水层，混凝土下面浆体粘底，出现分层离析，混凝土拌合物不均匀，造成混凝土缓凝并且抗压强度降低。因此，最佳减水剂掺加用量建议为3.3%。
3超高性能混凝土的最佳配比研究
3.1 最佳配比分析
由上述试验内容可得知，在砂胶质量比、水胶质量比、纤维体积分数的试验中，C130超高性能混凝土最佳砂胶质量比为1.0，而最佳水胶质量比为0.18，减水剂最佳掺加量为3.3%。钢纤维体积分数的符合配比参数较多，3%~5%内均可，具体可以根据实际应用情况，在性价比的情况下调整。根据图3试验结果，以不同纤维体积分数配出4类超高性能混凝土工作状态符合自流平混凝土且抗压强度均高于130MPa，在满足设计目标，且超高性能混凝土在搅拌的过程中不存在纤维结团现象，对质量不存在影响。
3.2 超高性能混凝土配比过程中的其他影响参数
除此以外，在超高性能混凝土配比过程中存在的，对整体超高性能混凝土质量造成影响的问题中，还可能存在客观原因，比如材料质量、操作精准度、搅拌参数、材料存放条件等。在标准试验环境中，此类问题均能够通过严格把控质量、符合标准操作等方式进行解决。在实际应用过程中，此类问题应由质量管理人员、技术管理人员联合控制，确保超高性能混凝土的质量不受此类客观原因影响。
结语
本文主要研究在蒸汽养护条件下，采用低成本河砂替代石英砂骨料，材料工艺参数对自流平超高性能混凝土的影响规律，以砂胶质量比、水胶质量比、纤维质量分数及减水剂掺加量作为试验内容，分析总结各组成材料参数自流平超高性能混凝土的的影响规律，最终确定最优配合比，望能够对相关工作做出贡献。
参考文献
[1]赵士豪，林喜华，车玉君，等.基于DE响应面分析的C100超高性能混凝土配合比优化设计[J].混凝土与水泥制品，2018（08）：24-28.
[2]万朝均，尹亚柳，王小茜，郭梦君.超高性能混凝土的制备[J].硅酸盐通报，2015，34（12）：3676-3681.
[3]徐立斌，董艺，陈尚伟.超高性能混凝土的配合比设计研究[J].混凝土，2015（01）：72-74+82.
论文作者:张信祯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/8/23
标签：抗压强度论文; 胶质论文; 高性能混凝土论文; 混凝土论文; 减水剂论文; 量比论文; 参数论文; 《建筑学研究前沿》2019年11期论文;