李文双
哈尔滨航盛商品混凝土有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：超高性能混凝土(UHPC)是由活性粉末混凝土发展而来的。UHPC的基本制备原理是通过提高材料的均匀性和降低孔隙率来尽可能减少内部缺陷。在初期，UHPC一般不使用粗骨料进行材料选择，只使用水泥、细砂、硅粉、粉煤灰等高细度材料，并根据最大密度理论调整级配。细度高、级配好的原材料能有效提高UHPC密实度，减少材料内部缺陷。随着UHPC的发展，逐渐从不使用粗骨料转变为允许适当使用粗骨料。为了便于区分，前者被称为粉末UHPC，后者被称为集合UHPC。
关键词：砂率；超高性能混凝土；流动性；强度；超声波速；
一、试验
1.试验原材料。水泥：某有限公司生产的P·II 52.5级水泥，主要技术参数如表1。
表1水泥的各种参数
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硅灰：上海胜阔建筑材料有限公司生产，灰白色粉末，活性指数88%，烧失量1.5%。粉煤灰：南京共创防腐保温有限公司生产，灰白色粉末，比表面积551 m2/kg，烧失量1.26%。减水剂：江苏苏博特公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%，含固量为23%。河砂：细度模数为2.1，含泥量为0.27%。机制砂：细度模数为3.7，石粉含量为5%。粗骨料：粒径在4.75~9.5 mm碎石，压碎指标为8%。钢纤维：江苏苏博特公司生产的端钩型钢纤维，主要技术参数如表2。
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2.试验方案。本试验制备水胶比为0.19的UHPC，通过加入1.2%的高效减水剂来保证其工作性能；考虑粉煤灰对UHPC工作性能和后期强度的改善，加入20%的粉煤灰；UHPC的超高强度导致脆性大，通过加入1.5%的钢纤维提高其韧性。本试验通过单因素法研究砂率40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%对UHPC工作性能和力学性能的影响。
3.试验方法。（1）试件制备。采用多次投料法，首先将细骨料（机制砂、天然砂）和20%水投入搅拌机，搅拌2 min，细骨料预湿有助于胶凝材料包裹；然后投入水泥、硅灰和粉煤灰，搅拌6 min，使细骨料和胶凝材料充分混合；然后投入石子和纤维，搅拌6 min，在投入纤维时，容易出现结团的现象，通过过方孔筛的方式能够将纤维均匀的投入搅拌机中；最后投入剩余80%水、减水剂和其他外加剂，搅拌1 min后浆体明显黏稠并黏结，3 min后出料。装模后，在常温下覆膜静置24 h，减少水分的蒸发，拆模后及时将试块放入标准养护室。（2）测试方法。流动度的试验按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定。立方体抗压强度试验按照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》规范，制作成100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，加载速度为1.2~1.4 MPa/s，每组3个试件，记录下试件破坏时的最大荷载并计算其强度。抗折强度试验按照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》规范，制作成100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。加载速度为0.08~1.4 MPa/s，每组3个试件，记录下试件破坏时的最大荷载并计算其强度。波速按照CECS 21—2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》进行测试。为减少人为误差，对每个试块的非成型面对立面进行3次超声波速检测，取平均波速，结果精确至0.001 km/s。
二、结果与讨论
1.砂率对UHPC流动度的影响。图1为砂率对UHPC工作性能的影响图，从中可以看出所有组均具有较好的工作性能，砂率为44%时，坍落度最大为270 mm；砂率为42%时，扩展度为575 mm。随着砂率的增大，坍落度和扩展度均呈现先增大后减小的趋势。
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图1砂率对UHPC工作性能的影响
随着砂率的提高，浆骨比增大，砂浆充分的包裹在骨料的周围，削弱骨料表面的摩擦，并且砂浆能填充骨料空隙，使得骨料之间空隙水减少，自由水增加，提高拌合物的流动性。但是也存在一个合理砂率的转折点，过了转折点之后工作性能随着砂率的提高反而降低。这是由于当砂率过大时，随着细集料数量增加，集料的总面积和空隙率随之增大，导致了新拌制混凝土黏性增大；细集料的增多，材料的比表面积增大，需要的水也增多，水胶比不变的情况下，会导致黏度的增大。
2.砂率对UHPC强度的影响。根据试验设计的配合比进行制备UHPC试件，试件标养养护后测其3、7、14、28 d抗压强度，从横向来看，各个龄期的UHPC随着砂率的增加，抗压强度先增高后降低，砂率为44%时，60 d抗压强度最大，达到142.23 MPa。3 d的抗压强度达到60 d抗压强度的75%，7 d的抗压强度已经达到60 d的抗压强度的85%，而14~28 d抗压强度幅度仅有10%左右，可以看出UHPC的早强性，前期强度高，强度增长快，后期强度增长不明显。因为在UHPC中加入粉煤灰，不仅降低了水泥的用量，而且由于粉煤灰的细度小，活性好，加入粉煤灰后，可以看作一定程度上降低了水灰比，所以对早期强度有一定的影响，粉煤灰同时也能发生火山灰反应，提高水泥浆中的水化产物，一定程度上也能提高抗压强度。随着砂率的提高，UHPC的抗压强度先增加后降低，存在一个合理砂率的范围，超出合理砂率的范围，增加或减少砂率，UHPC的强度反而会降低。因为砂率主要是通过影响UHPC的空隙率和密实度来影响其抗压强度，当砂率小于合理的砂率范围时，UHPC中的粗骨料相对增多，粗骨料的表面积增大，砂子、胶凝材料和水形成的浆体不足以包裹粗骨料的表面，导致粗骨料之间的黏结力被削弱，同时细骨料的相对不足，导致不能够有效的填充粗骨料之间的间隙，增加了UHPC内部的孔隙率，抗压强度随之降低。另一方面，当砂率大于合理的砂率范围时，细骨料的相对增多，导致比表面积增大，水和胶凝材料形成的浆体不足以包裹粗细骨料的表面，导致粗细骨料之间的黏结力不足，同时由于砂率的增大，粗骨料相对减少，也削弱了粗骨料的骨架作用，使得UHPC的抗压强度降低。
3.抗压强度与超声波速的关系。超声检测是指用超声波对构件内部缺陷进行检查的一种方法，属于无损检测，无损检测是一种在不破坏样品的基础下，检查其内部和外部的技术，与有损检测相比，无损检测具有非破坏性以及动态性。本研究UHPC的抗压强度与超声波速之间的关系，为利用超声波速来反映抗压强度打下基础，便于重复试验，减少工作量，节约成本。随着砂率的增大，超声波速呈现先增大后减小的趋势，这和抗压强度与砂率的关系趋势一致。为了建立抗压强度与超声波速的关系，以数理统计的方法对试验数据进行回归分析，建立数学模型，通过试验数据分析，发现抗压强度与超声波速之间存在线性关系，符合fcu=a+bv关系曲线，其中fcu为抗压强度；a，b均为系数；v为超声波速。对试验数据进行拟合，得到抗压强度与超声波速之间关系式为fcu=-416.2+109.8v，相关系数达到了0.99。故用线性函数拟合抗压强度与超声波速的关系更加贴近实际。
三、结论
本试验砂率为40%~46%，UHPC的坍落度和扩展度较大，基本达到了自流平状态，并且随着砂率的增加，流动性能呈现先增大后减小的趋势，砂率为42%~44%，UHPC流动度相对较好。随着砂率的增加，UHPC的抗压强度先增加后减小，砂率为42%~44%时，UHPC抗压强度相对较大，砂率为4%时，60 d抗压强度已经达到142.23 MPa，而砂率对UHPC抗折强度影响并不是很明显。综合工作性能和力学性能，本试验研究的UHPC最优砂率为42%~44%。UHPC的抗压强度与超声波速具有相关性，通过建立回归方程发现，线性函数拟合度最高，为无损检测UHPC强度提供一定的依据。
总之，普通混凝土在满足强度等性能要求后,砂率宜尽量低,因为当水泥浆量一定时,砂率在混凝土中的最主要作用是影响新拌混凝土的和易性。也有资料指出,由于高性能混凝土的用水量较低,砂浆量要通过增加砂率来补充,所以砂率宜适当增大。但是,砂率通常会根据水泥用量、水灰比、单位用水量、含气量及集料的粒径粒形等参数的不同而相应变化。
参考文献：
[1]赵红，砂率对超高性能混凝土的性能探讨.2019.
[2]郭晓丽，浅谈砂率对超高性能混凝土的性能研究.2020.