超高性能混凝土粘附力试验研究

摘  要：超高性能混凝土UHPC（Ultra-high Performance Concrete）中使用的大量胶凝材料会致其拌合物与模具及钢筋网之间产生较大的粘附力，较大的粘附力使配筋UHPC结构尤其是薄壁结构难以实现完全自流密实。为了获得UHPC拌合物与不同介质之间粘附力，从而解决浇筑阻力计算问题，设计了一种混凝土拌合物与不同介质之间粘附力的测试装置，可以准确测量设定工况下的粘附力。试验结果表明：UHPC与其他介质之间的粘附力与相对运动速度有关，但两者并不呈线性关系，当外部推力加载到某一临界点，相对速度的加快趋势趋于平缓，此临界推力即为该工况下需克服的粘附力；经计算，在试验条件下UHPC在φ125mm标准泵管中的压力损失约为0.06MPa/m。

关键词：超高性能混凝土；薄壁结构；粘附力

中图分类号： TU528.01          文献标志码：A

Abstract： The large number of cementitious materials used in ultra-high-performance concrete （UHPC） results in a biggish adhesion force between the mix and the molds and reinforcing mesh. The biggish adhesive force makes it difficult for reinforced UHPC structures， especially thin-walled structures， to achieve complete self-flow compaction. In order to obtain the adhesion force between UHPC mix and different media so as to solve the calculation of casting resistance， a test device for the adhesion force between concrete mix and different media is designed， which can accurately measure the adhesion force under set working conditions. The test results show that the adhesion force between UHPC and other media is related to the relative speed of movement， but the relationship between the two is not linear. When the external thrust is loaded to a certain critical point， the acceleration trend of the relative speed tends to be gentle， and the critical thrust is the adhesion force to be overcome under this condition. According to the calculation， the pressure loss of UHPC in a φ125-mm standard pump pipe under the test condition is about 0.06 MPa/m.

Key words：  Ultra-high-performance concrete; Thin-walled structure; adhesion force

0  引言

超高性能混凝土UHPC（Ultra-high Performance Concrete）[1]在优化配比后其塌落扩展度可以达到700±50mm[2]，完全实现自流密实，但由于其水泥、矿粉等胶凝材料含量较大使其粘性大，当拌合物浇筑入模时，浆液与模具、钢筋笼间存在较大的粘附阻力使浆液难以实现完全自流密实，特别是薄壁型构件更难以完全密实，一定程度上限制了UHPC的工程应用[3]。为了克服粘附力的阻碍，通常需要使用混凝土输送设备进行外部加压。在实际工程施工中，粘附力受材料配比[4]、模具内壁粗糙度、钢筋密度等影响，难以进行准确的理论计算，不便于设备选型。因此，研究设计了一种简便的粘附力测定方法与阻力压强计算方法，测定了UHPC与普通钢板及钢筋网片之间的粘附力，并提出了UHPC输送粘附阻力简易计算方法。

1  试验研究

1.1  试验原理

试验时在固定容器中装入UHPC浆液，将需要测定与UHPC之间粘附力的材料制作成活动叶片并置于浆液中。如图1所示，定义叶片插入浆液底部为状态0，叶片上部到达液面为状态1，通过外部施加拉拔力F0使叶片从状态0运动到状态1，设叶片自重为G，根据作用力与反作用力的原理，通过式（1）可得到叶片与UHPC浆液之间相对运动需要克服的粘附力F1。

1.2  试验装置

粘附力测定试验装置由盛料容器、滑轮组、S型拉力传感器、配重计量桶、叶片组成[5]。其中盛料桶垂直于水平地面放置，使用缆绳通过定滑轮组将叶片与拉力传感器一端相连，拉力传感器另一端连配重计量桶，具体如图2所示。

1.3  试验方法

将满足自流密实要求塌落扩展度值（见图3）的浆液加入试验装置的盛料容器中，浆液装满后将叶片对正容器中央插入，并确保叶片接触到容器底部，如图4所示。

试验关键在于确定式（1）中外部拉拔力F0的取值，随着F0的增加叶片运动速度理论上会相应变化，因此试验时分级加载配重，记录不同配重下叶片被拉拔的运动情况，分析配重加载与叶片运动的关联性，直至找出叶片由状态0→1理想运动速度下的临界配重加载值；

通过试验找到上述临界加载重量后，即确定F0的取值，利用式（1）得到叶片拔出需克服的粘附力F1。反之当UHPC浆液流过叶片同材质接触面时，叶片相应尺寸面积范围内对流动的浆液产生的粘附力，但需注意试验中叶片双面与浆液接触，设叶片面积为S0，叶片与浆液接触面积为2S0，因此单位面积叶片材料对流动浆液产生的粘附力

F粘可表述为式（2）：

2  试验结果分析

2.1  试验结果

试验叶片外形尺寸为200mm×300mm，使用普通钢板与钢筋网（钢筋中心间距100mm×100mm）两种叶片分别进行试验，叶片实物见图5，试验前记录好叶片自重。

试验的配重范围为10-50kg，浆液拓展度650-670mm。使用钢板叶片共进行了9次拉拔，拉拔试验结果见表1；使用钢筋网叶片进行了8次拉拔，拉拔试验结果见表2。

2.2  试验结果分析

钢板叶片在新拌浆液1小时内的拉拔试验统计分析如图6所示：

由图6可知，随着配重拉拔力的增加，叶片运动整体呈加快趋势，当拉拔力加载到250N，叶片从状态0运动到状态1用时达到20s以内，且再继续增加拉拔力叶片运动速度无显著加快迹象，表明250N拉力即可在克服粘力后使叶片达到理想的运动速度，叶片自重2kg，根据式（1），钢板叶片需要克服的-粘附力F1板=250-9.8×2=230N；

钢筋网叶片在新拌浆液1小时内的拉拔试验统计分析如图7所示：

由图7可知，总体趋势与钢板叶片一致，当拉拔力加载到300N，叶片从状态0运动到状态1用时达到20s内，与钢板叶片运动状态接近，同样再继续增加配重，叶片运动速度也不再显著加快，认为300N拉力即为钢筋网叶片达到理想运动速度需克服的粘附力，钢筋网叶片同样自重2kg，根据式（1）钢筋网叶片需要克服的粘附力F1网=300-9.8×2=280N。

2.3  浆液状态对拉拔的影响

UHPC在搅拌出釜后，静置一定的时间其液面将结壳，浆液内部也会逐步固化流动性变差，在浇筑施工时自流密实更加难以实现，本次试验时气温为25℃左右，以1小时为节点，验证UHPC浆液在新拌好超1小时后，其状态变化对叶片的粘附是否有影响。分别在浆液拌好后及间隔1小时后使用同一配重进行拉拔，记录钢板叶片和钢筋网叶片运动情况的变化。

在钢板叶片的对比试验中，同样300N的配重拉力下，新拌浆液和1小时后叶片从状态0→1的拉拔运动速度下降接近3倍，具体数据见下表3；

在钢筋网叶片的对比试验中，100N配重拉力可以将叶片从新拌好的浆液中拉出，但浆液拌好时间超过1小时后同样的拉力叶片无法被拉动；而在300N的配重拉力下，随时间推移叶片拉拔运动速度也出现大幅下降，具体数据见下表4。

由此可见超高性能混凝土浆液搅拌完成后，随时间推移对叶片的粘附力越来越大，若浆液拌好静置超过1小时不建议继续用于自流密实的浇筑作业。

3  UHPC输送阻力

3.1  粘附力

根据试验结果，钢板叶片从UHPC浆液中拔出需克服的粘附力为F1板=250N，钢筋网叶片需克服的粘附力F1网=280N，两种叶片外形尺寸均为S0=0.2×0.3=0.06m³。

钢板作为UHPC输送管道或模具材料，一般仅一面与UHPC浆液接触，根据式（2）所述粘附力计算方法，UHPC浆液流过每平方米钢板产生的粘附力F粘板为：

而钢筋网片一般被包裹于UHPC内部，其与浆液的接触面积直接计钢筋网片的外框面积，同样根据式（2），间距为100mm×100mm的钢筋网片每平方米对UHPC流动产生的粘附力F粘网为：

3.2  UHPC输送阻力

以泵送UHPC为例，泵送时一般使用φ125mm标准泵管[6]，泵管内壁材料与本试验中的钢板叶片材料类似，因此通过公式（3）可计算1m长泵管对流动UHPC产生的管壁粘附力。

现已知F粘板=1917N，1m长φ125mm泵管与UHPC接触的展开面积S管=2ᴨr=0.39㎡，根据公式（3）求得F粘管=1917×0.39=748N。

可得到按本次试验的工况泵送UHPC浆液时，每米泵管的压力损失P为：

约为0.06MPa，较常规混凝土泵送时压力损失约0.01MPa[7]明显增大，与UHPC超高的粘性相匹配。

4  结论

塌落拓展度在650-700mm的新拌超高性能混凝土浆液与单位面积普通钢板之间在试验相对运动速度下产生的粘附力约1.9KN；与单位面积钢筋网（钢筋中心距100mm）之间相对运动产生的粘附力约为4.6KN；按此粘附力计算，在UHPC泵送时，每米φ125标准泵管的压力损失约为0.06MPa。

粘附力与浆液本身状态及相对运动速度有关，本试验研成果主要为快速测定UHPC浆液与其他介质之间的粘附力提供了思路与方法，实际工程中工况不同不可直接套用本试验研究结果数据。应根据实际工况设计试验进行专项数据收集。

参考文献：

[1]Shi C，Wu Z，Xiao J， et al. A review on ultra high performance concrete： Part I. Raw materials and mixture design[J].Construction and Building Materials，2015，101.

[2]CCES 02-2004（条文说明）， 自密实混凝土设计与施工指南[S].

[3]贺飒飒，吴迎叶，陈颖等. 超高强高性能混凝土制备与长期性能研究进展 [J]. 混凝土， 2023， （03）： 126-129+134.

[4]吴珍，寇应霞，程芸芸等. 超细石灰石粉对高强高性能混凝土粘性的影响研究 [J]. 工程质量， 2012， 30 （S2）： 35-37+41.

[5]杨静，颜士海，许小荣.泵送混凝土的粘附系数及其测定方法的研究[J].工业建筑，2002（04）：40-42.

[6]毛山红，邬锦斌，余斌等. C100超高性能混凝土的特性研究 [J]. 混凝土， 2015， （07）： 121-123+127.

[7]覃善总，冯东亮，辛福光. 多功能C120超高性能混凝土在广州东塔项目中超高泵送510 m的研发与应用 [J]. 混凝土， 2019， （02）： 95-99.

[第一作者]：李超阳（1991），男，本科，研究方向：主要从事超高性能混凝土施工工艺等研究。

[第二作者]：高峰（1990-），男，硕士，高级工程师，研究方向：主要从事桥梁结构设计与智能建造等研[第三作者]：陈明（1987-），男，本科，研究方向：主要从事超高性能混凝土结构及工艺研究。

基金项目：中国铁路设计集团有限公司A类重点课题（2022A02480004）