基于尺寸效应的经济型UHPC材料强度研究

摘要：普通混凝土抗压强度测试实验存在尺寸效应，而UHPC材料组成与普通砂浆更为接近，因此本文对试样尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm和100mm×100mm×100mm的立方体试块抗压强度进行研究，得到不同养护龄期强度，并得出二者28天的强度比例系数。此项研究为工程应用提供更详尽的超高性能混凝土（UHPC）材料性能数据。

1引言

相比普通混凝土，UHPC具有较高的强度、弹性模量，较好的韧性等性能，然而制备UHPC所需原材料的要求比较高，同时养护条件高（常需高温、高湿等条件），造成UHPC的制备和养护成本比较高，从而限制了UHPC在工程中的广泛应用。目前国内外一些学者通过选用价格较低的材料来代替UHPC原材料，从而达到降低成本目的，所制备的UHPC具有较好的力学性能，尤其是极高的抗压强度[1]。或者从绿色环保角度出发，充分利用废弃工业、矿业材料（如矿渣、钢渣粉等）作为替代材料[2]。

本文充分利用当地建筑材料制备经济可行、力学性能较好的UHPC。对不同养护龄期UHPC试样的抗压性能进行实验研究。并且对不同尺寸的UHPC抗压试块进行了强度值对比。

2 UHPC试块制作

依据相关规范（JGT 472-2015[3]，CEM I 52.5[4]等），UHPC中粘结材料通常选用高强度水泥。矿物掺合料主要用于填充混凝土中孔隙，提高微观结构密实程度，从而提高UHPC强度。钢纤维是UHPC的增强相，短纤维增强效果优于长纤维，且其掺入量在2%-3%左右，UHPC流动性以及力学性能达到最佳。根据上述选取要求，同时考虑当地建筑材料的供应情况，提出利用当地材料制备UHPC的方法。本文所选用材料的性能参数具体如下所述

UHPC的制作原材料如下：

水泥：52.5 MPa普通硅酸盐水泥。硅灰：粉末状硅灰，平均粒径小于0.2 μm。细骨料：河砂，最大粒径在0.6 mm以内，含泥量0.1%左右。高效减水剂：选用国内粉末状聚羧酸高效减水剂。钢纤维：选用短细的光滑镀铜钢纤维，抗拉强度为2660 MPa，抗弯强度为203 GPa，长度13 mm，直径0.2 mm。

搅拌过程中为使钢纤维分布均匀，先将一半体积的钢纤维和其他材料倒入搅拌滚桶中干拌4分钟，然后加水搅拌同时倒入剩余钢纤维搅拌5分钟。根据ASTM C666/C666M-1[5]规定进行流动度测试，15秒内振动25次后UHPC的流动度达到25 cm左右效果较好，如图1。

3 抗压强度测试与分析

制备好的试块放入温度20±0.5℃，湿度为95±3%的标养室中养护48小时后拆模，而后继续养护。将分别养护7d、14d、28d的试块取出晾干后进行抗压性能测试，实验仪器采用200t液压试验机进行抗压测试，实验加载采取连续均匀加载，应力控制方式，加载速度为1MPa/s。

（1）UHPC压缩破坏模式

养护7 d 的UHPC试样在压缩破坏后侧面有较多片状脱落，且出现多条竖向裂缝，但是外表面仍然能够保持不完全破碎。破坏后试样的内部具有明显剪切滑动面，而滑动面的存在使得压缩破坏表现出一定的延性，因此该类型UHPC的压缩破坏形式为剪切破坏。14 d、28 d后的试样在压缩破坏后外表面则出现较少碎片和竖向裂缝，试样完整性较好，这种现象可以归因于随着水泥水化程度逐渐增大，纤维与水泥浆体的粘结性能逐渐增强，从而使得纤维对混凝土的约束能力逐渐增强。

（2）养护龄期对UHPC抗压强度的影响

表4为不同养护龄期该类型UHPC抗压强度的变化情况，可以看出，UHPC抗压强度随着养护龄期增长而快速增加，经过7～14d的养护，抗压强度仍有较大幅度的增长，达到28d抗压强度的94%；养护28d后UHPC抗压强度值达到国内关于超高性能混凝土的强度要求（120 MPa）。

不同尺寸的UHPC抗压强度对比

用同样的测试方法对养护28天的100mm×100mm×100mm尺寸的立方体试块进行加载，强度平均值为121.2MPa。对比70.7mm×70.7mm×70.7mm尺寸得立方体试块抗压强度，二者的比例系数分别为0.937和1.067。

4 结论

本文采用当地建筑材料制备经济型UHPC，并在和普通混凝土养护条件相同的情况下养护至不同龄期后进行立方体抗压强度测试。该类型UHPC的受压破坏形式为剪切破坏，其抗压强度随着养护龄期的增长而增加。基于不同尺寸的抗压强度的实验值，提出了比例系数，从而可以使两种尺寸的试块强度可以进行合理推算，这为材料强度试验值的推算提供了便利。

参考文献

Aliena， S.， Newtson， C.M. Ultra-high Strength Concrete Mixtures Using Local Materials [J]. Journal of civil Engineering and Architecture. 2011， 5 （4）： 322-330

刘娟红， 王栋民， 宋少民等. 大掺量矿粉活性粉末混凝土性能与微结构研究[J]. 武汉理工大学学报. 2008（11）：54-57.

JGT 472-2015， 钢纤维混凝土.中华人民共和国住房和城乡建设部.2015.

CEN/TC51， CEM I Portland cement. European Colnmltt for standardization， 2004.

ASTM C666/C666M-15. Standard test method for resistance of concrete to rapid freezing and thawing， ASTM International， West Conshohocken， PA， USA. 2015.