制备工艺对超高性能混凝土工作性能与抗压强度的影响

钟建建

摘要：新时期背景下，科学技术呈高速发展趋势，越来越多的科学原理在建筑领域使用。随着人们生活质量的提高，对于建筑工程中使用的建筑材料耐久性能及力学性能提出了更高的要求，进而结合实际需求和科学技术，超高性能混凝土应运而生，已然引发建筑工业领域人员热议。国内外相关研究过程中，关于超高性能混凝土力学性能有许多报导，关于搅拌工艺研究却少之又少，进而建筑工程中超高性能混凝土推广和应用存在局限性。本文将以强度等级为150-200MPa的超高性能混凝土为例，分析不同制备工艺与制备设备对超高混凝土工作性能的影响，并且具体研究制备工艺与超高性能混凝土各项性能的关系。

关键词：制备工艺；超高性能混凝土；工作性能；抗压强度

随着社会经济的发展，人们对建筑物功能性、安全性的要求不断提高，工程结构呈现更高、更长、更深，发展，这样是为了提高土地资源利用效率。因此，对混凝土性能也有了更高的要求，为了使混凝土工作性能满足建筑工程要求，研究者经过不懈努力，终于研发出提高混凝土强度与性能的技术。相对于传统混凝土材料，超高性能混凝土韧性、强度、耐久性更高，也是是其特征，在一定程度上实现了混凝土材料性能的跨越性发展。现阶段，大跨度桥梁、高层建筑、漂浮结构、海上平台等工程中，超高性能混凝土初显优势，世界范围内，一些发达国家建筑业已广泛认可且青睐超前性能混凝土材料，将其视为未来预制构件混凝土技术主要发展方向。

1. 超高性能混凝土原理及相关研究成果

1.1超高性能混凝土原理

超高性能混凝土属于水泥基复合材料，它是通过组成材料颗粒级配而形成的，材料均匀分布达到最佳状态。近年来，国内外学者、专家针对超高性能混凝土耐久性和力学性能展开了大量研究，且取得一定成果。但是，关于往往忽略了制备方法研究，更是找不到关于其搅拌工艺的研究。从学术角度上看，超高性能混凝土文献是比较少的，并且该材料运用、研究仍处于初级阶段，尚未达成普及，过于复杂的制备工艺对其发展产生制约性影响。

1.2研究成果

超高性能混凝土的原材料有诸多种类，各类原材料分布、比例等对混凝土耐久性及力学性能具有直接影响。因此，研究超高性能混凝土搅拌工艺过程中，要积极寻求制备优化方式，者具有重要的科学意义与工程应用价值。研究人员试验中，试验结果显示，利用水泥裹砂法为代表的多步制备工艺，能够促进混凝土抗压强度、抗碳化性的提高，并且增强其冻融性，最终这一理论被证实；还有相关报导显示，利用水泥裹砂法能够使混凝土氯离子的抗渗性能得到显著改善^[1]。但是，现今关于混凝土制备工艺的研究主要体现在普通混凝土和高强混凝土上，关于强度等级在150-200MPa的超高性能混凝土制备工艺研究十分罕见，可供参考的实验参数较少，相应制备工艺和搅拌设备只有三两种，加上配比设计中，设计者没有联系制备设施与原材料综合考虑，所以导致超高性能混凝土存在质量问题，希望通过超高性能混凝土制备方法研究，尝试提出建议。

2. 试验方案

2.1试验基本材料

首先，凝胶材料包括微硅粉、硅酸盐水泥，其中微硅粉产地为山东省，水泥产地在珠江地区，其二氧化硅含量在98％以上；硅砂和石英粉组成了骨料，其中硅砂产地为江门市，其二氧化硅含量在96％以上，98％以上，含水量小于2％，呈现黄色颗粒状或粉末状形态，硅砂级配曲线（如图一所示）。基于最密实堆积理论与试配试验结果下，本试验将硅砂筛分成0.8-0.4、0.4-0.21、0.21-0.12mm三个层级粒径范围，并且按照3：3:1质量比混合使用。石英粉作为填充材料，介于胶凝材料和骨料之间，平均粒径约为0.045mm^[2]。

图一 硅砂级配曲线图

2.2配比设计与样品制备、养护方式

本试验目标是科学制备抗压强度超高150MPa的超高性能混凝土，基于前期试配基础上，共采用三种搅拌工艺各两种搅拌设施，最终制备了四组超高性能混凝土试件。制备过程中，由于原料拌和过程中粉末材料众多，所以要注意投料顺序和搅拌程序，一旦程序颠倒，则会对混凝土浆料均匀性及其流动性造成影响，三种工艺具体流程分别如图一所示。工艺具体操作如下所示：

图一 超高性能混凝土制备工艺流程图

（1）工艺1：首先，将胶凝材料和石英砂加入到搅拌机中，随后加入硅砂，搅拌5秒，减水剂通过同掺法，搅拌的同时加入水和配成溶液的减水剂，4秒后停止搅拌机运行，进行二次搅拌，将挂在搅拌机壁和搅拌叶上的粉末材料刮下来，再次启动搅拌机，搅拌所有材料4秒，最后搅拌同时慢慢放入钢纤维。

（2）工艺2：水泥裹砂法也属于二次搅拌法，实践中首先加入硅砂和一半用水量，目的是为了调节硅砂含水率。之后将胶凝材料和石英粉加入其中，进而硅砂表面依附着胶凝材料，一层胶凝浆壳形成，基于此，水化期间骨料-凝胶体交界面粘结力进一步提高

^[3]。

（3）工艺3：传统制备背景下，单次投料搅拌法是较为常见的制备方式，其工艺和操作流程和工艺1相似，但没有手工搅拌环节，也没有刮出挂在搅拌机壁和搅拌叶的粉末材料步骤。从整体上来看，该搅拌方法不够完整。

超高性能混凝土配合比设计与试验结果（如表一所示）。

表一 超高性能混凝土配合比设计与试验表

注：组名中J字母代表变量为搅拌工艺；5-15指的是采用5L水泥胶砂搅拌机与15L单轴卧式搅拌机；1、2、3分别对应工艺1、工艺2、工艺3.

由此可见，超高性能混凝土制备过程中，粉末材料包括微硅粉、水泥、硅砂、石英粉，胶凝材料有水泥和微硅粉两种。为了探究和比较不同制备方式与相应设备对混凝土工作强度的影响，试验中采用5L容量的水泥胶砂搅拌机和15L的单轴卧式混凝土搅拌机进行操作，搅拌工作严格遵守相关规定进行，之后检测混凝土流动性。同时，将搅拌后的拌合物分为三次倒入模具中，每次倒总体积的三分之一，经过60秒的振动处理，用薄膜覆盖住样品表面，以防样品由于水分蒸发而干裂，将其安置在室外1d后拆模。最后，为了提高混凝土样品强度与其他性能，试验中所有试件均采取高温蒸汽方法进行养护。

3.试验结果分析

上文中列出了几种制备工艺，其中通过工艺2搅拌形成的超高性能混凝土流动性及抗压强度比工艺1低，说明工艺2方式不适用于超高性能混凝土的制备。这是由于试验中混凝土中硅砂组成骨料，加上机制硅砂自身晶体纯度高、杂质少，进而吸水能力得不到保障而造成的。此外，即便先加入水，搅拌机内部和搅拌叶也会快速吸收这些水分，进而水分更少，对于水胶比在0.24以上的混凝土材料而言，自由水蒸发现象一旦发生，会导致流动度和实际水胶比降低，这也是搅拌不均匀的根本原因^[4]。工艺3比工艺1少了手工搅拌工序，采取工艺3搅拌，形成的混合物水胶比过大，其流动度也高于工艺1，这是因为工艺3制备过程中，很多粉末贴在搅拌机壁和搅拌叶上造成的，最终导致超高性能混凝土拌合物凝胶材料量达不到预期量，其抗压强度也大打折扣。由此可见，超高性能混凝土制备期间，采用工艺1较为合理，其保留传统二次搅拌工艺基础上，进一步提高了搅拌质量和效率，有利于增强混凝土黏结强度与抗压强度。

总结语：

综上所述，为了研究不同制备工艺对超高性能混凝土工作性能的影响，本文开展了试验研究，以强度等级为150-200MPa的超高性能混凝土为研究对象。通过本次试验了解到，利用比表面积大的硅砂作为骨料，制备混凝土，若水胶比较低，则交班中水分减少对其工作性能会造成较大影响，这个时候采用本文中工艺1制备更为合理，制备时必须严格控制水胶比，确保原材料搅拌均匀性，这是提高超高性能混凝土品质性能的关键。

参考文献：

[1]梁慧敏. 论优化高性能混凝土配合比的具体措施研究[J]. 建筑·建材·装饰, 2020, 000(007):159,164.

[2]李家胜. 降粘剂在C60和C80超高强混凝土中的应用研究[J]. 商品混凝土, 2019, 000(002):35-38.

[3]龚远, 李国新, 王小亮. 透水混凝土制备工艺研究[J]. 建材发展导向（下）, 2019, 017(006):101-104.

[4]许毓海, 王明远, 赵金三. 不同分选工艺铅锌尾砂制备混凝土及性能研究[J]. 商品混凝土, 2019(06):73-76.