桥梁用UHPC配合比

美国联邦公路管理局研究和技术
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超高性能混凝土：桥梁领域的最新报告(节选) 第 2 章材料与生产 构成材料及配合比

UHPC 配方通常由硅酸盐水泥、细砂、硅粉、高效减水剂 (HRWR)、纤维（通常是钢）和水组成。有时使用小骨料，以及各种化学外加剂。根据应用和供应商的不同，可以使用这些材料的不同组合。本节描述了其中一些。

在北美最常用于研究和应用的 UHPC 是一种商业产品，称为 Ductal®。表 1 显示了这种材料的典型成分。(22)

表 1. Ductal® 的典型成分 材料 磅/码3 公斤/米3 重量百分比 硅酸盐水泥 1,200 712 28.5 细沙 1,720 1,020 40.8 微硅粉 390 231 9.3 磨砂石英 355 211 8.4 HRWR 51.8 30.7 1.2 加速器 50.5 30.0 1.2 钢纤维 263 156 6.2 水 184 109 4.4

Aarup 报告说，CRC 由奥尔堡波特兰公司于 1986 年开发，由大量钢纤维（体积百分比为 2% 至 6%）、大量硅粉和水胶比为 0.16 或更低组成。(23)

为与市售成分材料一起使用，制定了以下混合比例建议：(24)

• 中等细度和 C 3 A 含量显着低于 8% 的水泥。

• 最大粒径为 0.8 毫米（0.03 英寸）的砂水泥比为 1.4。

• 含碳量极低的硅粉，占水泥重量的 25%。

• 中值粒径为 67 x 10 -6英寸（1.7 µm）的玻璃粉，占水泥重量的 25%。

• 高效减水剂。

• 水灰比约为0.22。

• 钢纤维含量为 2.5%（按体积计）。

通过优化水泥基质的抗压强度、堆积密度和流动性；使用非常高强度、细直径的钢纤维；并调整钢纤维和水泥基体之间的机械结合，在 2 英寸（50 毫米）的立方体上实现了超过 30 ksi（200 MPa）的 28 天抗压强度，无需加热或加压固化。(25)此外，在 0.46% 的应变下获得了 5.0 ksi (34.6 MPa) 的抗拉强度。UHPC 结合了美国可用的材料，并在传统的混凝土搅拌机中混合。表2给出了一种混合比例。

表 2. CRC 的 UHPC 混合比例（按重量计）(25) 材料 比例 硅酸盐水泥 1.0 细砂1 0.92 微硅粉 0.25 玻璃粉 0.25 HRWR 0.0108 钢纤维 0.22 至 0.31 水 0.18 至 0.20 1最大尺寸为 0.008 英寸（0.2 毫米）

哈贝尔等人。据报道，可以生产用于预制产品和现场浇铸 (CIP) 应用的自固结 UHPC，而无需在固化过程中进行热处理或压力处理。(26)这种混合设计在 Kazemi 和 Lubell 进行的研究项目中得到进一步发展和实施。(27)

Holschemacher 和 WeiŞl 研究了不同的混合比例，以在不牺牲 UHPC 有益特性的情况下最大限度地降低材料成本。(28)通过仔细选择骨料、水泥类型、胶凝材料、惰性填料和 HRWR，可以生产出具有良好和易性和适中材料成本的 UHPC。

Plank 等人研究了结合不同大小的分子混合物以促进 UHPC 分散的概念。(29)

已经研究了用偏高岭土、粉煤灰、石灰石微填料、硅质微填料、微粉化酚石或稻壳灰替代 UHPC 中的硅粉的可能性。(30,31)还追求使用当地材料而不是专有产品。(32,33)

施密特等人。报道了德国一座桥梁的两种混合比例。(34)第一种混合物包含 1,854 lb/yd 3 (1,100 kg/m 3 ) 的水泥、占水泥含量百分比为 26% 的硅粉、石英砂、体积百分比为 6% 的钢纤维、HRWR 和水-粘合剂比为0.14。第二种混合物包含 2,422 lb/yd 3 (1,437 kg/m 3 ) 的水泥和 9% 的钢丝绒和钢纤维。

Collepardi 等。据报道，用等体积的最大尺寸为 0.3 英寸（8 毫米）的级配良好的天然骨料代替细磨石英砂，在相同的水灰比下不会改变抗压强度。(35)

科波拉等人。研究了高效减水剂类型对抗压强度的影响。他们报告说，与萘和三聚氰胺外加剂相比，丙烯酸聚合物外加剂允许使用较低的水灰比并产生更高的抗压强度。(36)

在 UHPC 的耐久性研究中，Teichmann 和 Schmidt 使用了表 3 中所示的混合比例。(37)混合 1 的最大骨料尺寸为 0.32 英寸（8 毫米），由沙子提供。混合物 2 的最大骨料尺寸为 0.32 英寸（8 毫米），由玄武岩提供。

表 3. Teichmann 和 Schmidt (37)的 UHPC 混合比例 材料 混合 1 混合 2 磅/码3 公斤/米3 磅/码3 公斤/米3 水泥 1,235 733 978 580 硅粉 388 230 298 177 优质石英 1 308 183 503 131 优质石英 2 0 0 848 325 HRWR 55.5 32.9 56.2 33.4 沙 1,699 1,008 597 354 玄武岩 0 0 1,198 711 钢纤维 327 194 324 192 水 271 161 238 141 水胶比 0.19 0.19 0.21 0.21

美国陆军工程兵团工程师研发中心的研究人员报告了一种称为 Cor-Tuf 的 UHPC 级材料。(38,39)此 UHPC 的比例如表 4 所示。

表 4. Cor-Tuf 的 UHPC 混合重量比例(38,39) 材料 比例 硅酸盐水泥 1.0 沙 0.967 硅粉 0.277 微硅粉 0.389 HRWR 0.0171 钢纤维 0.310 水 0.208

由 Rossi 领导的巴黎中央桥路实验室 (LCPC) 的研究人员开发了一种称为 CEMTEC多尺度的 UHPC 级材料。(40)该 UHPC 的比例如表 5 所示。

表 5. CEMTEC多尺度(40)的 UHPC 混合比例 材料 磅/码3 公斤/米3 硅酸盐水泥 1,770 1,050 沙 866 514 微硅粉 451 268 HRWR 74 44 钢纤维 1,446人 858 水 303 180 混合和放置

Graybeal 对 UHPC 的混合总结如下：

几乎任何传统的混凝土搅拌机都可以搅拌 UHPC。但是，必须认识到，与传统混凝土相比，UHPC 需要增加能量输入，因此混合时间会增加。这种增加的能量输入，结合减少或消除的粗骨料和低含水量，需要使用改进的程序来确保 UHPC 在混合过程中不会过热。这个问题可以通过使用高能混合器或降低成分的温度并部分或全部用冰代替混合水来解决。这些程序使 UHPC 可以在传统的盘式和滚筒式搅拌机（包括预拌卡车）中进行混合。（第 2 页）(1)

UHPC 的混合时间为 7 至 18 分钟，比传统混凝土的混合时间长得多。(41,42)这阻碍了连续生产过程并降低了混凝土厂的产能。可以通过优化粒度分布、硅粉替代水泥和石英花、匹配HRWR和水泥的类型以及提高搅拌机的速度来减少搅拌时间。(42)通过将混合过程分成两个阶段也可以减少混合时间。高速混合 40 秒后低速混合 70 秒，总时间约为 2 分钟。(41)

放置 UHPC 的方法对纤维的取向和分散有影响。(43)取向不影响第一次开裂载荷，但对弯曲时的极限抗拉强度有高达 50% 的影响。当沿测得的抗拉强度方向放置时，可获得最高强度。斯蒂尔等人。报告了在三点弯曲测试中水平和垂直铸造梁之间的显着差异。(44)垂直浇铸梁中的纤维在垂直于浇铸方向的层中对齐。结果，劈裂强度和抗弯强度仅为水平浇注梁相应值的 24% 和 34%。然而，在 39 英寸（1 米）厚的板中，纤维是随机排列的。纤维的取向对抗压强度和弹性模量没有显着影响。

Graybeal 总结了 UHPC 的布局如下：

UHPC 的放置可能会在混合后立即放置，也可能会在其他混合完成后延迟放置。尽管水泥水化反应开始前的停留时间会受到温度和化学促进剂等因素的影响，但通常需要数小时才能开始 UHPC 凝固。在延长停留时间期间，不应允许 UHPC 自行干燥。

纤维增强混凝土的浇筑需要在浇筑操作方面进行特殊考虑。UHPC 往往表现出类似于传统自密实混凝土的流变行为，因此可能需要额外的模板准备，但也可以减少浇筑过程中的工作量。由于纤维增强，不推荐 UHPC 的内部振动，但可以采用有限的外部形式振动作为促进夹带空气释放的手段。（第 3 页）(1)

对于弗吉尼亚州里士满 Cat Point Creek 上的 624 号公路桥上使用的 UHPC 梁，承包商必须使用经过预审的 UHPC 生产工厂，并且 UHPC 生产商的代表必须在场。(45) UHPC 在 8-yd 3 (6-m 3 ) 双轴搅拌机中以 4-yd 3 (3-m 3 ) 批次混合，并卸入预拌混凝土卡车进行运输。装载混合物、混合 UHPC 和排出混合器需要大约 20 到 25 分钟。

从卡车上卸下时，在混合物中观察到水泥球。这归因于袋子在储存期间暴露于水分。将混合物排放到梁的一端并使其流动。仅施加有限的外部振动 1 或 2 秒。

养护

UHPC 的固化考虑了两个不同的因素，特别是温度和湿度。与任何水泥复合材料一样，保持适当的温度对于实现所需的水泥反应速率至关重要。此外，鉴于 UHPC 的含水量较低，通过密封系统或保持高湿度环境来消除内部水分流失也很关键。

UHPC 的固化分两个阶段进行。(1,46)鉴于 UHPC 在初始凝固之前往往会表现出休眠期，因此初始固化阶段包括保持适当的温度，同时防止水分流失，直到发生凝固并发生快速的机械性能增长。第二固化阶段可能包括也可能不包括升高的温度条件和高湿度环境，这取决于是否需要加速获得特定材料特性。

Graybeal 报告了一个广泛的项目，该项目使用四种不同的固化后固化程序来确定 UHPC 的材料特性。(22)这些涉及在 194 °F (90 °C) 或 140 °F (60 °C) 下进行 48 小时的蒸汽养护，在铸造后约 24 小时开始；在 194 °F (90 °C) 下进行蒸汽养护，标准养护 15 天后开始；并在标准实验室温度下固化直至测试年龄。

这三种蒸汽养护方法提高了测得的压缩强度和弹性模量，减少了蠕变，几乎消除了干燥收缩，降低了氯离子渗透性，并提高了耐磨性。通过较低的蒸汽温度和延迟的蒸汽固化实现的增强略小于通过在较高温度下的蒸汽固化实现的。在 194 °F (90 °C) 下蒸汽固化 24 小时后的样本在铸造后 4 天内达到了它们的完全抗压强度。本报告第 3 章介绍了测试结果的更多详细信息。

Graybeal 最近的工作重点是表征环境固化 UHPC 的性能。(47)这项研究源于这样一种认识，即在蒸汽环境中加速固化通常是不切实际的，而且 UHPC 的环境固化特性适用于许多应用。

Ay 比较了通过以下三种方法固化的 4 英寸（100 毫米）立方体的抗压强度：(48)

• 在水中固化直至测试前 1 小时。

• 在水中固化 5 天，然后进行空气固化。

• 将立方体密封在塑料布中，然后将它们储存在 68 °F (20 °C) 的温度下直至进行测试。

存储在水中然后空气固化的 UHPC 立方体的抗压强度略高于通过其他两种方法固化的立方体。

UHPC 的抗压强度可以通过使用后固化热固化显着提高。(49) Heinz 和 Ludwig 表明，在 149 和 356 °F（65 和 180 °C）之间的不同温度下进行的热固化产生的 28 天抗压强度高达 41 ksi（280 MPa），而强度为 25 和 27 ksi （178 和 189 MPa）在 68 °F (20 °C) 下固化时。较高的固化温度导致较高的抗压强度。此外，浇注后约 48 小时固化期结束时的强度与相应的 28 天强度大致相同。作者还得出结论，在 194 °F (90 °C) 下固化不会出现钙矾石延迟形成的危险。(49)

沙钦格等人。观察到在 68 °F (20 °C) 下初始固化 5 天，然后在 122 至 149 °F（50 至 65 °C）下进行热固化，是在长达 28 天时达到高强度的最有利组合. (50)在 6 至 8 岁时达到了 36 至 43.5 ksi（250 至 300 MPa）范围内的抗压强度。

亨氏等。在 68 °F（20 °C）下储存 8 小时，然后在 194 °F（90 °C）水中储存 8 小时后，24 小时后的抗压强度高于 29 ksi（200 MPa）。(51)当 UHPC 中包含磨碎的高炉矿渣时，较长的初始储存或热处理时间会导致较高的强度。作者通过加入飞灰并在 300 °F (150 °C) 下对 UHPC 进行 8 小时高压灭菌获得了最高强度。

马西达等人。表明，与在 68 °F (20 °C) 下固化的样品相比，在 356 °F (180 °C) 和 145 psi (1 MPa) 的温度下用饱和蒸汽进行高压灭菌会产生更高的抗压强度和抗弯强度。(52)

质量控制测试

在美国，UHPC 的质量控制测试通常使用与常规混凝土或砂浆相同或相似的测试，无论是否进行改性。测量新鲜和硬化混凝土的性能。

UHPC 的流量经常使用 ASTM C1437（水硬性水泥砂浆流量的标准测试方法）进行测量。(1,53)该测试方法适用于表现出塑性到流动性的砂浆，因此它通常适用于新鲜的 UHPC。在此测试中，测量初始流量和动态流量。混合后立即完成测试，以评估混合物之间的一致性和铸造的适用性。(1)在 Cat Point Creek 上的 24 号公路桥上，要求最小动态流量为 9 英寸（230 毫米）以获得令人满意的可操作性。(45)

由于针对不同应用开发了不同版本的 UHPC，因此需要进行替代的可操作性测试。对于更硬的非自固结 UHPC，ASTM C143 – 水硬水泥混凝土坍落度标准测试方法可能是合适的。(54) Scheffler 和 Schmidt 报告说，为路面铺白面等应用开发硬质 UHPC 配方是可行的。(55)

UHPC 的初始和最终凝固时间可能比许多传统水泥材料观察到的时间更长。凝固时间受固化温度的影响很大。(47) Graybeal 使用美国国家公路和运输官员协会 (AASHTO) T 197 抗穿透性测试方法测量了不同 UHPC 配方的初始凝固时间，范围从 70 分钟到 15 小时不等。(22,56,57)相应的终凝时间为 5 至 20 小时。

UHPC 的抗压强度测试经常使用 ASTM C39 的修改版本完成 – 圆柱形混凝土试样抗压强度的标准测试方法。(58)修改测试方法以包括增加 150 psi/秒（1 MPa/秒）的负载率，以响应 UHPC 表现出的高抗压强度。(47)适当的气缸端准备很重要，因为不平坦或不平行的端面会导致观察到的抗压强度降低。(1)早期抗压强度低于 12 ksi 的圆柱体的端面准备可以使用多种方法完成，包括根据 ASTM C617 加盖。(1,47,59)强度较高的圆柱体应将端部磨削至 0.5 度以内。(58)

较小的圆柱体已被证明可提供与传统尺寸圆柱体相当的强度。Graybeal 报告说，3 x 6 英寸（76 x 152 毫米）圆柱体表现出与 4 x 8 英寸（102 x 203 毫米）圆柱体相似的强度，同时允许使用显着降低的测试机容量。(22,60)不推荐使用 2 x 4 英寸（51 x 102 毫米）的圆柱体，因为结果中出现的离散度增加。

研究表明，ASTM C109——水硬水泥砂浆抗压强度的标准测试方法（使用 2 英寸（50 毫米）立方体试样）也可应用于 UHPC。(61) Graybeal 报告说，2 英寸、2.8 英寸和 4 英寸立方体的抗压强度比 3 x 6 英寸和 4 x 8 英寸（76 x 152 -mm 和 102- x 203-mm) 圆柱体。(22,60) Alhborn 和 Kollmorgen 也报告了类似的发现。(62)

在爱荷华州波塔瓦托米县 Keg Creek 上的美国 6 号公路桥上，UHPC 用于混凝土面板之间的纵向和横向接缝。(63)该项目的特殊规定要求承包商铸造 12 个 75 x 150 毫米（3 x 6 英寸）的圆柱体，用于验证混凝土的抗压强度。(64)将测试三个气缸以在 96 小时时验证 10.0 ksi（69 MPa），三个在打开桥梁时验证 15.0 ksi（103 MPa），以及三个在 28 天。其余三个标本作为备用。要求试样的末端磨平至 1 度平面度。

对于现场铸造的 UHPC 接头，纽约州交通部 (NYSDOT) 还要求铸造 12 个 3 x 6 英寸（75 x 150 毫米）的圆柱体，以三个为一组进行测试。(65) 4 天测试一套，28 天测试一套，一套提供给 NYSDOT，一套作为备用。

对于拟议的 UHPC 混合物的资格测试，NYSDOT 要求至少铸造 64 个 2 英寸（50 毫米）的立方体。测试年龄为 4、7、14 和 28 天。4 天时的最小抗压强度为 14.3 ksi（100 MPa），28 天时的最小抗压强度为 21.8 ksi（150 MPa）。

Frölich 和 Schmidt 研究了新鲜 UHPC 测试方法的可重复性和再现性。(66)他们观察到测量的新鲜特性值受测量时间、混合设备、实验室条件、操作员和空隙率的影响。作者得出结论，质量控制测试应在混合开始后 30 分钟进行，流动稠度应使用坍落度流动测试来测量。

材料和生产概要

UHPC的组成材料一般由硅酸盐水泥、细砂、石英粉、HRWR、促凝剂、钢纤维和水组成。作为一类，UHPC 具有高胶凝材料含量和非常低的水-胶凝材料比。超高性能混凝土可以在传统搅拌机中混合，但超高性能混凝土的混合时间比传统混凝土长。放置UHPC的方法对纤维的取向和分散有影响，从而影响UHPC的拉伸性能。UHPC 的特性受固化方法、持续时间和固化类型的影响。与传统混凝土一样，热固化加速了强度和相关性能的发展。延迟几天加热可以提高测量的性能，尽管它可能与预制操作中的快速生产不兼容。较小尺寸的圆柱体已用于质量控制以测量抗压强度。

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