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摘要：本文从最紧密堆积理论出发提出一种超高性能混凝土配比设计方案，并对粉煤灰以及矿粉、礁石粉在该超高性能混凝土流变性、抗压强度、水化反应等性能作用上的影响进行研究，结果显示：混凝土配制过程中，矿粉加入能够是超高性能混凝土塑性黏度最大降低到3.05Pa·s，同时混凝土流动度增加至302mm，混凝土早期与后期抗压强度明显提高，分别为94MPa、119 MPa，且矿粉、礁石粉、粉煤灰加入能够延迟混凝土的水化反应及作用，并降低环境作用和影响。
关键词：超高性能；混凝土；最紧密堆积理论；研究
在社会经济发展推动下，工程建设的规模及数量不断增加，工程质量要求不断提高。混凝土施工作为工程项目施工建设中主要部分，以公路桥梁工程为例，随着道路交通事业发展的推动，公路桥梁施工情况日益复杂，工程规模不断增加，桥梁结构的功能要求不断提升，导致对公路桥梁工程的混凝土施工质量与性能要求也越来越高，在这种情况下，进行超高性能混凝土研究，不断优化混凝土配合比，提升混凝土强度性能，以满足工程施工建设的要求，具有十分积极的作用和意义。下文将结合最紧密堆积理论，提出一种超高性能混凝土配制方案，通过采用矿粉、粉煤灰、礁石粉部分替代水泥进行混凝土配制，以改善其抗压强度与流变性、水化反应等作用性能，并对其具体设计及可行性进行试验分析和验证，以供参考。
1、试验分析
1.1 试验材料
该超高性能混凝土配制及性能试验中，所应用材料包括水泥（P·Ⅱ52.5R型号水泥）、硅灰（成都某企业生产）、砂（粒径为0-0.6mm和0.6-1.25mm的天然净河砂）、洁净自来水、礁石粉（主要组成成分包含文石、高镁方解石等）、减水剂（聚羧酸高效减水剂、减水率40%）。
根据上述试验材料，本文所提出的超高性能混凝土配制方案中，为确保配制混凝土性能得到较高的改善和优化，具备可靠的力学性能，从最紧密堆积理论出发，通过对其堆积骨架尽可能密实设计保障，实现混凝土配制的配合比设计，并在试验过程中对不同粉体组成的调整以达到尽可能接近目标曲线的目的，实现最紧密堆积状态，如下式（1）所示，即为Andersen紧密堆积模型。
（1）
上示紧密堆积理论模型中，表示累积晒下颗粒的百分比含量，而表示粒径，、则表示最大与最小粒径，是分布系数。根据上述紧密堆积模型，在不同的分布系数下能够实现不同体系的混凝土材料配比设计，其中分布系数对混凝土配制组成体系中细骨料与粗骨料的占比具有决定性作用，本文所设计的超高性能混凝土中对细骨料使用量相对较高，因此，其配合比设计中，值为0.023。此外，Andersen紧密堆积模型对不同粉体组成调整以达到接近目标曲线目的，实现最紧密堆积状态的具体调整与堆积曲线变化结果如下图1所示。
在上图1中，曲线Target与Mix-Ref、Mix-GGBS、Mix-FA、Mix-Coral分别表示目标曲线与参照组、水泥粉煤灰组、水泥矿粉组、水泥礁石粉组的紧密堆积状态曲线变化效果。通过Andersen紧密堆积模型进行计算分析最终确定的超高性能混凝土配合比试验方案如下表1所示。
1.2试验方法
根据上表1所设计的超高性能混凝土配合比方案，在对不同配合比的混凝土流变性影响试验分析中，通过按照相应的配合比进行搅拌完成后静置30s，然后通过预剪切处理60s，速率控制为25s-1，完成后再进行静置60s，最后，控制在60s内从0逐渐匀速增加至25s-1后，再按照从25s-1匀速降低至0的方法对配制混凝土进行预剪切处理，以对不同配合比设计的混凝土流变性变化进行研究分析。
2、试验结果分析
首先，根据上文所述试验方法对不同配合比设计的混凝土进行剪切处理后，试验结果显示，该混凝土的流变性特征与典型胀流型流体特征一致，且其流变过程与Herschel-Bulkley模型相符合，并根据该模型推理分析出相应的塑性黏度计算公式，如下式（2）和（3）所示，分别为Herschel-Bulkley模型公式和流体塑性黏度计算公式。
（2）
（3）
上示公式中，表示的是流体的屈服应力，而表示的是剪切速率，为稠度系数，表示流变行为的参数，同时，塑性黏度计算公式中，表示流变测试中的最大剪切速率。根据该计算模型及公式对不同配合比设计下混凝土配制试验中有关参数进行计算确认后，最终得出：参照组塑性黏度为4.76Pa·s、水泥粉煤灰组、水泥矿粉与水泥礁石粉组塑性黏度分别为5.34、3.05和6.52 Pa·s，并且各组混凝土的流变行为学参数值均大于1。根据该结果可以看出，与参照组相比，水泥粉煤灰组粉煤灰的的加入，使混凝土浆体的屈服应力与塑性黏度均得到提升，而水泥矿粉组与水泥礁石粉组浆体屈服应力变化差别不大，分别为3.85和3.86Pa，但是矿粉加入使混凝土浆体的塑性黏度明显降低，且在各组之间达到最小为3.05 Pa·s，与参照组相比降低约36%，这与矿粉表面ζ电位较高，导致浆体分散性更加显著，起到降低浆体塑性黏度效果。如下图2所示，即为不同配合比设计的混凝土流动度试验结果。根据该图可以看出水泥粉煤灰组浆体流动度最大，其次为水泥矿粉组，均高于参照组，而水泥礁石粉组的浆体流动度则小于参照组。这是由于水泥粉煤灰组粉煤灰加入，使得粉煤灰中含有的大量玻璃微珠的滚珠轴承作用造成浆体流动阻力降低，從而流动度大大提升，而水泥矿粉组矿粉的加入使其表面较高的ζ电位增加了浆体的分散性，从而使其流动度与参照组对比较高。
此外，对不同配合比混凝土进行3d、7d和28d抗压强度测试后结果显示，与参照组对比，水泥矿粉组混凝土3d与28d抗压强度明显提升，而粉煤灰与礁石粉组混凝土3d抗压强度与参照组对比分别降低14.5%和10.2%，这是由于矿粉加入能够使矿粉颗粒参加混凝土早期硬化结构成分变化，在水化反应中形成纤维状C-S-H凝胶，其致密度与稳定性明显要比水泥水化的C-S-H凝胶高，因此，能够明显提升混凝土的抗压强度，而粉煤灰的早期活性较低，导致二次水化反应延迟，礁石粉加入后则导致水泥含量降低，因此混凝土早期抗压强度明显降低。此外，矿粉、礁石粉、粉煤灰加入能够延迟混凝土的水化反应及作用，并降低环境作用和影响。如下图3所示，为不同配合比混凝土水化放热速率与水化放热总量的时间关系变化曲线。
3、结束语
总之，进行超高性能混凝土配合比设计与性能研究，有利于促进混凝土配合比设计不断优化提升，从而提高混凝土的各项性能质量，满足工程建设的质量与结构性能要求，具有十分显著的作用和意义。
参考文献：
[1]朋改非，杨娟，石云兴.超高性能混凝土高温后残余力学性能试验研究[J].土木工程学报，2017，50（04）：73-79.
[2]朋改非，杨娟，石云兴，等.超高性能混凝土抗高温爆裂性能试验研究[J].建筑材料学报，2017，20（02）：229-233.
[3]万朝均，尹亚柳，王小茜，等.超高性能混凝土的制备[J].硅酸盐通报，2015，34（12）：3676-3681.
关键词：超高性能；混凝土；最紧密堆积理论；研究
在社会经济发展推动下，工程建设的规模及数量不断增加，工程质量要求不断提高。混凝土施工作为工程项目施工建设中主要部分，以公路桥梁工程为例，随着道路交通事业发展的推动，公路桥梁施工情况日益复杂，工程规模不断增加，桥梁结构的功能要求不断提升，导致对公路桥梁工程的混凝土施工质量与性能要求也越来越高，在这种情况下，进行超高性能混凝土研究，不断优化混凝土配合比，提升混凝土强度性能，以满足工程施工建设的要求，具有十分积极的作用和意义。下文将结合最紧密堆积理论，提出一种超高性能混凝土配制方案，通过采用矿粉、粉煤灰、礁石粉部分替代水泥进行混凝土配制，以改善其抗压强度与流变性、水化反应等作用性能，并对其具体设计及可行性进行试验分析和验证，以供参考。
1、试验分析
1.1 试验材料
该超高性能混凝土配制及性能试验中，所应用材料包括水泥（P·Ⅱ52.5R型号水泥）、硅灰（成都某企业生产）、砂（粒径为0-0.6mm和0.6-1.25mm的天然净河砂）、洁净自来水、礁石粉（主要组成成分包含文石、高镁方解石等）、减水剂（聚羧酸高效减水剂、减水率40%）。
根据上述试验材料，本文所提出的超高性能混凝土配制方案中，为确保配制混凝土性能得到较高的改善和优化，具备可靠的力学性能，从最紧密堆积理论出发，通过对其堆积骨架尽可能密实设计保障，实现混凝土配制的配合比设计，并在试验过程中对不同粉体组成的调整以达到尽可能接近目标曲线的目的，实现最紧密堆积状态，如下式（1）所示，即为Andersen紧密堆积模型。
（1）
上示紧密堆积理论模型中，表示累积晒下颗粒的百分比含量，而表示粒径，、则表示最大与最小粒径，是分布系数。根据上述紧密堆积模型，在不同的分布系数下能够实现不同体系的混凝土材料配比设计，其中分布系数对混凝土配制组成体系中细骨料与粗骨料的占比具有决定性作用，本文所设计的超高性能混凝土中对细骨料使用量相对较高，因此，其配合比设计中，值为0.023。此外，Andersen紧密堆积模型对不同粉体组成调整以达到接近目标曲线目的，实现最紧密堆积状态的具体调整与堆积曲线变化结果如下图1所示。
在上图1中，曲线Target与Mix-Ref、Mix-GGBS、Mix-FA、Mix-Coral分别表示目标曲线与参照组、水泥粉煤灰组、水泥矿粉组、水泥礁石粉组的紧密堆积状态曲线变化效果。通过Andersen紧密堆积模型进行计算分析最终确定的超高性能混凝土配合比试验方案如下表1所示。
1.2试验方法
根据上表1所设计的超高性能混凝土配合比方案，在对不同配合比的混凝土流变性影响试验分析中，通过按照相应的配合比进行搅拌完成后静置30s，然后通过预剪切处理60s，速率控制为25s-1，完成后再进行静置60s，最后，控制在60s内从0逐渐匀速增加至25s-1后，再按照从25s-1匀速降低至0的方法对配制混凝土进行预剪切处理，以对不同配合比设计的混凝土流变性变化进行研究分析。
2、试验结果分析
首先，根据上文所述试验方法对不同配合比设计的混凝土进行剪切处理后，试验结果显示，该混凝土的流变性特征与典型胀流型流体特征一致，且其流变过程与Herschel-Bulkley模型相符合，并根据该模型推理分析出相应的塑性黏度计算公式，如下式（2）和（3）所示，分别为Herschel-Bulkley模型公式和流体塑性黏度计算公式。
（2）
（3）
上示公式中，表示的是流体的屈服应力，而表示的是剪切速率，为稠度系数，表示流变行为的参数，同时，塑性黏度计算公式中，表示流变测试中的最大剪切速率。根据该计算模型及公式对不同配合比设计下混凝土配制试验中有关参数进行计算确认后，最终得出：参照组塑性黏度为4.76Pa·s、水泥粉煤灰组、水泥矿粉与水泥礁石粉组塑性黏度分别为5.34、3.05和6.52 Pa·s，并且各组混凝土的流变行为学参数值均大于1。根据该结果可以看出，与参照组相比，水泥粉煤灰组粉煤灰的的加入，使混凝土浆体的屈服应力与塑性黏度均得到提升，而水泥矿粉组与水泥礁石粉组浆体屈服应力变化差别不大，分别为3.85和3.86Pa，但是矿粉加入使混凝土浆体的塑性黏度明显降低，且在各组之间达到最小为3.05 Pa·s，与参照组相比降低约36%，这与矿粉表面ζ电位较高，导致浆体分散性更加显著，起到降低浆体塑性黏度效果。如下图2所示，即为不同配合比设计的混凝土流动度试验结果。根据该图可以看出水泥粉煤灰组浆体流动度最大，其次为水泥矿粉组，均高于参照组，而水泥礁石粉组的浆体流动度则小于参照组。这是由于水泥粉煤灰组粉煤灰加入，使得粉煤灰中含有的大量玻璃微珠的滚珠轴承作用造成浆体流动阻力降低，從而流动度大大提升，而水泥矿粉组矿粉的加入使其表面较高的ζ电位增加了浆体的分散性，从而使其流动度与参照组对比较高。
此外，对不同配合比混凝土进行3d、7d和28d抗压强度测试后结果显示，与参照组对比，水泥矿粉组混凝土3d与28d抗压强度明显提升，而粉煤灰与礁石粉组混凝土3d抗压强度与参照组对比分别降低14.5%和10.2%，这是由于矿粉加入能够使矿粉颗粒参加混凝土早期硬化结构成分变化，在水化反应中形成纤维状C-S-H凝胶，其致密度与稳定性明显要比水泥水化的C-S-H凝胶高，因此，能够明显提升混凝土的抗压强度，而粉煤灰的早期活性较低，导致二次水化反应延迟，礁石粉加入后则导致水泥含量降低，因此混凝土早期抗压强度明显降低。此外，矿粉、礁石粉、粉煤灰加入能够延迟混凝土的水化反应及作用，并降低环境作用和影响。如下图3所示，为不同配合比混凝土水化放热速率与水化放热总量的时间关系变化曲线。
3、结束语
总之，进行超高性能混凝土配合比设计与性能研究，有利于促进混凝土配合比设计不断优化提升，从而提高混凝土的各项性能质量，满足工程建设的质量与结构性能要求，具有十分显著的作用和意义。
参考文献：
[1]朋改非，杨娟，石云兴.超高性能混凝土高温后残余力学性能试验研究[J].土木工程学报，2017，50（04）：73-79.
[2]朋改非，杨娟，石云兴，等.超高性能混凝土抗高温爆裂性能试验研究[J].建筑材料学报，2017，20（02）：229-233.
[3]万朝均，尹亚柳，王小茜，等.超高性能混凝土的制备[J].硅酸盐通报，2015，34（12）：3676-3681.