第41卷第3期2022年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.41㊀No.3March,2022
UHPC 浆体的工作性和流变性
与颗粒膜层厚度的关系
黄㊀静1，季文玉1，阎培渝2
(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京㊀100044;2.清华大学土木工程系，北京㊀100084)摘要：建立超高性能混凝土(UHPC)浆体的工作性和流变性之间的关系可从理论上研究其工作性变化规律㊂本文以颗粒膜层厚度为UHPC 浆体的工作性的综合衡量指标，设计了正交试验，研究水胶比㊁超细粉煤灰替代率和硅灰掺量对UHPC 浆体的工作性与流变性的影响㊂根据流动度和流变性测试结果，分析了水胶比和超细粉煤灰替代率的共同作用对UHPC 浆体的工作性与流变性的影响，探究了UHPC 的净浆与砂浆的工作性关系，基于浆膜层厚度给出了UHPC 砂浆的工作性与流变性的关系式㊂研究结果表明：水胶比是UHPC 浆体的工作性与流变性的最主要影响因素，水胶比㊁超细粉煤灰替代率和硅灰掺量提高均造成UHPC 浆体的颗粒表面膜层厚度增大；水胶比和超细粉煤灰替代率的共同作用下,UHPC 浆体的流动度和黏度系数具有相关性㊂
关键词:UHPC；超细粉煤灰；水膜层厚度；浆膜层厚度；工作性；流变性；水胶比
中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2022)03-0766-11
Relationship of Workability and Rheological Properties of UHPC Slurry and Film Thickness of Particles
HUANG Jing 1,JI Wenyu 1,YAN Peiyu 2
(1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.Department of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract :The varying principle of workability of ultra-high performance concrete (UHPC)slurry can be theoretically studied with the relationship of its workability and rheological properties.An orthogonal test was designed to study the effects of water-binder ratio (W /B),substituted rate of cement by superfine fly ash and silica fume content on the workability and rheological properties of UHPC slurry.The film thickness on particles was taken as the index to evaluate workability and rheological properties of UHPC slurry.According to the test results of workability and rheological properties,the combined effect of W /B and substituted rate of cement by superfine fly ash on the workability and rheological properties of UHPC slurry were analyzed,and the relationship of workability between paste and mortar was investigated.Bad on the film thickness on particles,the relationship between the workability and rheological properties of
UHPC mortar was established.The results show that W /B is the most important factor,and as W /B,substituted rate of cement by superfine fly ash and silica fume content substituted increa,the film thickness on particles increas.Flow spread and consistency coefficient of UHPC slurry are correlated due to the combined effect of W /B and substituted rate of cement by superfine fly ash.
Key words :UHPC;superfine fly ash;water film thickness;paste film thickness;workability;rheological property;water-binder ratio 收稿日期:2021-08-22；修订日期:2021-11-27
基金项目：国家自然科学基金(51878381)
作者简介：黄㊀静(1997 )，女，硕士研究生㊂主要从事超高性能混凝土方面的研究㊂E-mail:
通信作者：阎培渝，教授㊂E-mail:yanpy@tsinghua.edu
0㊀引㊀言近年来，超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)因具有优异的力学性能和耐久性能逐
㊀第3期黄㊀静等:UHPC浆体的工作性和流变性与颗粒膜层厚度的关系767
渐在实际工程中推广应用㊂然而新拌UHPC十分黏稠，流动速度慢，难以液化抹平，给浇筑带来一定困难㊂因此，研究新拌水泥基材料的工作性是十分必要的㊂
利用流变性参数可以深入研究新拌水泥基材料的工作性变化规律㊂研究者通过调整材料组分获得相应的工作性(流动性)与流变性的参数，再由数学拟合或分析模型得到两者的关系式；或者根据颗粒膜层厚度进行工作性分析[1-2]㊂Bartas[3]提出了混凝土的坍落度与屈服应力的关系式㊂Ferraris等[4]提出了适用于一定坍落度范围内的混凝土的塑性黏度与密度㊁坍落度及坍落时间的关系式㊂Rousl等[5]提出利用水泥基材料的流动度㊁浆体表面张力及流动度试验的水平表面接触角来估算屈服应力的方法㊂Tregger等[6]建立了胶凝材料净浆的流动度与屈服应力关系式和流动时长与塑性黏度或屈服应力的关系式㊂上述工作均未引入颗粒膜层厚度对浆体的工作性(流动性)与流变性的关系进行探讨㊂了解UHPC浆体的工作性与流变性的相关性，可以弥补其流动性测试与流变性测试各自的不足[7]㊂万磊
秋天的散文诗
Kwan等[8-9]给出了新拌水泥基材料具有良好工作性的颗粒膜层厚度的范围，说明可以通过颗粒膜层厚度研究水泥基材料的组分变化与工作性的关系㊂纤维对于UHPC的工作性影响很大，研究的第一步需要了解不含纤维的UHPC浆体的工作性的影响因素以及新拌UHPC浆体的工作性与流变性的关系，但该方面的研究目前还比较缺乏[10-11]㊂因而，本文设计了正交试验，通过调整水胶比㊁超细粉煤灰替代率和硅灰掺量，获得新拌UHPC浆体的流动度和黏度系数；还测定了颗粒膜层厚度，并基于颗粒膜层厚度建立了UHPC砂浆的工作性与流变性的关系式，分析了材料组分与UHPC砂浆工作性的关系；
同时还探究了UHPC的净浆与砂浆的工作性的关系，旨在为UHPC浆体的工作性的定性评估㊁工作性影响因素的定量表征提供参考㊂
1㊀实㊀验
1.1㊀原材料
肝肾阴虚的症状胶凝材料:P㊃Ⅰ42.5硅酸盐水泥，超细粉煤灰，加密硅灰㊂细骨料:0.212~0.125mm石英砂(QS-70), 0.850~0.425mm石英砂(QS-20)；使用时按20ʒ80(除特殊说明外，本文均采用质量比或质量分数)的比例混合㊂高效减水剂：巴斯夫公司生产的411聚羧酸高效减水剂，固含量为45%㊂胶凝材料的化学组成如表1所示㊂胶凝材料的密度㊁细骨料的堆积密度及各种材料的比表面积如表2所示㊂水泥的比表面积采用勃氏法测定，超细粉煤灰和加密硅灰的比表面积采用氮吸附法测定；细骨料的比表面积计算方法见1.2节㊂胶凝材料和细骨料的粒径分布如图1所示㊂
表1㊀胶凝材料的化学组成
Table1㊀Chemical composition of binders
Material Mass fraction/%
万字加一笔
CaO SiO2Al2O3Fe2O3MgO SO3K2O Na2O Cement63.2722.59 4.42 3.44 2.43 2.410.39 Superfine fly ash7.7158.1817.028.630.83 0.930.91 Silica fume0.2697.120.060.180.360.1 1.60.16
表2㊀胶凝材料的密度㊁细骨料的堆积密度及各种材料的比表面积
Table2㊀Density of binders,packing density of fine aggregates and specific surface area of materials
Type Cement Superfine fly ash Silica fume Fine aggregate
QS-70QS-20 Density/(g㊃cm-3) 3.15 2.47 2.24干部管理制度
Packing density/(g㊃cm-3) 1.79 1.69 Specific surface area/(m2㊃kg-1) 3.47ˑ102 3.69ˑ103 2.00ˑ10414.34 4.10
1.2㊀细骨料比表面积计算
根据石英砂的粒径分布按球形颗粒计算其等效比表面积，图2为细骨料的等效粒径分布图㊂根据图2和公式(1)~(2)，得到QS-70和QS-20的计算比表面积，结合表2的堆积密度，可得QS-70和QS-20的比表面积A QS70和A QS20分别为14.34m2/kg和4.10m2/kg㊂
768㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第41卷
SSA =ðj i =1
n i ˑ4πr 2i
=ðj i =1n i ˑπD 2i (1)n i =V i 4πr 3i /3=V i πD 3i /6(2)
式中:SSA 为石英砂的计算比表面积;r i 和D i 分别为两连续粒径石英砂的半径平均值和直径平均值;j 为连续粒径曲线被划分的等效粒径阶梯的个数;V i 为第i 个等效粒径阶梯的石英砂的体积分数，等于第i 个等效粒径阶梯与第i -1个等效粒径阶梯的纵坐标之差;n i 为第i 个等效粒径阶梯的等效颗粒数㊂
图1㊀胶凝材料和细骨料的粒径分布Fig.1㊀Particle size distribution of binders and fine aggrerates 图2㊀细骨料的等效粒径分布图
Fig.2㊀Equivalent particle size distribution of fine aggregates 1.3㊀试验方法1.3.1㊀正交试验设计采用正交表L9(34)安排试验，选取水胶比㊁超细粉煤灰替代率和硅灰掺量为试验因素(不考虑因素间交互作用，每个因素占有一列，正交表留有一个空白列)，变化范围分别为0.16~0.2㊁0%~40%㊁6%~10%㊂试验指标为颗粒表面的水膜层厚度(WFT)和浆膜层厚度(PFT)㊂为了探究超细粉煤灰替代水泥的效果，规定超细粉煤灰替代率=超细粉煤灰质量/(水泥质量+超细粉煤灰质量)㊂正交试验的变量与变化水平如表3所示,UHPC 砂浆的配合比如表4所示㊂高效减水剂掺量固定为0.8%,UHPC 砂浆的胶砂比(S /B)固定为1ʒ1㊂会场布置及布置图
表3㊀正交试验的变量与变化水平
Table 3㊀Factors and variational levels of the orthogonal test
Factor W /B (A)Substituted rate of cement by superfine fly ash (B)/%Silica fume content (C)/%Level 10.1606Level 20.18208Level 30.204010㊀㊀Note:B is the mass ratio of superfine fly ash to the total binders except silica fume;C is the mass ratio of silica fume to the total binders.
表4㊀UHPC 砂浆配合比
Table 4㊀Mix proportions of UHPC mortar
Mix No.W /B S /B Substituted rate of cement by superfine fly ash /%Silica fume content /%Mass fraction /%Cement Superfine fly ash Silica fume 10.160694.00620.1620873.618.4830.16401054.036.01040.180892.00850.181ʒ1201072.018.01060.1840656.437.6670.2001090.001080.2020675.218.8690.20
40855.236.88
第3期黄㊀静等:UHPC 浆体的工作性和流变性与颗粒膜层厚度的关系769
㊀1.3.2㊀净浆的流动度试验与流变性测试
采用流动度表征净浆工作性，流动度试验按‘混凝土外加剂匀质性试验方法“(GB /T 8077 2012)进
行[12]㊂使用Brookfield RST-SST 型同轴双圆筒流变仪进行UHPC 净浆流变性能测试；圆柱形转子的有效高度(h )为37.5mm，半径(R 1)为12.5mm，外筒内壁半径(R 2)为13.56mm，测试过程中外筒保持静止；流变测试过程的转速变化如图3所示，流变测试总时长为5.5min，在0~25s 转速线性增加至100r /min，在25~205s 转速保持不变，随后转速呈现阶梯式下降，每个转速台阶保持15s㊂1.3.3㊀砂浆的跳桌试验与流变性测试采用流动度表征砂浆工作性，砂浆的流动度按‘水泥胶砂流动度测定方法“(GB /T 2419 2005)测定[13]㊂使用Brookfield RST-SST 型同轴流变仪进行UHPC 砂浆流变性能测
试；所用四叶vane 型转子高(h )为80mm，半径(R 1)为20mm，外筒内壁半径(R 2)为40mm，测试过程中外筒保持静止；流变测试过程的转速变化如图4所示，流变测试总时长为124s，在0~10s 转速线性增加至5r /min，在10~40s 转速保持不变，随后转速呈现阶梯式下降，每个转速台阶保持10s㊂
图3㊀净浆流变制度Fig.3㊀Rheological scheme for paste 图4㊀砂浆流变制度
Fig.4㊀Rheological scheme for mortar 1.3.4㊀湿颗粒堆积密实度测定基于Wong 等[14]提出的湿颗粒堆积密实度测试方法，测定新拌UHPC 浆体的湿颗粒堆积密实度㊂
净浆的湿颗粒堆积密实度测定步骤如下:(1)选择某一净浆试验组的胶凝材料，干拌2min 形成预混料，按一定的水胶体积比(u w )进行充分搅拌；搅拌时先将全部水(包括减水剂)倒入搅拌锅，然后加入1/2预混料充分搅拌3min，再将剩余的预混料均分成4份逐份加入搅拌机，每加入一份充分搅拌3min㊂(2)将(1)中的净浆倒入体积(V )为25mL 的容器，测得质量(M m )，并根据公式(3)计算出该试验组的空隙率㊂(3)变化水胶体积比，重复步骤(1)㊁(2)㊂(4)以水胶体积比为横坐标，空隙率为纵坐标作图，空隙率的最低点即对湿颗粒堆积密实度㊂
砂浆的湿颗粒堆积密实度测定步骤如下:(1)选取某一砂浆试验组的净浆配比制取100mL 的净浆，按一定的胶砂体积比(νw )进行充分搅拌；搅拌时先将全部净浆倒入搅拌锅，然后加入已量取的QS-70石英砂充分搅拌4min，再加入已量取的QS-20石英砂充分搅拌4min㊂(2)将(1)中的砂浆倒入体积(V )为50mL
的容器，测得质量(M n )，并根据公式(4)计算出该试验组的空隙率㊂(3)变化胶砂体积比，重复步骤(1)㊁(2)㊂(4)以胶砂体积比为横坐标，空隙率为纵坐标作图，空隙率的最低点即湿颗粒堆积密实度㊂
τ=M m (ρw u w +ρC R C +ρUFA R UFA +ρS R S )㊃V (3)φ=
M n (ρᶄw νw +ρQS70R QS70+ρQS20R QS20)㊃V (4)式中:τ为胶凝材料的湿颗粒堆积密实度;φ为细骨料的湿颗粒堆积密实度;V 为容器体积,mL;M m 为容器体积V 为25mL 的净浆质量,g;M n 为容器体积V 为50mL 的砂浆质量,g;u w 为各试验组的水胶体积比;νw 为
各试验组的胶砂体积比;ρw 为水的密度，取1g /cm 3;ρᶄw 为净浆的密度,g /cm 3;ρC ㊁ρUFA 和ρS 分别为水泥㊁超细
770㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第41卷粉煤灰和硅灰的密度;ρQS70和ρQS20分别为QS-70和QS-20的堆积密度;R C ㊁R UFA 和R S 分别为各净浆试验组的水泥㊁超细粉煤灰和硅灰在胶凝材料中的体积分数;R QS70和R QS20分别为各砂浆试验组的QS-70和QS-20在细如何安全用电
骨料中的体积分数㊂
1.3.5㊀黏度系数计算基于Li 等[15]提出的具有剪切增稠特性的大流态混凝土的指数型流变模型，考虑柱塞流影响的情况下，利用该模型的库特逆问题的解(公式(5))，对各试验组的有效转速与扭矩数据对进行非线性拟合后，得到黏度系数(本文黏度系数κ均指大流态混凝土指数型流变模型的一致性系数(consistency coefficient))㊂
Ω=n 2㊃(2πhκ)1/n (R -2/n 1-R -2/n 2)㊃T 1/n -τ0κ()1/n ln
R 1R 2(5)式中:Ω为流变仪转子的转速,rad /s;T 为相应的扭矩,N㊃m;τ0为屈服应力,Pa;κ为一致性系数,Pa㊃s n ;n
为拟合指数;R 1㊁R 2㊁h 分别为外筒内径㊁转子直径和有效高度,mm㊂
1.3.6㊀颗粒表面膜层厚度计算基于Wong 等[14]提出的颗粒表面膜层厚度模型与理论：新拌混凝土加入的拌合水填充干堆积体空隙后，多余部分吸附在胶凝材料颗粒表面形成水膜层，水膜层越厚且黏度越小，则净浆的流动性往往越佳；部分净浆用以填充骨料间的空隙，多余的净浆黏附在骨料表面形成浆膜层，浆膜层越厚且黏度越小，砂浆的流动性往往越好；同时，颗粒表面膜层厚度的计算涉及材料的湿颗粒堆积密实度和平均比表面积，因而能反映材料的组分特点㊂根据水泥㊁超细粉煤灰和硅灰的比表面积和胶凝材料的湿颗粒堆积密实度，利用公式(6)~(9)计算出各试验组的WFT㊂根据QS-70和QS-20的比表面积和细骨料的湿颗粒堆积密实度，利用公
式(10)~(13)计算出各试验组的PFT㊂u =(1-τ)τ(6)uᶄw =u w -u (7)A m =A C ˑR C +A UFA ˑR UFA +A S ˑR S (8)WFT =uᶄw A m (9)
ν=(1-φ)φ(10)νᶄw =νw -ν(11)A n =A QS70ˑR QS70+A QS20ˑR QS20
(12)PFT =νᶄw A n (13)式中:u 为湿颗粒堆积密实度对应的空隙比(单位体积内空隙体积与胶凝材料体积的比);uᶄw 为各试验组的富
余水胶体积比;A m 为胶凝材料的平均比表面积;A C ㊁A UFA 和A S 分别为水泥㊁超细粉煤灰和硅灰的比表面积;ν为湿颗粒堆积密实度对应的空隙比(单位体积内空隙体积与细骨料体积的比);νᶄw 为各试验组的富余胶砂体
积比;A n 为细骨料的平均比表面积;A QS70和A QS20分别为QS-70和QS-20的比表面积㊂2㊀结果与讨论2.1㊀正交试验结果分析
净浆和砂浆试验组颗粒表面膜层厚度计算的相关参数及结果分别如表5和表6所示㊂
正交试验的变量-变化水平与颗粒表面膜层厚度的关系如图5所示，图中A1~A3㊁B1~B3㊁C1~C3分别对应水胶比㊁超细粉煤灰替代率和硅灰掺量的变化范围0.16~0.20㊁0%~40%㊁6%~10%㊂颗粒表面膜层厚度能够同时反映浆体的流动性和材料的组分特点，可作为工作性的综合衡量指标㊂
由图5可知,PFT 受三种变量影响的效果与WFT 大致相同，整体表现为颗粒表面膜层厚度随水胶比㊁超细粉煤灰替代率和硅灰掺量的提高而增大的趋势，说明PFT 和WFT 的工作性受三种变量影响而发生的变化
绩效考核的意义
