成良民，李磊，刘子源，柯伟席，陈林

（1.武汉三源特种建材责任有限公司，湖北 武汉 430080；2.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430080）

0 引言

随着国家经济飞速发展和产业转型，城镇化建设推进迅速，道路桥梁发展日新月异，随之而来的是与日俱增的交通量，使得许多传统沥青道路投入使用不久后就需要经常维修，路面实际使用年限低于设计使用年限，不仅影响交通民生，对于经济发展也是极大的损失，因此高强、高耐久、高耐磨的超高性能混凝土（UHPC）逐渐成为道桥建设中的热点材料[1]。

UHPC是一种纤维增强水泥基复合材料，以水泥为胶结剂，结合矿物掺合料、骨料、外加剂与钢纤维等形成的水硬性胶凝材料，常用于桥梁工程、道路抢修及结构加固等[2-6]。UHPC相较于传统混凝土，虽然材料成本偏高[7]，但能提高结构性能，延长结构服役年限[8-10]，降低结构服役期间的维护费用，综合来看，其实际成本低于传统混凝土，在道路桥梁工程中使用能大幅降低维护费用。

UHPC在成型时，由于钢纤维密度远大于组成中的其他材料，受到外界扰动后，易产生沉降，特别是在UHPC浇筑过程中，临近道路未封闭交通产生的连续动态荷载，会对施工区域产生一定的扰动，并可能引起大面积钢纤维沉降，但关于钢纤维沉降对UHPC性能影响的研究鲜有报道。本文利用混凝土振动台产生的振动，模拟开放交通条件下车辆通行所产生的动态荷载，研究不同振动时间对UHPC性能的影响，旨在研究UHPC实际的施工工艺，提高工程质量，探究开放交通条件下车辆通行所产生的动态荷载对UHPC中钢纤维分布和UHPC力学性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：湖北娲石股份有限公司产P·O52.5水泥，比表面积300～400 m2/kg，碱含量≤0.60%，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；硅灰：比表面积15 000～25 000 m2/kg（采用氮吸附法测得）；粉煤灰微珠：比表面积220～588 m2/kg，硅灰和粉煤灰微珠均符合GB/T 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》的要求；钢纤维：直径0.2mm、长13mm平直型镀铜微丝钢纤维；减水剂：粉体聚羧酸高性能减水剂，减水率30%～45%；拌合水：自来水。

1.2 仪器设备

60LBHS双轴卧式可调速搅拌机、DY-3008DFX全自动压力试验机、WAW-600微机控制电液伺服万能试验机及混凝土振动台（频率50 Hz，最大振幅0.5 mm）。

1.3 试验配合比及过程

使用混凝土振动台产生的振动模拟开放交通条件下车辆通行所产生的动态荷载，设置振动时间梯度表征动态荷载高低，测试相同配合比UHPC在不同振动时间下的钢纤维分布、含气量和力学性能等。

UHPC配合比依据最紧密堆积理论设计，如表1所示，钢纤维体积掺量为2%。

表1 UHPC的质量配合比

将称量好的原材料投入搅拌机，先中速（转速35 r/min）预混1 min，接着加入水，搅拌至拌合物呈黏聚状态后，再高速（转速50 r/min）搅拌至拌合物呈现流态，最后边慢速（转速23 r/min）搅拌边均匀加入钢纤维，直至钢纤维分散均匀。出机UHPC分别倒入不同力学性能测试所需的试件模具中，放置于振动台，成型7组试件，振动时间分别为0、20、40、60、80、100、120 s，同时测试不同振动时间下UHPC含气量的变化；振动后的模具表面覆盖塑料薄膜，置于（20±2）℃环境中养护24 h后脱模，将试件放入标准养护室中养护至28 d，进行力学性能测试，并从不同振动时间的抗压强度试件中各选取一块切开，观察断面钢纤维分布情况。

力学性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》和T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》进行测试。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗压强度结果不乘以尺寸折算系数；抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm；轴心抗压强度和静力受压弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm；抗拉强度试件使用DL/T5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》中砂浆拉伸强度“8”字模成型。

2 试验结果与分析

2.1 振动时间对UHPC含气量的影响

含气量对混凝土的耐久性能有较大影响，适当的含气量有利于提高混凝土的和易性、抗渗和抗冻性能，但过大的含气量会增加内部总孔隙率，降低混凝土密实性和力学性能。基于最紧密堆积理论配制的UHPC总孔隙率和毛细孔率远低于普通混凝土[11]，具有优良的抗渗性和耐久性，因此含气量对UHPC最大的影响是对力学性能的影响。振动时间对UHPC含气量的影响如表2所示。

表2 振动时间对UHPC含气量的影响

由表2可知，随着振动时间的延长，UHPC含气量先逐渐减小，当振动时间超过80 s后，含气量趋于稳定。UHPC在搅拌过程中混入的大量气泡，一部分在振动过程中随时间延长而逐步上浮，最终从表面破裂溢出；另一部分被拌合物浆体束缚在内部，二者在80 s后趋于平衡，含气量不再有变化，稳定在2.6%。

2.2 振动时间对UHPC中钢纤维分布的影响

对UHPC标养28 d抗压强度试件剖开断面拍照，进行图像二值化处理，把处理后的图像沿断面高度自上而下分为四等份，计算每块区域内钢纤维分布率，得出振动时间对钢纤维分布的影响，结果如图1所示。

由图1可知，随着振动时间的延长，钢纤维分布呈现沿断面高度方向向下集中的趋势，钢纤维分布从杂乱无序趋于有序集中，但当振动时间超过60 s，UHPC发生明显的钢纤维沉降分层，内部不均一性加剧，引起力学性能下降[12]。

图1 振动时间对UHPC中钢纤维分布的影响

2.3 振动时间对UHPC抗压、抗折强度的影响

（见表3）

表3 振动时间对UHPC抗压、抗折强度的影响

由表3可知，随着振动时间的延长，UHPC的抗压、抗折强度均呈先提高后降低的趋势，振动时间为40 s时抗压强度达到峰值，为158.8MPa；振动时间为60s时抗折强度达到峰值，为40.5MPa。灌注到模具中的UHPC在未施加振动前，内部存在大量搅拌过程混入的气泡，钢纤维分布杂乱无序；在振动作用下，气泡上浮、破裂并溢出，内部含气量降低使基体更加密实，同时钢纤维分布转向有序集中，宏观表现为抗压、抗折强度提高；当振动时间超过60 s后，UHPC内部含气量趋于稳定，钢纤维逐步沉降使整体的不均一性逐渐加剧，宏观表现为抗压、抗折强度大幅降低。

2.4 振动时间对UHPC静力受压弹性模量的影响

混凝土的静力受压弹性模量为压应力与应变的比值，是评判混凝土抗变形能力的一个重要指标。使用万能试验机可以得到应力-应变曲线，其中线性稳定段的斜率即为静力受压弹性模量，通常取极限压应力40%～50%处的应力来计算UHPC的弹性模量[13]。静力受压弹性模量主要由骨料决定，当骨料在混凝土内均匀分布时，弹性模量较高。振动时间对UHPC静力受压弹性模量的影响如表4所示。

表4 振动时间对UHPC静力受压弹性模量的影响

由表4可知，UHPC的静力受压弹性模量随着振动时间的延长先提高后降低，当振动时间为40 s时，静力受压弹性模量达到峰值，为45.7 GPa，说明短时间的振动对于骨料的均匀分布有正向作用，但振动时间过长会使骨料有部分沉底，导致弹性模量降低，对于混凝土产生了一定的破坏作用。

2.5 振动时间对UHPC抗拉强度的影响

关于UHPC拉伸试验，在国内外不同学者的研究中所使用的试件形状和尺寸不尽相同，本文使用的是DL/T 5126—2001中砂浆拉伸强度“8”字型试件，振动时间对UHPC抗拉强度的影响如表5所示。

表5 振动时间对UHPC抗拉强度的影响

由表5可见，振动时间为20 s时，抗拉强度较空白对照组有小幅度的降低；振动时间为40 s时，抗拉强度有一定的提高，但仍低于空白对照组。随着振动时间的延长，抗拉强度总体呈降低的趋势，但降低幅度较小，且较为稳定，强度降低的原因还需后续进行相应试验以得到结论。相较于抗压及抗折强度的增长幅度，抗拉强度的降低是一种反常现象，但对于UHPC来说，在振动40s时，力学性能总体呈现为正向增长。

3 结论

（1）UHPC振动时间为40s内，抗压强度、抗折强度、静力受压弹性模量均呈提高的趋势，这主要是因为短时间内振动可排除UHPC的内部气泡，有利于减少体系浆体中各物质间的孔隙，降低了整个结构的孔隙率；另外，短时间内振动使体系中的浆体与钢纤维混合均匀，避免了钢纤维分散不均匀现象。然而，UHPC振动时间超过40 s后，体系中分散均匀的钢纤维出现沉降现象，导致UHPC的力学性能降低。

（2）在40 s内短时间内进行荷载施工，对UHPC的力学性能有一定的正面影响，如在封闭交通条件下进行UHPC施工，可增加振捣工序，UHPC力学性能有一定的提高；但随着高频振动时间延长，UHPC的力学性能出现降低现象。

从市场体量看，UHPC目前远远不能和普通混凝土相比，但是增长速度十分迅速；同时国家正在大力推进基础设施建设，UHPC已经在钢桥面铺装、市政装配式结构湿接缝和预制构件领域有了大量应用，并且随着技术的进步，UHPC未来会有更大的作为。本研究对于市政工程项目无法封闭交通下进行UHPC施工有一定的参考价值，但由于车辆交通引起的动态荷载较为复杂，振动台并不能完全模拟实际情况，下一步将从2个方面进行完善，促进UHPC技术的不断优化和进步：（1）让动态荷载模拟形式更贴合实际，并与现场实际试验对比；（2）结合微观测试分析振动作用机理。