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超高性能混凝土（UHPC）是由水泥、摻合料、骨料、增強纖維、外加劑和水等原材料制成的具有超高抗壓強度、高韌性、優(yōu)異耐久性等特點的水泥基復合材料。隨著現(xiàn)代工程結構向大跨度、高聳、重載方向發(fā)展以及嚴酷的服役環(huán)境需要，超高性能混凝土在高層建筑、橋梁、港口海洋、地下等工程具有廣闊的應用前景。一般實際工程中對混凝土澆筑采用泵送，但UHPC通常水膠比極低，并且膠凝材料（特別是超細顆粒）使用量較大，導致新拌漿體黏度高、纖維易成團，泵送困難甚至還有可能產(chǎn)生堵泵，影響UHPC硬化性能等一系列問題，一定程度上限制了UHPC在工程建設中的大規(guī)模推廣應用。為此提高超高性能混凝土的流變性能至關重要。下文從水膜層厚度理論、漿體層厚度理論、外加劑間隙液粘度理論三個角度考慮UHPC 拌合物流變性理論研究調(diào)控。

在 UHPC 漿體中，一部分水參與化學反應，一部分水填充在固體顆粒堆積的空隙中，對漿體的流動性幾乎沒有貢獻；另一部分水則在固體顆粒表面形成水膜層，對漿體的流動性起主要貢獻。水膜層厚度（WFT）定義為所有顆粒表面的平均水層厚度，隨著水膜層厚度的增加，顆粒與顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力降低，粘度降低，漿體的流動性增加[1-3]。

圖1 水泥基材料內(nèi)部顆粒水膜層厚度示意圖^[3]

水泥漿體的含水率、充填密度和固體顆粒表面積是影響水泥漿體流變性、流動性和粘聚性的關鍵因素。在水泥水化加速期之前，顆粒的表面形貌、體積分數(shù)、級配和粒徑對UHPC流變性能的影響占主導地位。棱角形狀和粗糙表面的顆粒會導致顆粒間接觸點增加，顆粒間摩擦阻力增大，從而顯著增加屈服應力和粘度；屈服應力和粘度會隨著粗顆粒體積分數(shù)和骨料最大粒徑增大而增大，前者增加了顆粒間的摩擦和碰撞，后者因比表面積降低減少了漿體的耗水量。相反，加入小粒徑顆粒含量時，增加固體比表面積促使需水量更高，導致顆粒之間的水膜層更厚，減少了接觸和摩擦。此外，細顆粒填充效應促使自由水增加，UHPC的流動性提高[2-3]。

圖2(b)反應了WFT與漿體流動性之間的相關性。隨著WFT的增大，流動性呈非線性增加趨勢，增長速度逐漸減小，最大流動度可達250 mm。較厚的水膜層有利于水泥漿體移動，從而提高流動性。除了水膜的影響外，漿體的流動性還受顆粒形狀的影響，在相同WFT下，BP漿體的流動性略低于LP漿體。首先，LP的形狀接近立方，相對于BP的片狀，LP更容易在漿體內(nèi)部滾動。其次，不規(guī)則形狀的BP顆粒具有更復雜的多孔表面，能夠吸收更多的自由水和高效減水劑，從而導致流動性損失。屈服應力和塑性粘度隨WFT值的增大而減小，這是由于WFT值的增大導致顆粒間距增大，相互作用顆粒數(shù)量減少。在較低的WFT下，WFT的微小變化對流變參數(shù)有顯著影響，而在較高的WFT下，WFT的較大變化對流變參數(shù)的影響較小[3]。

圖2(a)固體顆粒微觀形貌；(b)WFT對新拌漿體流動性的影響；(c)水膜層厚度對動態(tài)屈服應力和塑性粘度的影響[3]

圖3表示基于低場核磁共振技術分析微米粒徑（LP1）和納米粒徑（LP2）石灰石粉制備的UHPC水膜層厚度與水化反應、塑性粘度之間的關系。其中UHPC的流變性主要與第一個峰有關。由圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)隨著LP1用量的增加，第一弛豫峰T2時間變化不明顯，但峰面積顯著增加，說明LP1降低了攪拌過程中水泥水化過程中自由水的消耗，保留更多的自由水，從而改善了UHPC的流變性。隨著LP2用量的增加，第一弛豫峰面積逐漸減小，表明自由水含量減少。隨著LP2摻量的增加，第一個T2峰出現(xiàn)輕微的左移，說明由于LP2的成核作用，水泥早期水化過程中消耗的自由水增加，由于LP2的填充作用，自由水分布空間變窄，從而提高了UHPC的塑性粘度。LP2摻量為5%、10%、15%和20%時，UHPC水膜厚度分別降低11.2%、23.5%、32.6%和38.9%。β與塑性粘度μ呈相反趨勢。β增加對應塑性粘度的降低。加入LP2后，UHPC的β急劇下降，最終導致流動性損失，塑性粘度顯著增加[4]。

圖3(a) LP1-UHPC的T2分布；(b) LP2-UHPC的T2分布；(c)不同粒徑石灰石粉對UHPC水膜厚度參數(shù)的影響^[4]

新拌混凝土可看作是粗細骨料分散于漿體相中的多相分散流體，粗骨料之間的空隙由細骨料填充，細骨料之間的空隙則由水泥漿體填充。新拌混凝土中的水泥漿體由兩部分組成，其中一部分水泥漿體用于填充骨料顆粒間的空隙，另一部分多余的水泥漿體包裹骨料顆粒表面形成漿膜層，提供流動性，與WFT理論相似，漿膜層厚度越大，UHPC 漿體的流動性越好[1,5]。

圖 4 混凝土各組分堆積狀態(tài)^[5]

圖 5 單一粒徑骨料和多粒徑骨料堆積示意圖^[2]

圖6表示三種MPT、APT、SPT模型的砂漿厚度，由于MPT模型選擇了骨料的最大尺寸，故其漿膜層厚度比APT的值更大，SPT值與APT值較為接近，但在0.24 ~0.84 mm范圍內(nèi)仍有較大差異。在不考慮骨料粒度分布影響的情況下，MPT、APT和SPT三種模型的漿膜層厚度總體上與粗骨料體積分數(shù)呈冪函數(shù)關系^[5]。

圖 6 砂漿厚度與粗集料體積分數(shù)的關系^[5]

圖7 (a) 無高效減水劑；(b)添加高效減水劑時顆粒分散形態(tài)^[2]

減水劑在水泥基材料顆粒表面具有選擇性吸附行為，導致漿體中的間隙液黏度存在較大差異對于新拌UHPC，隨著水膠比和高效減水劑用量的增加，其流動性增大，屈服應力減小。當水膠比降至0.18時，減水劑用量對屈服應力的降低作用不顯著。水膠比越高，拌合物的塑性粘度越低，減水劑用量對拌合物塑性粘度的影響越小。水膠比從0.24降低到0.20后，UHPC混合料的塑性粘度明顯增加，從0.20進一步降低到0.18，對塑性粘度的增加作用有限。這可能是由于拌合物中固體濃度較高而自由空間較少；與屈服應力不同，在水膠比不變的情況下，減水劑用量對塑料黏度的影響不顯著^[6]。

圖8 新拌UHPC (a) 流動性(b)屈服應力(c)塑性粘度的變化規(guī)律^[6]

除減水劑外，調(diào)節(jié) UHPC 黏度的化學外加劑還包括降黏劑，它通過改變新拌 UHPC 的屈服應力和塑性黏度來影響其流變性。其擁有更為豐富的支鏈結構和優(yōu)異的吸附性能，使得聚合物在水泥顆粒表面上的吸附層厚度增加，能夠明顯降低塑性黏度。而且隨著摻量的增加，水泥漿體的密實度增大，釋放出大量水分，使得水泥顆粒表面水膜層厚度增加，流動度增大^[1]。

圖9表示PCEs對低水膠比水泥-硅灰各性能影響，C-PCEs 和S-PCEs 主要通過空間位阻作用對水泥-硅灰體系進行分散；由于S-PCEs 的主鏈羧基密度高且含硅羥基，主鏈短、分子量小，因此在水泥及硅灰顆粒表面有著較大的吸附量，其吸附層致密，對絮凝結構的分散性更好。S-PCEs摻量為2% 時，低水膠比水泥-硅灰漿體( w/b = 0. 18) 的初始流動度達到 232. 5 mm，60 min 時的流動度為 217. 5 mm。水膠比低至 0. 14 時，摻 S-PCEs 的水泥-硅灰體系初始流動度為190 mm，60 min 時的流動度為 170 mm^[7]。

圖9 PCEs種類對水泥-硅灰漿體(a) Zeta 電位；(b)吸附等溫線；(c)流動度；(d) 體流變曲線的影響^[7]

（1）影響UHPC流變性因素眾多，可從物理作用（顆粒形貌、骨料緊密堆積、滾珠效應等）及化學作用（靜電排斥、空間位阻分散等）增大水膜層厚度或漿膜層厚度、降低間隙液黏度改善流變性。

（2）UHPC的水膠比一般在0.20以下，無法確定拌合水優(yōu)先填充顆粒之間的空隙還是粘附在水泥表面，而且內(nèi)部顆粒之間可能相互吸引絮凝成團，顆粒表面水膜層厚度計算值略有不足。

（3）化學外加劑對不同的固體顆粒表面具有一定的選擇性吸附作用，可以對外加劑改性引入其他分子結構從而實現(xiàn)對不同固體顆粒表面吸附的優(yōu)化作用。

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