化学添加剂对UHPC时间依赖性可操作性的影响

由内布拉斯加大学林肯分校胡炯主讲

超高性能混凝土 (UHPC) 的和易性对于确保施工成功并实现该材料的卓越机械性能和耐久性至关重要。研究人员一直在使用不同的方法来评估 UHPC 的可加工性。由于大多数机构和研究人员都可以使用，最流行的测试方法是流量测试，它可以进一步分为动态和静态流量测量。各机构一直在使用不同的流动测试程序来控制 UHPC 的质量，但还没有系统的研究来评估它们的差异。此外，根据从这两个程序收集的信息，对 UHPC 的可使用性缺乏基本的了解。本研究研究了不同硅灰含量、粘合剂含量、纤维和水与粘合剂比例的各种 UHPC 混合物的动态和静态流表测试之间的差异。此外，由于混合过程对于 UHPC 生产来说是激烈且关键的，因此还对使用两种不同混合器生产的混合物以及 UHPC 混合过程中的稠度控制进行了比较研究。该比较有助于证明实验室开发的混合物是否与现场生产中使用的混合物具有可比性。

https://www.youtube.com/watch?v=EOiRNxpN4YI&t=28s

以下是演讲的中文翻译，供大家参考：

本次演讲的主题是化学混合物对UHPC时间依赖性可操作性和流变性能的影响。大部分工作由我的博士生Flaria完成，我相信她在观众席中。

在官方网站上，我有一个不同的标题，关于不同混合比例的UHPC的静态和动态流动。当我们研究这些问题时，因为这一部分是关于解决流动性问题的，我觉得这个标题更合适。我们确实提到了流动性的不同任务，但我们的重点实际上是涵盖不同的内容。

这项研究由内布拉斯加州交通部赞助，我们在2018年完成了一个项目，还有另一个项目即将开始，我们应该会更多地研究这个问题，有很多正在进行的工作。

本次演讲的提纲包括：介绍UHPC在生产和处理过程中面临的一些挑战，如何评估纤维稳定性，以及我们提出的UHPC流动性的质量控制指标。然后我们会展示一些测试信息和响应。接下来我会展示一些UHPC的现场生产和放置的幻灯片，最后总结和结束语。

潜在问题

对于那些使用UHPC的人来说，你们知道它是一种非常神奇的材料，但另一方面，它也很难控制。这里展示了一些我们在实验室和现场看到的例子。第一个是缺乏流动性。如果你看这个，这是我们计划浇筑的一个预制部分，显然你可以看到混合和移动它有多困难。如果你浇筑一个圆柱体，你会得到一个非常均匀的圆柱体形状。

另一方面，你可能会有一个非常稀的混合物，这不是一个非常技术性的术语，但你知道我的意思，你会看到纤维分离。如果你在新鲜混凝土中浇筑，你可能会看到这样的分离。

另一个我不会提到但我们经常在准备过程中看到的问题是纤维团聚问题。这通常与将纤维过快地装入搅拌机有关，当它们进入搅拌机时会形成团聚。这是我们看到的一个纤维团聚的图片。

另一个问题是“象皮”现象。我不知道你们中有多少人见过这种现象。如果你让UHPC静置几分钟甚至更长时间，你会看到这种“象皮”现象。这是由于UHPC的独特流变行为造成的。如果你能立即放置混凝土，这不会是一个问题，但特别是如果你处理一个大的样品或元素，例如，如果你需要多批次，这可能会成为一个问题。

基于此，你可能需要注意的是，如果你让混凝土静置很长时间，可能会出现一些问题。

流动性测试

我们有哪些工具？有几种不同的测试方法，人们用来测量UHPC的流动性。这些是常用的方法。早期有另一部分关于UHPC流动性的研究，有些人提出了不同的测试方法。传统的流动台测试基于ASTM 1437，新标准1856实际上涵盖了UHPC的流动性，这也是基于流动台的。区别在于是否使用自由流动的下降。人们通常使用的流动范围是8到10英寸。

新鲜混凝土

从新鲜混凝土的角度来看，当你看UHPC的流动性或可操作性时，通常我们只记录流动性（以英寸为单位），如前面的幻灯片所示，7到10英寸，8到10英寸通常是UHPC流动性的一个很好的指示。但另一方面，我们可以获得更多的信息。例如，你可以看到这里的纤维分离。如果纤维分离严重，在施工过程中是非常有用的。

另一个你可以使用的是静态流动测试，意思是你只需移除流动锥并测量流动性，这是动态的，需要振动。你可以看到这里的区别，特别是如果你让它静置几分钟，你可以清楚地看到区别。

另一个是流变学。

所以，如果你有紧急情况需要处理，我们可以稍作休息，不用担心。我们可以让下一位演讲者先讲，然后我再回来，非常抱歉。

在新鲜混凝土状态下，我们有另一个流变学工具。但另一方面，如果你进入硬化混凝土阶段，UHPC测量强度和不同的机械性能，但我想展示的是一些你可能想要关注的与流动性和纤维稳定性直接相关的内容。

当然，一个问题是固结。如果你看到一个不好的圆柱体或薄的结构，这是一个很好的指示。这张中间的图片展示了纤维的固结和分离。另一个是，如果你进行UHPC的抗压强度测试，你知道你需要磨平两端，这样你可以清楚地看到是否有分离的迹象。通常在底部你会看到纤维，但顶部明显没有纤维，这是另一个迹象。即使在破裂的圆柱体上，你也可以看到破裂是否均匀。

我想展示的最后两张幻灯片是，你可以通过一些传统的测试获得很多信息，只需更多地关注这些。

借鉴的想法

我们一直在使用流动台来测量UHPC的流动性，这已经是唯一的测试方法。尽管研究人员和实践者进行了不同的测试，但我们是否可以做得更好？

这是你看到的与分离和纤维稳定性相关的问题。我们借鉴了SCC的方法，许多人可能熟悉SCC。首先是VSI（可见稳定性指数），你可以看到是否有环，这表明混合物的稳定性。另一个是纤维分离。

我们提出了一个非常类似的指数，与SCC相比，UHPC的VSI指数非常稳定，没有明显的分离。然后你会看到轻微的分离，可以看到纤维，这是指数2，然后是3，非常严重的是4。通常当你看到这个时，你会发现情况很糟糕。类似于SCC的VSI指数，这是我们提出的指数。

这基本上是经验性的，我认为还有更多的工作要做，但希望这能给我们一些想法，可能需要做些什么。我们提供了不同的推荐指数。

另一个是固结指数，这可能不那么关键，因为你已经看到了。但对于VSI和SVSI，这两个指数希望我们能将其纳入ASTM或AASHTO标准，并获得更多的数据和行业的反馈。

主要内容

正如我所说，我们在这里所做的工作实际上是关注不同化学混合物随时间变化的可操作性。我们所做的是在混合后立即进行不同的流动性和流变学测试，然后每15分钟进行一次测试。在进行测试之前，我们手动混合一下，以消除结构的积累。

我们进行的测试是流动台测试以及流变学测试。流动台测试使用标准的10英寸流动台。你看到的图表显示，许多人使用中心流动台，但如果流动超过这个标准怎么办？这意味着你在标准时间内流出流动台。因此，我们开发了一个关系方程，可以预测流动情况。

我们还进行了流变学测试，基本上有一个标准的上升曲线和下降曲线，然后我们测量剪切应力和剪切速率，使用这些信息计算屈服应力和粘度。

主要设计基本相同，我们使用了一个基础混合物，唯一改变的是化学混合物的剂量。你看到的是一组高效减水剂，另一组是保持可操作性的混合物，还有一个是抗泡剂。每个人都知道高效减水剂的作用，但我们也有很多关于可操作性持续时间的经验和问题，这就是为什么引入保持可操作性的混合物。抗泡剂是因为在混合UHPC时容易产生大量气泡，这会降低可操作性。

让我们看看一些结果。这个图表显示了时间与流动的关系，你可以清楚地看到随着时间的推移，流动显著下降。另一个数字是VSI和HBVSI。如果你看到数字0，表示良好，但如果你看到3或4，表示不稳定的混合物。

正如预期的那样，随着时间的推移，流动性显著下降，取决于化学混合物的剂量。例如，高效减水剂可能开始时混合物不稳定，但最终变得稳定。

我们观察到的另一点是保持可操作性的混合物可以延长工作时间，特别是对于大型施工项目。抗泡剂的引入可能会导致流动迅速下降，因为它去除了气泡，但也可能降低可操作性。

关于流动性和稳定性，根据提出的固结指数，UHPC混合物需要至少170毫米（约7英寸）的流动性才能实现自密实。我们观察到，如果流动时间过快，可能会导致不稳定的混合物。

关于流变学，我们观察到Bingham模型和修改后的Bingham模型都可以使用。修改后的Bingham模型可能是更好的模型，因为它不是一条直线。

这是一个繁忙的表格，我不期望你能读懂所有内容，但基本上你可以看到，随着时间的推移，粘度显著增加，然后达到某个点，如过载，意味着你不能再使用它进行测试。

关于粘度与流动的关系，你可以看到粘度会随着流动而减少，这是预期的。相关的屈服应力不太明显。如果你有一个高度流动的混合物，流动时间没有明确的关系。

关于稳定性指数与粘度的关系，根据数据，如果粘度低于100帕斯卡每秒，你会看到一些稳定性问题。

工厂生产

这是我们的基本结果。接下来的几张幻灯片展示了UHPC的现场或工厂生产。我们有一些好的经验。UHPC是一种需要大量混合的材料，细料含量高，温度下降很多，这可能是一个问题，特别是在温度过高时。显然，你不希望温度超过90华氏度。

另一个问题是纤维。加载纤维非常困难，通常是最耗时的部分。如果有纤维分配器可以使用，那就更好了。如果没有，可以使用筛网在混合过程中加入纤维。当然，这仍然需要一些时间，你需要确保有足够的人手来完成。

这是现场的一些例子。这是一种高粘度的混合物，几乎无法使用。但实际上，同样的混合物在几分钟后，你会发现它几乎无法使用。

这是我们最近在南达科他州进行的一次混合，你可以看到一个非常好的混合物，有一些轻微的纤维分离，但不太严重。混合物的稠度很好，流动性也很好。

总结

化学混合物的作用非常重要。你会观察到UHPC的流动性随着时间的推移而减少，但保持可操作性的混合物将是一个非常重要的工具，如果你想延长混凝土的使用寿命。抗泡剂可以显著降低流动性，如果你想使用它，请谨慎使用。

我们提出的VSI和HBVSI指数虽然还不成熟，但希望越来越多的人能关注这个问题，我们可以与ASTM合作，制定一些可以在现场使用的标准，以更好地控制UHPC的可操作性。

UHPC的粘度随着时间的推移显著增加，这通常会导致混凝土放置的问题。如果可能的话，保持UHPC的搅拌。使用保持可操作性的混合物可以延长一些时间。

关于粘度，我们建议至少100帕斯卡每秒，以获得更稳定的混合物。

我将以此结束演讲。这是我们访问南达科他州工厂的照片。

现在我愿意回答几个问题。

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