1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着当今社会的高速发展，各种基建工程和民用工程正在被大范围的开发和建设，因此混凝土也成为被使用量最大的建筑材料之一。混凝土作为工程建设中的主体材料决定这建筑的安全性和可靠性，同时也影响着人与自然和谐相处的关系。对于普通混凝土来说其刚度小，自重大，耐久性不足和抗裂性差等一系列的问题造成工程的安全性无法满足和材料利用不充分。除此之外，粉尘污染和废气污染对环境造成了极大的破坏。目前当今世界对于环境的保护越来越重视，我国也提出了可持续发展的战略目标，对于建筑行业的要求也在不断的提高，如何让材料得到更广泛，更充足，更环保的利用已经成为成为人们广泛关注的问题。超高性能混凝土随之诞生，是近几十年来发展起来的一种新型水泥基复合材料，被誉为“近 30 年来最具创新性的水泥基工程材料”[1]。
超高性能混凝土又被称为 UHPC，这个概念首次是由 Larrard 和 Sedran 提出[2]，其具有优良的工作性能、超高的力学性能、良好的耐久性能、极高的韧性和高延性，因此具有优良的应用前景[3]。超高性能混凝土主要通过改善材料的均质性，加入外加剂来降低水胶比，改变养护条件和掺入钢纤维等途径来改善其性能。材料的均质性通过优化级配，粒径分布均匀的颗粒及标准的石英砂代替粗骨料等来实现；外加剂是通过加入高效减水剂来优化混凝土的和易性从而降低水胶比；超高性能混凝土大多采用蒸压养护来改善微观结构；高纤维的掺入可以大大提高强度和韧性。目前超高性能混凝土大量应用在预制构件、桥梁工程湿接缝、建筑构建连接、基础设施的结构加固和建筑外墙板、楼梯等预制构件。虽然超高性能混凝土本身具备非常多的有点，但也存在着一些显而易见的缺点，成本高、水泥用量较大导致污染严重，同时会产生大量的水化热从而导致了收缩严重。这也是目前国内外学者们致力研究和想要克服的问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 脱硫渣国内外研究和利用现状
脱硫渣是火力发电厂在循环流化床锅炉内燃烧含硫煤经过固硫后排出的一种固体废弃物，通常将锅炉烟道内排出的称作为脱硫灰，把锅炉底部排出的固体废弃物称作为脱硫渣。脱硫渣我们用肉眼观看其表观形态，看到其大部分颗粒细度和平常试验中所用的细骨料粒度大致相同，但也有许多块状物的不规则的渣料掺杂其中。由于其不规则的块状物的渣料较多，因此在实际中一班不能直接拿来作为掺合料使用，对于混凝土中的掺合料来说一般是通过物理粉磨使其达到使用标准，提高其细度和活性。通过扫描电镜可以发现，脱硫渣颗粒形状不规则且棱角分明，表面粗糙且内部结构疏松多孔[4, 5]。因脱硫渣外形特征及其内部结构的特征导致其具有较高的吸水特性。相关研究者根据 GB1346-2001《水泥标准稠度用水量境界时间安定性检验方法》测定脱硫渣标准稠度的用水量，最终试验结果表明：脱硫灰渣标准稠度用水量远远大于粉煤灰标准稠度用水量，基本是粉煤灰的 2 倍[5]。 由于我国地理差异比较突出，因此全国各地生产出煤的质量也是大不相同。加之各电厂所燃烧煤的种类，添加脱硫剂的剂量，脱硫纯度以及循环流化床内部燃烧温度的差异，导致排出的脱硫渣的性能差异是比较大的[6]。目前脱硫渣差异较大的主要是其含硫量和游离氧化钙含量有较大的不同[7-9]，因为其含有大量的游离氧化钙和硬石膏，因此脱硫渣具有一定的膨胀性。虽然国内个地方和各电厂的脱硫渣具有一定的差异性，但其主要化学成分为 SiO2和 Al2O3，因此脱硫渣具有较好的火山灰活性。正因为脱硫渣的吸水性、膨胀性以及具有的火山灰活性的性质吸引了大量的国内外学者对其展开了研究。
脱硫渣的吸水性、膨胀性以及火山灰活性的特性满足了将其作为混凝土外加剂的基本条件，因此国内外学者对其相关性能和应用进行了深入的研究。
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2 原材料及试验方法
2.1 原材料与基本性质
试验主要原材料包括普通硅酸盐水泥、脱硫渣、粉煤灰、硅灰、聚羧酸高效减水剂和镀铜钢纤维。
2.1.1 水泥
试验采用 42.5 的普通硅酸盐水泥，硅酸盐水泥来自山西省某水泥厂生产提供，密度为 3120 kg/m3，比表面积为 0.342 m2/g，水泥的主要化学成分和相关性能见表 2.1 和表 2.2.
表 2.1 硅酸盐水泥的化学成分
2.2 试验方法
2.2.1 工作性能测试
（1）试验仪器
依据 ARCHES 项目，工作性能测试采用上口直径为 50mm，下口直径为 100mm，高为 150mm 的微型坍落度筒及 500mm×500mm 的平板测试 UHPC 的流动度，见图 2.7.
图 2.7 微型塌落度筒
第一步：将微型坍落度筒和测试的平板用湿润的抹布将其表面和内部润湿；
第二步：将微型坍落度筒用手在测试板上固定好，防止装置混凝土时有漏浆现象发生。固定好后将拌制好的混凝土装入筒中，装的速度不宜过快否则将使混凝土在桶内不能密实；
第三步：混凝土装好以后用抹面刀将其上表面进行抹平，同时将测试板清理干净；
第四步：将坍落度筒垂直向上匀速、缓慢提起，当肉眼可看到混凝土不在发生流动后用卷尺测量其直径。扩展度沿垂直方向测试两次，最终扩展度取两次的平均值作为最终结果。
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3 复合掺合料对 UHPC 工作性能的影响研究 ........................ 22
3.1 前言 ........................................................... 22
3.2 响应面法配合比设计 .............................................. 22
4 复合掺合料对 UHPC 力学性能的影响研究 ........................ 33
4.1 前言 .......................................... 33
4.2 试验结果 ..................................... 34
5 复合掺合料对 UHPC 收缩性能的影响研究........................ 50
5.1 前言 ................................. 50
5.2 试验设计 .............................. 50
5 复合掺合料对 UHPC 收缩性能的影响研究
5.1 前言
UHPC 相比较与传统的普通混凝土各方面的性能都具有明显的优越性，而为了达到这些优越的性能，在目前制备 UHPC 的过程中经常采用剔除粗骨料、掺加矿物掺合料和钢纤维等措施，同时还会采用低水胶比的方法且在拌制的过程中一般会加入高效减水剂。但自提升 UHPC 性能的同时，同时也导致了混凝土收缩的加剧。对于 UHPC的收缩性国内外好多专家进行了研究，取得了一些成果。
UHPC 的收缩性，主要分为：塑性收缩，自收缩和干燥收缩。UHPC 的塑性收缩是由于混凝土在凝固成型时表面水分流失造成的孔隙压力发生变化从而导致的收缩。对于自收缩和干燥收缩主要表现在混凝土骨架形成之后，其原因表现为以下几个方面：一是低水胶比造成的水分少，致使毛细孔中形成负压；而是目前生产的 UHPC 掺加的矿物掺合料较多，导致毛细水失水；三是当混凝土不在进行养护时，混凝土体内水分的散失造成体积的不稳定性。
对于 UHPC 收缩类型根据其影响因素的不同其表现形式也各不相同，其中就包括胶凝材料的组成，水胶比，粗细骨料的使用和养护制度等。本章主要研究在标准养护条件下（水养），不同掺量的复合掺合料、不同水胶比及不同钢纤维体积掺量下，各因素之间的相互作用下对干燥收缩性能的影响。本章中采用的分析方法为响应面法，试验方法采用比长仪来测定收缩变化情况，采用每天固定时间测量，共测试 90 天。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文通过利用复合掺合料在不同水胶比、不同钢纤维体积掺量的情况下用响应面法设计配合比并制备超高性能混凝土。根据试验结果研究了在复合掺合料、水胶比和钢纤维体积掺量的影响下 UHPC 的工作性能、力学性能和收缩性能，并分析了相关的影响因素。同时用响应面法分析了复合掺合料、水胶比和钢纤维在二者之间的交互作用对 UHPC 工作性能、力学性能及收缩性能的影响规律进行了分析。从而得出以下结论：
（1）通过对其工作性能的研究发现：当复合掺合料取代部分水泥后，随着复合掺合料掺量的增加，UHPC 的流动性是逐渐较小的，当取代量为 5.86 时，其流动性降低了 10.1%，此时 UHPC 的流动较好；当取代量为 20 时，其流动性降低了 15.1%，此时新拌制 UHPC 依旧具有良好的工作性能；当取代量达到 30%时，工作性能非常差，成型困难。水胶比对于 UHPC 流动性的影响极为明且显成线性增长，水胶比越大其流动性越大。当水胶比为 0.15 时，工作性能差且成型极为困难；当水胶比大于 0.16 时，UHPC 表现出较好的工作性能；当水胶比为 0.21 时，UHPC 的流动性较 0.15 时提高了40.7%，工作性能非常好。钢纤维体积掺量不大于 2%时，UHPC 的流动度因钢纤维体积掺量的增加，其流动度逐渐减小；钢纤维体积掺量大于 2%时，UHPC 的流动度因钢纤维体积掺量的增加，其流动度呈陡坡式下降。当钢纤维体积掺量为 3.41%时相比较于体积掺量为 0.59%的 UHPC 的流动度降低了 51.9%，工作性能极差且团聚现象非常严重。钢纤维和水胶比之间的交互作用对 UHPC 流动度影响比较显著，其它二者之间的交互作用对工作性能的影响不显著。
（2）通过对其力学性能的研究发现：在 7d 龄期的抗压强度的测试中抗压强度基本都在60MPa 以上。复合掺合料掺量、水胶比和钢纤维体积掺量之间的交互作用对 UHPC 7d 抗压强度的影响比较显著。复合掺合料对 UHPC 的抗压强度在掺量不超过 20%时，强度随着复合掺合料掺量的增大而逐渐增大；当掺量超过 20%则强度会随之降低。水胶比的增大会使 UHPC 抗压强度逐渐减小。UHPC 的抗压强度与钢纤维掺入有着直接的影响作用并且呈正相关的作用，掺入钢纤维对强度明显的提高作用，当体积掺量超过 2%时，团聚现象比较严重。在 28d 龄期抗压强度的测试中抗压强度基本都达到了80MPa 以上。UHPC 的抗压强度与复合掺合料掺量、水胶比和钢纤维体积掺量三者之间的交互作用没有很直接的影响关系。在强度测试中，UHPC 的抗压强度会随着掺合料掺量的增加逐渐减小。UHPC 的抗压强因水胶比的增大而逐渐降低，UHPC 的抗压强度与钢纤维掺量呈线性关系，掺量越多，其抗压强度提高的比较显著。在 90d 龄期抗压强度的测试中，强度相较于 28d 龄期变化不大，其影响变化关系也与 28d 龄期的相同。
参考文献（略）