超高性能混凝土（UHPC）是由水泥、掺合料、骨料、增强纤维、外加剂和水等原材料制成的具有超高抗压强度、高韧性、优异耐久性等特点的水泥基复合材料。随着现代工程结构向大跨度、高耸、重载方向发展以及严酷的服役环境需要，超高性能混凝土在高层建筑、桥梁、港口海洋、地下等工程具有广阔的应用前景。一般实际工程中对混凝土浇筑采用泵送，但UHPC通常水胶比极低，并且胶凝材料（特别是超细颗粒）使用量较大，导致新拌浆体黏度高、纤维易成团，泵送困难甚至还有可能产生堵泵，影响UHPC硬化性能等一系列问题，一定程度上限制了UHPC在工程建设中的大规模推广应用。为此提高超高性能混凝土的流变性能至关重要。下文从水膜层厚度理论、浆体层厚度理论、外加剂间隙液粘度理论三个角度考虑UHPC 拌合物流变性理论研究调控。

在 UHPC 浆体中，一部分水参与化学反应，一部分水填充在固体颗粒堆积的空隙中，对浆体的流动性几乎没有贡献；另一部分水则在固体颗粒表面形成水膜层，对浆体的流动性起主要贡献。水膜层厚度（WFT）定义为所有颗粒表面的平均水层厚度，随着水膜层厚度的增加，颗粒与颗粒之间的内摩擦阻力降低，粘度降低，浆体的流动性增加[1-3]。

图1 水泥基材料内部颗粒水膜层厚度示意图^[3]

水泥浆体的含水率、充填密度和固体颗粒表面积是影响水泥浆体流变性、流动性和粘聚性的关键因素。在水泥水化加速期之前，颗粒的表面形貌、体积分数、级配和粒径对UHPC流变性能的影响占主导地位。棱角形状和粗糙表面的颗粒会导致颗粒间接触点增加，颗粒间摩擦阻力增大，从而显著增加屈服应力和粘度；屈服应力和粘度会随着粗颗粒体积分数和骨料最大粒径增大而增大，前者增加了颗粒间的摩擦和碰撞，后者因比表面积降低减少了浆体的耗水量。相反，加入小粒径颗粒含量时，增加固体比表面积促使需水量更高，导致颗粒之间的水膜层更厚，减少了接触和摩擦。此外，细颗粒填充效应促使自由水增加，UHPC的流动性提高[2-3]。

图2(b)反应了WFT与浆体流动性之间的相关性。随着WFT的增大，流动性呈非线性增加趋势，增长速度逐渐减小，最大流动度可达250 mm。较厚的水膜层有利于水泥浆体移动，从而提高流动性。除了水膜的影响外，浆体的流动性还受颗粒形状的影响，在相同WFT下，BP浆体的流动性略低于LP浆体。首先，LP的形状接近立方，相对于BP的片状，LP更容易在浆体内部滚动。其次，不规则形状的BP颗粒具有更复杂的多孔表面，能够吸收更多的自由水和高效减水剂，从而导致流动性损失。屈服应力和塑性粘度随WFT值的增大而减小，这是由于WFT值的增大导致颗粒间距增大，相互作用颗粒数量减少。在较低的WFT下，WFT的微小变化对流变参数有显著影响，而在较高的WFT下，WFT的较大变化对流变参数的影响较小[3]。

图2(a)固体颗粒微观形貌；(b)WFT对新拌浆体流动性的影响；(c)水膜层厚度对动态屈服应力和塑性粘度的影响[3]

图3表示基于低场核磁共振技术分析微米粒径（LP1）和纳米粒径（LP2）石灰石粉制备的UHPC水膜层厚度与水化反应、塑性粘度之间的关系。其中UHPC的流变性主要与第一个峰有关。由图3(a)可以发现随着LP1用量的增加，第一弛豫峰T2时间变化不明显，但峰面积显著增加，说明LP1降低了搅拌过程中水泥水化过程中自由水的消耗，保留更多的自由水，从而改善了UHPC的流变性。随着LP2用量的增加，第一弛豫峰面积逐渐减小，表明自由水含量减少。随着LP2掺量的增加，第一个T2峰出现轻微的左移，说明由于LP2的成核作用，水泥早期水化过程中消耗的自由水增加，由于LP2的填充作用，自由水分布空间变窄，从而提高了UHPC的塑性粘度。LP2掺量为5%、10%、15%和20%时，UHPC水膜厚度分别降低11.2%、23.5%、32.6%和38.9%。β与塑性粘度µ呈相反趋势。β增加对应塑性粘度的降低。加入LP2后，UHPC的β急剧下降，最终导致流动性损失，塑性粘度显著增加[4]。

图3(a) LP1-UHPC的T2分布；(b) LP2-UHPC的T2分布；(c)不同粒径石灰石粉对UHPC水膜厚度参数的影响^[4]

新拌混凝土可看作是粗细骨料分散于浆体相中的多相分散流体，粗骨料之间的空隙由细骨料填充，细骨料之间的空隙则由水泥浆体填充。新拌混凝土中的水泥浆体由两部分组成，其中一部分水泥浆体用于填充骨料颗粒间的空隙，另一部分多余的水泥浆体包裹骨料颗粒表面形成浆膜层，提供流动性，与WFT理论相似，浆膜层厚度越大，UHPC 浆体的流动性越好[1,5]。

图 4 混凝土各组分堆积状态^[5]

图 5 单一粒径骨料和多粒径骨料堆积示意图^[2]

图6表示三种MPT、APT、SPT模型的砂浆厚度，由于MPT模型选择了骨料的最大尺寸，故其浆膜层厚度比APT的值更大，SPT值与APT值较为接近，但在0.24 ~0.84 mm范围内仍有较大差异。在不考虑骨料粒度分布影响的情况下，MPT、APT和SPT三种模型的浆膜层厚度总体上与粗骨料体积分数呈幂函数关系^[5]。

图 6 砂浆厚度与粗集料体积分数的关系^[5]

图7 (a) 无高效减水剂；(b)添加高效减水剂时颗粒分散形态^[2]

减水剂在水泥基材料颗粒表面具有选择性吸附行为，导致浆体中的间隙液黏度存在较大差异对于新拌UHPC，随着水胶比和高效减水剂用量的增加，其流动性增大，屈服应力减小。当水胶比降至0.18时，减水剂用量对屈服应力的降低作用不显著。水胶比越高，拌合物的塑性粘度越低，减水剂用量对拌合物塑性粘度的影响越小。水胶比从0.24降低到0.20后，UHPC混合料的塑性粘度明显增加，从0.20进一步降低到0.18，对塑性粘度的增加作用有限。这可能是由于拌合物中固体浓度较高而自由空间较少；与屈服应力不同，在水胶比不变的情况下，减水剂用量对塑料黏度的影响不显著^[6]。

图8 新拌UHPC (a) 流动性(b)屈服应力(c)塑性粘度的变化规律^[6]

除减水剂外，调节 UHPC 黏度的化学外加剂还包括降黏剂，它通过改变新拌 UHPC 的屈服应力和塑性黏度来影响其流变性。其拥有更为丰富的支链结构和优异的吸附性能，使得聚合物在水泥颗粒表面上的吸附层厚度增加，能够明显降低塑性黏度。而且随着掺量的增加，水泥浆体的密实度增大，释放出大量水分，使得水泥颗粒表面水膜层厚度增加，流动度增大^[1]。

图9表示PCEs对低水胶比水泥-硅灰各性能影响，C-PCEs 和S-PCEs 主要通过空间位阻作用对水泥-硅灰体系进行分散；由于S-PCEs 的主链羧基密度高且含硅羟基，主链短、分子量小，因此在水泥及硅灰颗粒表面有着较大的吸附量，其吸附层致密，对絮凝结构的分散性更好。S-PCEs掺量为2% 时，低水胶比水泥-硅灰浆体( w/b = 0. 18) 的初始流动度达到 232. 5 mm，60 min 时的流动度为 217. 5 mm。水胶比低至 0. 14 时，掺 S-PCEs 的水泥-硅灰体系初始流动度为190 mm，60 min 时的流动度为 170 mm^[7]。

图9 PCEs种类对水泥-硅灰浆体(a) Zeta 电位；(b)吸附等温线；(c)流动度；(d) 体流变曲线的影响^[7]

（1）影响UHPC流变性因素众多，可从物理作用（颗粒形貌、骨料紧密堆积、滚珠效应等）及化学作用（静电排斥、空间位阻分散等）增大水膜层厚度或浆膜层厚度、降低间隙液黏度改善流变性。

（2）UHPC的水胶比一般在0.20以下，无法确定拌合水优先填充颗粒之间的空隙还是粘附在水泥表面，而且内部颗粒之间可能相互吸引絮凝成团，颗粒表面水膜层厚度计算值略有不足。

（3）化学外加剂对不同的固体颗粒表面具有一定的选择性吸附作用，可以对外加剂改性引入其他分子结构从而实现对不同固体颗粒表面吸附的优化作用。

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