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無接縫澆筑成型制作UHPC彈性球--參加全國首屆UHPC設計定制大賽有感
時間：2021-01-19    來源：CCPA-UHPC分會    分享：
我們采取UHPC內部填充輕質材料的方式設計制作彈性球，按要求計算球體的整體密度不超過1428kg/m3，而UHPC密度在2450kg/m3左右，故內部集中填充的輕質材料密度需要遠小于1428kg/m3。我們選用的輕質材料為固體浮力補償材料，抗壓強度為10MPa，整個彈性球的計算質量在5.5kg左右。


無接縫澆筑成型制作UHPC彈性球

   --參加全國首屆UHPC設計定制大賽有感

黃雄、姚丕強、張世杰 

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司
鄭州市建文特材科技有限公司

接縫澆筑UHPC彈性球


剛開始看到“混凝土和UHPC”公眾號發(fā)的大賽通知就被比賽趣味性所吸引，正好也想通過這次比賽檢驗和交流一下目前我們正在做的超高性能混凝土研究成果。



一、設計方案選擇


我們采取UHPC內部填充輕質材料的方式設計制作彈性球，按要求計算球體的整體密度不超過1428kg/m3，而UHPC密度在2450kg/m3左右，故內部集中填充的輕質材料密度需要遠小于1428kg/m3。我們選用的輕質材料為固體浮力補償材料，抗壓強度為10MPa，整個彈性球的計算質量在5.5kg左右。根據(jù)計算，UHPC彈性球的結構如圖1所示，其外部結構為外徑20cm，內徑16cm的UHPC材料殼體，內部結構為直徑16cm的浮力補償材料球體。

圖1 彈性球及其剖面示意圖



二、水泥選擇


水泥選用大型新型干法水泥廠生產的高性能硅酸鹽水泥（PI型）。此外考慮到UHPC材料自收縮較大，自收縮產生的微小形變對內部輕質材料造成壓應力，既破壞兩種材料的結合面，又會因內部應力存在而減小彈性，故用自研的膨脹性高貝利特硫鋁酸鹽水泥（已在合作單位鄭州建文特材科技有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產）部分替代硅酸鹽水泥，其水化引起的微膨脹會補償UHPC材料的收縮。其特點為：
1）具備普通硫鋁酸鹽水泥的優(yōu)勢，凝結快，早期強度高；
2）貝利特礦物含量較普通硫鋁酸鹽水泥大幅度提高，為材料后期強度穩(wěn)定增長提供保障；
3）該水泥水化會引起體積微膨脹，減小收縮；
4）與硅酸鹽水泥一同使用適應性好。



三、制作方法


1、準備好成型模具和浮力補償輕質球（如圖2）。

圖2 成型模具和輕質球

2、將輕質球兩端各擰入一根螺絲（螺絲伸入球體1cm左右），使螺絲可以搭在模具正上方，如圖3-a所示。


3、按照設計配比稱量原材料倒入攪拌鍋拌和好待用。


4、將適量拌和好的UHPC漿體倒入下部分模具，如圖3-b所示，將輕質球放置到模具的正中心，之后將模具上部分安裝固定到位。


5、如圖3-c所示，從模具上方的圓形孔洞中澆筑剩余的UHPC漿體，邊澆筑邊在振動臺上震動，直至澆滿磨具，然后用保鮮膜封閉孔洞。


6、在成型8h后，確保UHPC有一定的強度，輕質球不會上浮后，將螺絲從UHPC彈性球內擰出。

7、成型24h后拆模，使用蒸汽養(yǎng)護2d，之后在標準環(huán)境下進行養(yǎng)護26d。


圖3  成型UHPC彈性球過程


8、將養(yǎng)護好的UHPC球，利用打磨機將喂料處多余的物料磨去，并適當拋光，最終得到UHPC彈性球，重量5.5kg左右，見圖4所示。


圖4  UHPC彈性球


四、參賽體會


我們的參賽彈性球，最終比賽彈跳高度為35cm，處于中上水平（第9名），和前幾名70-80cm的高度相比還有一定差距，而且球體出現(xiàn)了1-2條微細裂紋，也限制了總體分數(shù)的提高。參賽之前，我們對自己的彈性球還是比較有自信的，我們不經(jīng)過蒸養(yǎng)的試塊在28天強度可以達到190MPa以上，蒸汽養(yǎng)護后強度可以超過220MPa。由于制作磨具的時間較長，留給制作彈性球的時間只有40多天，賽前我們只做了3個彈性球，最開始制作的一個彈性球因為內部填充的浮力材料沒有固定住，出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，試摔后高度20cm左右，出現(xiàn)了明顯裂紋。正式的比賽用球做好后，就沒有時間試摔了，直接帶去南京進行比賽了。出現(xiàn)局部裂紋的主要原因可能是纖維的影響，如圖5所示，彈性球的落點靠近球的中部，而兩道微小裂紋出現(xiàn)在球的澆筑口部位。為了讓球更密實，我們?yōu)榍蛱峁┝溯^多的振動時間，頂部的纖維多少會下沉一些，導致該部位在承受臨界應力時最先開裂。


圖5  比賽后的UHPC彈性球


通過此次大賽，讓我們看到了UHPC材料更多的可能性，背后體現(xiàn)出的是研究人員更多的創(chuàng)造性。每支參賽隊伍都用心的準備了這次比賽，也投入了較大的熱情，比賽的意義在于準備期間能不斷發(fā)現(xiàn)自己問題并改進，比賽過程中能看到他人的優(yōu)點并吸取，取人之長，補己之短，總結得失，成長成熟。


感謝此次大賽組委會、大賽評委老師、志愿者和臺前幕后的工作人員！



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