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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(shè)計(jì)定制大賽有感
時(shí)間：2021-01-19    來源：CCPA-UHPC分會    分享：
我們采取UHPC內(nèi)部填充輕質(zhì)材料的方式設(shè)計(jì)制作彈性球，按要求計(jì)算球體的整體密度不超過1428kg/m3，而UHPC密度在2450kg/m3左右，故內(nèi)部集中填充的輕質(zhì)材料密度需要遠(yuǎn)小于1428kg/m3。我們選用的輕質(zhì)材料為固體浮力補(bǔ)償材料，抗壓強(qiáng)度為10MPa，整個(gè)彈性球的計(jì)算質(zhì)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(shè)計(jì)定制大賽有感

黃雄、姚丕強(qiáng)、張世杰 

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)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(yàn)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(shè)計(jì)方案選擇


我們采取UHPC內(nèi)部填充輕質(zhì)材料的方式設(shè)計(jì)制作彈性球，按要求計(jì)算球體的整體密度不超過1428kg/m3，而UHPC密度在2450kg/m3左右，故內(nèi)部集中填充的輕質(zhì)材料密度需要遠(yuǎn)小于1428kg/m3。我們選用的輕質(zhì)材料為固體浮力補(bǔ)償材料，抗壓強(qiáng)度為10MPa，整個(gè)彈性球的計(jì)算質(zhì)量在5.5kg左右。根據(jù)計(jì)算，UHPC彈性球的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部結(jié)構(gòu)為外徑20cm，內(nèi)徑16cm的UHPC材料殼體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為直徑16cm的浮力補(bǔ)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(chǎn)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(chǎn)生的微小形變對內(nèi)部輕質(zhì)材料造成壓應(yīng)力，既破壞兩種材料的結(jié)合面，又會因內(nèi)部應(yīng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)）部分替代硅酸鹽水泥，其水化引起的微膨脹會補(bǔ)償U(kuò)HPC材料的收縮。其特點(diǎn)為：
1）具備普通硫鋁酸鹽水泥的優(yōu)勢，凝結(jié)快，早期強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)性好。



三、制作方法


1、準(zhǔn)備好成型模具和浮力補(bǔ)償輕質(zhì)球（如圖2）。

圖2 成型模具和輕質(zhì)球

2、將輕質(zhì)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(shè)計(jì)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(zhì)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(qiáng)度，輕質(zhì)球不會上浮后，將螺絲從UHPC彈性球內(nèi)擰出。

7、成型24h后拆模，使用蒸汽養(yǎng)護(hù)2d，之后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)26d。


圖3  成型UHPC彈性球過程


8、將養(yǎng)護(hù)好的UHPC球，利用打磨機(jī)將喂料處多余的物料磨去，并適當(dāng)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(xì)裂紋，也限制了總體分?jǐn)?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(qiáng)度可以達(dá)到190MPa以上，蒸汽養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度可以超過220MPa。由于制作磨具的時(shí)間較長，留給制作彈性球的時(shí)間只有40多天，賽前我們只做了3個(gè)彈性球，最開始制作的一個(gè)彈性球因?yàn)閮?nèi)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(shí)間試摔了，直接帶去南京進(jìn)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(diǎn)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(shí)，我們?yōu)榍蛱峁┝溯^多的振動時(shí)間，頂部的纖維多少會下沉一些，導(dǎo)致該部位在承受臨界應(yīng)力時(shí)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(duì)伍都用心的準(zhǔn)備了這次比賽，也投入了較大的熱情，比賽的意義在于準(zhǔn)備期間能不斷發(fā)現(xiàn)自己問題并改進(jìn)，比賽過程中能看到他人的優(yōu)點(diǎn)并吸取，取人之長，補(bǔ)己之短，總結(jié)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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