本视频有ACI美国混凝土协会主办，史蒂文斯理工学院的孟维娜主讲
在北美，超高性能混凝土（UHPC）已成功应用于桥梁构件。然而，大多数关于UHPC的研究都集中在实现力学性能和耐久性上，而对UHPC的可操作性（即流变性能和流动性）的研究有限。人们认识到UHPC的主要问题在于施工过程中由于显著的可操作性降低（或屈服应力和粘度的增加）而导致难以操作。通常情况下无法实现超高性能，因为所需的UHPC流变学无法满足。此外，纤维的均匀性（即分散度）和排列（方向），对结构元素的拉伸性能有着重要的影响，这受控于混凝土基质流变性。设计和控制UHPC的流变学已成为实践中应用UHPC的关键。本文的主要目标是展示成分在UHPC开发中的关键性。首先，概述了可用于超高性能的各种材料（如补充胶凝材料，纳米材料，砂，化学外加剂和纤维）。然后，针对不同应用，比如基础设施修复和结构元件的新建，分析了UHPC所需的主要流变性和流变控制策略，以满足所需性能。最后，讨论了建模技术，包括计算流体动力学方法，离散元法和机器学习，以辅助预测和设计具有适应流变学的UHPC。
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介绍：感谢王博士的介绍。我叫韦娜，是史蒂文斯理工学院的助理教授，我的博士导师是卡莫·卡亚克博士。今天我要讲的工作是我们共同完成的一篇综述论文，发表在《水泥与混凝土研究》上。这篇论文涵盖了超高性能混凝土（UHPC）流变性质的多个方面，包括流动模型、流变测量技术、各种原材料对UHPC流变性质的影响，以及控制不同应用UHDC流变性的要求和策略。
由于时间关系，我无法涵盖所有内容，因此今天我将只关注适应不同应用的UHPC流变性，例如改善纤维分布、斜坡浇筑和大规模生产的便利性。
首先，我将介绍真实流变性控制以改善纤维分布。为什么这很重要呢？因为更好的纤维定向会导致更高的抗弯性能。例如，含有1%鲸鱼或租赁钢纤维的UHPC，即使比含有2%钢纤维的UHPC展现出更好的抗弯性能，也没有定向。同样数量的钢纤维，当纤维被定向时，抗弯性能显著提高。
此外，我们还研究了UHPC的腐蚀问题。我们发现，当纤维沿着钢筋方向良好定向时，由于钢纤维和钢筋之间没有接触，两种金属没有电连接，因此我们没有发现任何电偶腐蚀。因此，更好的纤维定向也有助于提高耐腐蚀性。
为了实现更好的纤维分布，目前许多研究人员试图改进浇筑方法。例如，他们使用不同的工具，按层次沿纵向放置UHPC。我们还可以在流动的UHBC中实现自适应纤维定向，这意味着我们需要开发高流动性的UHPC，并使用射流让它从UHVC梁的一侧流向另一侧。因此，在UHPC流动过程中，纤维将在剪切区重新定向，流速梯度将对纤维施加扭矩并使其定向到拉伸方向。因此，流速梯度是由UHPC悬浮浆的粘度控制的，不仅是纤维定向，还有纤维分散也是由悬浮浆的粘度控制的。除了使用更好的浇筑方法外，我们还需要优化UHPC悬浮浆的粘度，以改善纤维定向和分散。
确定超高性能混凝土悬浮浆的塑性粘度，使用宾汉模型确定塑性粘度：
为了测试超高性能混凝土悬浮浆的粘度，我们使用了接触式六号流变仪，在相对较低的剪切速率（最高20秒每次）下，我们得到了剪切应力和剪切速率之间的线性关系。然后，我们应用宾汉模型来拟合这条曲线或直线，并获得塑性粘度作为直线的斜率。
为了研究超高性能混凝土悬浮浆的塑性粘度如何影响纤维分布和抗弯性能，我们研究了六种不同的混合物。对于这六种混合物，我们固定了钢纤维含量为2%，固定了胶凝材料含量和骨料含量，唯一改变的是粘度改性剂（VMA）的剂量。不同剂量的VMA会导致超高性能混凝土悬浮浆的不同塑性粘度。
在实验中，首先我们需要固定超高性能混凝土悬浮浆的迷你坍落流动度约为280毫米，然后在添加纤维之前，我们测试了超高性能混凝土悬浮浆的迷你V漏斗流动时间，并同时测试了塑性粘度。我们发现流动时间和塑性粘度之间有很好的线性关系，这个简单的工具可以作为评估流动时间和塑性粘度的指标。
一旦我们测试了悬浮浆的粘度，我们就将2%的纤维添加到不同粘度的悬浮浆中，在28天后，我们测试了梁的抗弯性能，然后从断裂的梁中切割出部分，以评估纤维定向和纤维分散。
流变性控制：建立流变性质（使用粘度改性剂）、抗弯性能和纤维分布之间的关系。当你向超高性能混凝土悬浮浆中添加不同剂量的VMA时，你会得到不同的流动时间和不同的塑性粘度，并且记住它们之间有线性关系。不同粘度的悬浮浆会导致不同的纤维分布、定向和分散，不同的纤维分布会导致不同的抗弯性能。最终，我们可以建立悬浮浆的流动时间和超高性能混凝土抗弯性能之间的关系，这样我们就可以简单地通过控制悬浮浆的流动时间来控制超高性能混凝土的抗弯性能。
图像分析用于纤维分散和定向：使用梁截面的二值图像来评估纤维分散和定向。如您所见，具有不同VMA剂量的混合物的纤维分布是不同的，我们使用η作为纤维定向系数。当η接近1时，意味着纤维完美地沿着拉伸方向排列，我们使用α作为纤维分散系数。当α等于1时，意味着纤维完美地均匀分散。
流变性对超高性能混凝土抗弯性能的影响：控制流变性质以优化抗弯性能。
如您所见，在这些图表中，即使我们使用完全相同的C纤维含量（2%），不同的VMA剂量也会导致抗弯性能有很大的差异。当VMA剂量为1%时，我们可以获得最高的抗弯强度和耗散能量，后者是通过载荷和挠度曲线下的面积计算得出的。原因是，当我们添加1%的VMA时，悬浮浆的粘度导致纤维具有相对较高的η值（定向系数）和最高的α值（分散系数）。这些结果告诉我们，如果我们可以使用某些混合物，例如VMA，来调整UHPC悬浮浆的流动时间至约46秒，然后我们添加纤维，我们就可以获得具有最高抗弯性能的UHPC梁。
我们还通过改变混合设计来验证这一概念。我们改变了粘结系统，并控制了UHBC悬浮浆的迷你漏斗流动时间至16秒、68秒（接近60或46秒，即最佳流动时间）以及93秒。结果如预期，当悬浮浆的流动时间控制在48秒左右时，我们获得了最高的抗弯性能。但值得注意的是，即使我们通过增加VMA来增加纤维分布，从而增加悬浮浆的粘度，我们仍然观察到抗弯性能的下降。这实际上是因为，如果添加过多的VMA，使得基质的粘度过高，会导致大量空气被夹带进来，从而削弱了UHPC的基质。此外，UHPC的抗裂行为高度依赖于钢纤维和基质之间的粘结行为。通过拉出测试，我们发现如果添加2%的VMA，粘结性能会显著降低。
微观结构：更多的VMA，基质的塑性粘度更高，纤维和基质界面之间观察到更多的孔洞。因此，我们需要找到悬浮浆的最佳粘度，既能提供更好的纤维分布，同时也能提供更密实或更好的微观结构。
我们还进行了其他研究，关于纤维含量对流变性控制的影响，我们发现对于不同的纤维含量，最佳粘度值是不同的。总体而言，含有更高纤维含量的UHPC需要更高的悬浮浆粘度来确保最高的抗弯性能。
我们还发现，试件厚度对纤维分布有显著的影响。如图所示，纤维分散和定向系数随着试件厚度的增加而减少。使用VMA可以有效减少尺寸效应。
在这些图表中，您可以看到，即使我们使用完全相同的C纤维含量（2%），不同的VMA剂量也会导致抗弯性能有很大的差异。当VMA剂量为1%时，我们可以获得最高的抗弯强度和耗散能量，后者是通过载荷和挠度曲线下的面积计算得出的。原因是，当我们添加1%的VMA时，悬浮浆的粘度导致纤维具有相对较高的η值（定向系数）和最高的α值（分散系数）。这些结果告诉我们，如果我们可以使用某些混合物，例如VMA，来调整UHPC悬浮浆的流动时间至约46秒，然后我们添加纤维，我们就可以获得具有最高抗弯性能的UHPC梁。
我们还通过改变混合设计来验证这一概念。我们改变了粘结系统，并控制了UHBC悬浮浆的迷你漏斗流动时间至16秒、68秒（接近60或46秒，即最佳流动时间）以及93秒。结果如预期，当悬浮浆的流动时间控制在48秒左右时，我们获得了最高的抗弯性能。但值得注意的是，即使我们通过增加VMA来增加纤维分布，从而增加悬浮浆的粘度，我们仍然观察到抗弯性能的下降。这实际上是因为，如果添加过多的VMA，使得基质的粘度过高，会导致大量空气被夹带进来，从而削弱了UHPC的基质。此外，UHPC的抗裂行为高度依赖于钢纤维和基质之间的粘结行为。通过拉出测试，我们发现如果添加2%的VMA，粘结性能会显著降低。
微观结构：更多的VMA，基质的塑性粘度更高，纤维和基质界面之间观察到更多的孔洞。因此，我们需要找到悬浮浆的最佳粘度，既能提供更好的纤维分布，同时也能提供更密实或更好的微观结构。
我们还进行了其他研究，关于纤维含量对流变性控制的影响，我们发现对于不同的纤维含量，最佳粘度值是不同的。总体而言，含有更高纤维含量的UHPC需要更高的悬浮浆粘度来确保最高的抗弯性能。
我们还发现，试件厚度对纤维分布有显著的影响。如图所示，纤维分散和定向系数随着试件厚度的增加而减少。使用VMA可以有效减少尺寸效应。
我们还开发了一种深度学习方法，通过视频流来评估UHPC的塑性粘度。这意味着输入是从混凝土混合过程中拍摄的视频中提取的图像，然后这些图像将被发送到特征学习层，该层将基于图像的像素提取特征，并将其发送到序列学习层。这一层将图像信息转换为序列数据并发送到分类层，然后输出是UHPC的塑性粘度。整个评估过程，包括拍摄视频，耗时不到一分钟，这将大大加快粘度评估或评价的速度。
如果您查看训练和验证损失的结果，您会发现这些结果非常一致，这意味着模型没有过度拟合或欠拟合。对于训练和验证准确性结果，如您所见，这些结果非常接近1，这意味着模型可以提供非常高的分类准确性。
另一个UHPC流变性的应用是开发作为桥面覆盖层的六层峰值UHPC。UHPC通常具有自密实特性，这种自密实特性在进行桥梁接缝浇筑或封闭浇筑时非常有用，也适用于复杂预制构件的浇筑。但是，如果您想将这种UHPC作为倾斜表面浇筑，尤其是在需要斜坡设计的情况下，就会非常困难。增强UHPC的额外峰值特性可以使其更容易混合，并且在斜坡上浇筑测试后，它将保持稳定，不会流动，因此您可以将其重新塑形为任何形状。然而，如果您采取的是厚度策略，作为静态黄色应力和时间之间线性关系的斜率，您会发现UHPC与基材之间的粘结强度随着额外树的增加而减少。我们可以通过振动来帮助增加粘结强度，较高的振动能量需要较少的时间来达到最佳粘结强度。
振动对界面性质的影响：振动可以帮助增加粘结强度，较高的振动能量需要较少的时间来达到最佳粘结强度。应用一定的振动，因为振动可以增加粘结强度。但是，对于具有不同大策略的UHPC，您将需要不同的振动时间来达到最佳粘结强度。此外，如果您想缩短达到最佳粘结强度的时间，则需要应用更高的振动能量。
大规模UHPC生产的问题：在大容量生产或高温下，UHPC很难混合。对于不同的UHPC混合物，在不同体积和环境温度下混合时，所需的最大混合扭矩是不同的，如果搅拌机无法克服最大扭矩，可能会停止工作。
因此，最后一个应用我想谈的是大规模UHPC生产的流变性控制。据报道，UHPC在大容量生产或高温下非常难以混合。从我们的初步研究中，我们发现在混合阶段开始时，混合物像粉末一样，因此很容易混合，因为所需的混合扭矩较低。但是当混凝土变成块状时，混合变得非常困难，因为所需的混合扭矩显著增加。在我们的案例中，加水后90秒的混合时间，混合扭矩达到最大值。只有当搅拌机克服了这个最大扭矩，它才能继续混合，之后混合会变得越来越容易。因此，对于大规模或高温下的大容量混合UHPC，实际所需的最大混合扭矩太高，以至于搅拌机可能没有足够的混合能力来克服这个最大扭矩，这就是为什么一些搅拌机在混合过程中会停止工作。
大规模UHPC生产：优化混合程序可以促进大规模UHPC生产，通过减少最大混合扭矩。例如，对于具有不同混合设计、不同体积或在不同环境温度下混合的UHPC，我们可能需要使用不同的混合程序。例如，如果您有一个混合扭矩容量约为20的搅拌机，如果您同时混合所有原料和液体，或者先加水然后再加入所有原料，搅拌机可能会停止工作，因为混合扭矩超过了搅拌机的混合能力。但是，如果您将所有原料分成三份，即先将三分之一的原料均匀混合，然后再添加第二部分和第三部分，您可以显著降低最大扭矩，即使是混合能力较小的搅拌机也可以进行混合，但这种方法会延长混合时间。
在我们的研究中，我们发现混合时间的总长度并没有显著影响UHPC的新鲜和硬化性能。这为减少最大混合扭矩和便于大规模生产提供了一种可能的方法。感谢您的关注，如果您有任何问题，我很乐意回答。
关于纤维定向对镀锌作用的影响，我们建议在浇筑此类试件或结构元素时，最好预先定向纤维。我们的混合物中实际上添加了一些称为气泡稳定剂的消泡剂，以减少混合物中的空气含量。
关于不同VMA程序对首次裂缝的影响，我们观察到首次裂缝几乎相同。当钢纤维的量相同时，基质几乎相同时，首次裂缝也几乎相同。至于不同基材表面对粘结性能的影响，我们目前只进行了一些喷砂处理，但未来我们肯定会进行其他处理，以了解其对粘结强度的影响。
最后，关于大规模UHPC生产的流变性控制，我们发现在大容量生产或高温下，UHPC很难混合。我们的初步研究表明，通过优化混合程序可以减少最大混合扭矩，从而促进大规模生产。例如，我们可能需要根据不同的混合设计、不同的体积或不同的环境温度使用不同的混合程序。如果您有任何其他问题，请随时在问答框或聊天中提出，我会回复您。再次感谢您的精彩演讲。
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