《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Flow characteristics during gradient casting, fiber orientation, and mechanical performance of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete slabs incorporating viscosity-modifying admixtures
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摘要本研究探讨了基于纤维素的粘度调节外加剂（VMA）对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）在倾斜板上浇筑时的流变行为、重力驱动流动特性、纤维取向以及力学性能的影响。研究人员进行了系统的实验研究，包括使用叶片流变仪进行流变测量、微观结构分析、利用微计算机断层扫描技术定量评估流动引
摘要
本研究探讨了基于纤维素的粘度调节外加剂（VMA）对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）在倾斜板上浇筑时的流变行为、重力驱动流动特性、纤维取向以及力学性能的影响。研究人员进行了系统的实验研究，包括使用叶片流变仪进行流变测量、微观结构分析、利用微计算机断层扫描技术定量评估流动引起的纤维取向，以及在材料和板尺度上评估抗压、抗拉和抗弯性能。结果表明，添加VMA显著提高了静态和动态屈服应力；而在低剂量时塑性粘度急剧增加，之后对剂量增加的敏感性相对降低。在倾斜浇筑条件下，随着VMA含量的增加，流动速度几乎呈线性下降，这表明UHPFRC的自流动行为主要受屈服应力控制而非塑性粘度的影响。流动引起的纤维取向受浇筑动态的显著影响；当VMA用量达到粘结剂质量的0.10%时，纤维倾向于沿着流动方向排列，尤其是在板边缘处由于壁效应的作用更为明显。随着VMA用量的增加，力学性能逐渐下降，抗压强度降低了约13%，而抗拉强度和应变能量密度分别降低了约5%和52%。在板尺度上，抗弯性能更多地受到流动诱导的纤维取向的影响，从板边缘提取的试件表现出相对较高的强度和韧性。总体而言，这些发现强调了在重力驱动流动条件下可靠设计UHPFRC构件时平衡流变控制和流动诱导纤维取向的重要性。
引言
超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）具有极其致密的微观结构，因此具有极低的渗透性和高抗冻融损伤能力[1]。孔隙的有限连通性以及可冻结水的减少有效限制了水分和侵蚀性物质的侵入，从而即使在恶劣的环境条件下也能减轻内部冻融损坏。除了出色的耐久性外，UHPFRC还具有高耐磨性，这对于反复承受交通荷载和表面磨损的结构构件和路面系统尤为有利[2]。此外，UHPFRC具有非常高的强度和刚度，可以使用显著更薄的结构层同时保持增强的承载能力和长期耐久性，且自重增加幅度很小[3]。传统的刚性混凝土覆盖层通常需要51-152毫米的厚度才能达到足够的结构性能和耐久性。相比之下，现场应用中的UHPFRC覆盖层厚度可减少到约25-51毫米，而不会损失结构稳定性[3]。这种覆盖层厚度的减少对结构完整性特别有益，因为它直接减轻了自重。由于这种卓越的力学性能、耐久性和耐磨性的结合，UHPFRC越来越多地被用作桥梁甲板、道路和路面系统的高性能覆盖层和修复材料[4],[5],[6]。
道路和桥梁甲板等民用基础设施的设计通常包括纵向和横向坡度，以满足排水要求、驾驶安全性和地形限制[7]。当混凝土浇筑在这些类型的倾斜表面上时，新鲜混凝土的流动行为成为一个关键因素，不仅关系到施工可行性，也关系到硬化材料的质量和耐久性。重力引起的剪切应力与倾斜基底上混凝土的流变性能相互作用，并控制着混凝土在浇筑过程中的运动、停止及整体形状稳定性。
因此，传统的低坍落度混凝土被广泛用于滑模铺装，主要是因为它可以在浇筑后立即在倾斜表面上保持几何稳定性。然而，由于其的可操作性有限，通常需要强烈的振动来去除包裹的空气并实现充分的密实[8]。据报道，过度振动会导致不利影响，包括骨料分离和表面平整度的恶化。此外，从振动后的铺装层中提取的芯样往往显示含气量远低于设计要求的6-7%，通常低于3%，从而导致冻融耐久性显著降低[9]。相比之下，高流动性混凝土（包括自密实混凝土）无需振动即可提供优异的填充能力；然而，在倾斜条件下，过度的流动可能会阻碍这些材料保持其预期的几何形状。这些相反的行为表明，有效控制新鲜混凝土在倾斜表面上的流动仍然是一个未解决的技术挑战。
UHPFRC结合了高流动性与自密实能力，在平坦结构构件的施工效率和材料质量方面具有明显优势。然而，当应用于倾斜板时，其自身的自 leveling 趋势可能导致浇筑过程中过度的重力驱动流动，使得形状稳定难以保持。从流变学的角度来看，通过适当调整屈服应力、粘度和触变性质等参数可以缓解这种行为。尽管有这种一般性的理解，但关于UHPFRC在倾斜条件下浇筑行为的系统实验研究仍然很少。Shin等人[10]使用计算流体动力学模拟评估了UHPFRC在倾斜铺装上的形状稳定性，并提出了基于边界条件和流体力学的流变准则。尽管他们的研究为重力驱动流动和静止稳定性提供了宝贵的见解，但他们没有考虑使用粘度调节外加剂（VMA）作为实际控制流变性能的实际混合设计工具。此外，据我们所知，尚未有关于流动在倾斜表面上引起的纤维迁移和取向及其对硬化后结构性能（特别是抗弯性能）影响的实验研究。根据Martinie和Roussel[11]的研究，纤维的最大取向特征时间仅为几秒，这比实际浇筑时间要短，足以使钢纤维在流动过程中调整其取向。这种流动诱导的纤维排列对UHPFRC的抗弯性能有 decisive 的影响；因此，应采用明确考虑纤维取向的评估方法。
因此，本研究旨在通过实验明确 UHPFRC 在含纤维素 VMA 的条件下，流变学、流动特性、纤维取向和力学性能之间的耦合效应。研究重点关注新鲜状态流变性能、重力驱动流动行为、流动引起的纤维取向以及硬化后力学性能之间的关系。为此，使用叶片流变仪测量了新鲜 UHPFRC 的静态和动态屈服应力，以表征其流变行为。随后监测了倾斜板上的流动速度，以捕获重力驱动的流动特性。利用微计算机断层扫描（CT）量化了得到的纤维取向，并通过抗压、直接抗拉和抗弯测试评估了硬化后的力学性能。这些结果为 UHPFRC 在倾斜结构中的应用提供了以流变为导向的设计见解，并有助于更清楚地理解流动诱导的纤维排列如何影响全尺寸板应用中的结构性能。
章节摘录
原材料、混合比例和养护条件
UHPFRC 是通过将13毫米长的直钢纤维以2%的体积分数掺入UHPC基体中制备的[12]。所用钢纤维的详细几何和物理性质见表1。UHPC基体主要由I型普通波特兰水泥（OPC）和硅灰（SF）作为主要粘结剂组成。硅粉和砂分别用作填料和细骨料。OPC、SF、硅粉和硅砂的密度分别为3.15、2.20和2.65 g/cm3
流动性
根据ASTM C1437标准[26]进行了流动性测试，结果总结在图8中。按照标准程序，取出圆锥形模具，并在15秒内向试样中滴入25滴液体。为了评估粘度调节外加剂对新鲜UHPFRC流动性的影响，在滴液前和滴液后分别测量了流动直径。
对于不含VMA的普通UHPFRC（PU），滴液前的平均流动直径为
局限性和未来研究
本研究的范围留下了几个未来工作的方向。所有试样都是在实验室规模下，在单一倾斜角度下浇筑的，因此需要在大规模或现场试验中测试不同坡度下的情况，以确认观察到的流动行为、纤维分布和力学性能是否可以推广到实际应用中。
抗压和抗拉试样并非在与抗弯试样相同的倾斜角度下浇筑的。因为倾斜浇筑会重新排列纤维，从而影响抗压性能
结论
本研究探讨了基于纤维素的VMA对UHPFRC的流变行为、倾斜板浇筑过程中的重力驱动流动特性、纤维取向以及力学性能的影响。进行了全面的实验研究，包括流动性测试、叶片流变测量、倾斜板上的流动速度测量、微观结构和流动诱导纤维取向的分析，以及在
CRediT作者贡献声明
Rongzhen Piao： 方法学，数据管理。Kwangmo Lim： 验证，资源协调。Kyung-Taek Koh： 资源协调，项目管理。Jung-Soo Lee： 方法学，正式分析。Doo-Yeol Yoo： 写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取。Seong-Jae Kim： 写作 – 初稿撰写，调查，正式分析，数据管理。Keat Bin Teoh： 软件，方法学。Qingbo Ning： 方法学，调查
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本文的研究是在科学技术信息部资助的KICT研究计划（20260099-001，先进超级混凝土技术开发以促进市场多样化）下进行的。
Seong-Jae Kim|Keat Bin Teoh|Qingbo Ning|Rongzhen Piao|Kwangmo Lim|Kyung-Taek Koh|Jung-Soo Lee|Doo-Yeol Yoo
