C140超高性能混凝土制作與性能試驗(yàn)研究

沈 磊（上海建耘建設(shè)工程檢測有限公司，上海 201403)

超高性能混凝土簡稱 UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，在 20 世紀(jì) 90 年代，法國 Richard P 等以超細(xì)粒聚密水泥和宏觀無缺陷水泥為基礎(chǔ)，研發(fā)出后活性粉末混凝土。國際上將摻入纖維的 UHPC 稱為超高性能纖維混凝土，其實(shí)是一種纖維增強(qiáng)超高性能水泥砂漿[1]。UHPC 在近三十年中創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了工程材料性能的大跨越，具有超高強(qiáng)度、低脆性和優(yōu)異的耐久性，又有效地彌補(bǔ)普通混凝土的許多缺陷。但是國內(nèi)研究 UHPC 領(lǐng)域廣度不夠。

1 UHPC的制備

1.1 制備原理

與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC 具有優(yōu)異的力學(xué)性能，UHPC 材料內(nèi)部致密，具有極佳的耐久性。由于高強(qiáng)高性能混凝土的高黏性，泵送過程中，混凝土與管壁剪切力增大,因此，要達(dá)到 UHPC 商業(yè)用途必須解決超高泵送的技術(shù)要求，克服低水膠比與大流動性要求之間的矛盾；混凝土拌合物高黏性與易流動的矛盾；超高壓泵送與離析分層、抗泌水的矛盾；較長距離運(yùn)輸、高溫作業(yè)施工、超高泵送與長時間保持和易性要求的矛盾等技術(shù)難題[2]。實(shí)踐中要解決超高性能混凝土的超高強(qiáng)度和大流動度之間矛盾的思路如下。

（1）舍去普通混凝土中的粗集料，集料級配優(yōu)化、降低空隙率，更好地發(fā)揮拌合物漿體潤滑作用，提高混凝土流動性。

（2）充分考慮超細(xì)礦物摻合料的活性與填充效應(yīng)，降低混凝土的水膠比、增大流動性，同時提高混凝土的強(qiáng)度，改善混凝土的耐久性。

（3）用更高減水功效的高效減水劑，控制 UHPC 的水膠比＜0.22，并滿足大流動性要求。

上述制作 UHPC 的思路是不再使用普通混凝土中占據(jù)近半數(shù)量的粗集料，摻入超細(xì)活性粉末，使用聚羧酸系高效減水劑降低水膠比，用高溫養(yǎng)護(hù)，另外通常摻入適量微細(xì)鋼纖維。其中，除去粗集料后， UHPC 材料的均質(zhì)性提高，并能提高水泥漿與細(xì)集料的界面黏結(jié)性能，減少微裂縫[2]。在微觀結(jié)構(gòu)上，受力后的混凝土最薄弱集料與膠凝材料界面的應(yīng)力導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)在黏結(jié)界面，減小集料粒徑抑制了荷載作用下集料與漿體界面裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。傳統(tǒng)混凝土中水泥漿的收縮被集料構(gòu)成的剛性集架約束，造成集料與漿體的界面缺陷，因此 UHPC 增大了膠凝材料用量，只用細(xì)集料，使集料包裹在水泥漿中，混凝土收縮時集料隨漿體作用力移動，有效地減少因漿體收縮引起的界面缺陷。

在 UHPC 中采用硅粉作為超細(xì)活性粉末，有效地填充了水泥顆粒間的空隙；同時，硅粉的細(xì)微球體結(jié)構(gòu)又提高了拌合物的流變性[1]；另外，其二次水化反應(yīng)生成的 C-H 凝膠亦有助于提高材料強(qiáng)度。

采用高溫養(yǎng)護(hù)可改善 UHPC 的微觀結(jié)構(gòu)。由于在 UHPC的制備過程中通常使用硅粉，90 ℃ 左右的高溫養(yǎng)護(hù)可有效加速硅粉參與的二次水化反應(yīng)，其晶體形貌也會發(fā)生變化。在 250～400 ℃ 的高溫下，硬化的漿體脫水生成硬硅鈣石，此時 UHPC 具有更高的強(qiáng)度。不摻入纖維時，UHPC 材料基本無延性，在荷載作用下易發(fā)生脆性破壞，纖維的摻入可改善UHPC 材料的延性和抗拉性能[2]。

1.2 組成材料、配合比及制備工藝

1.2.1 組成材料

（1）水泥：水泥中 C3A 在較高需水量狀態(tài)下發(fā)生水化反應(yīng)，這種狀況不利于低水膠比要求，所以應(yīng)采用低 C3A 含量的水泥品種；直接用超細(xì)水泥制備 UHPC，可以高提水泥自身活性；在制作 UHPC 時水泥用量較大，在混凝土養(yǎng)護(hù)過程期間產(chǎn)生的收縮變形較大，使用非閉合截面形式設(shè)計構(gòu)件，可避免混凝土收縮使應(yīng)力分布不均勻。

（2）集料：早期的 UHPC 研究中選用的集料是粒徑范圍 0.15～0.6mm的石英砂，隨著研究的深入，集料粒徑范圍逐漸放大。采用傳統(tǒng)石英砂、兩類粒徑＜5mm的細(xì)砂和碎玻璃作為集料制作 UHPC 平行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加碎玻璃集料時UHPC 的力學(xué)性能明顯降低，原因是光滑的玻璃表面不利于漿料與集料界面間的黏結(jié)性能。

（3）摻合料：有研究發(fā)現(xiàn)采用高爐?；V渣和粉煤灰取代 UHPC 中的部分膠凝材料，在不同養(yǎng)護(hù)條件下可提高混凝土的力學(xué)性能，從取代效果看高爐?；V渣最好，且可少用硅粉量[2]。

（4）超細(xì)活性粉末：之前硅粉一直作為超細(xì)活性粉末應(yīng)用于UHPC[3]，最近有人研究將水泥磨細(xì)至超細(xì)水泥則具備超細(xì)活性粉末的特點(diǎn)，本制備 UHPC 時用硅粉。

（5）纖維：有用長度 3～6mm的微型碳纖維制備新型 UHPC，發(fā)現(xiàn) 50 mm×50 mm×50mm立方體抗壓強(qiáng)度＞200 MPa。但過短鋼纖維，黏結(jié)力不足，在混凝土受彎時延性不足，而合適的纖維長度和長徑比改善 UHPC 的受彎性能明顯。

（6）拌和水：在研制 UHPC 時，先確認(rèn)最小用水量，后微調(diào)實(shí)際用水量和高效減水劑量，以確?；炷猎谧罴训墓ぷ餍韵碌牧W(xué)性能。

（7）減水劑：UHPC 要大量的高效減水劑摻入，選用較多的是聚羧酸減水劑，但是，摻入過多減水劑使 UHPC 拌合物易緩凝。

1.2.2 配合比設(shè)計

為了使 UHPC 具有力學(xué)性能、耐久性能，還要具備經(jīng)濟(jì)性，在低用水量條件下滿足拌合物的工作性能，配合比的膠砂比一般約為 1.1，高效減水劑初定為 2% 以內(nèi)[3]；超細(xì)活性粉末在膠凝材料中占比約為 5%～20%，使用摻合料＜40%，適量石英粉摻入，為保證 UHPC 的韌性及經(jīng)濟(jì)性要求，摻入鋼纖維的體積含量約為 1.5%～3% 之間。

UHPC 配合比的設(shè)計過程：確定水膠比，選擇單位用水量，根據(jù)膠凝材料用量范圍和選定的水膠比，初步計算混凝土配比試拌單位用水量，并在試拌的過程中進(jìn)行調(diào)整，最終確定單位用水量、膠凝材料用量、礦物摻和料量、硅灰摻量；外加劑摻量通過試配確定；砂率選用并經(jīng)試配調(diào)整確定；最后確定集料用量。依據(jù)以上步驟計算后調(diào)整拌和物的基礎(chǔ)配合比，在此基礎(chǔ)水膠比上增加和減少 0.02，砂率相應(yīng)地增加和減少 1%，設(shè)計出 3 個不同配合比的混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，再進(jìn)行擬合分析。

2 配合比設(shè)計試配實(shí)例

2.1 配合比的優(yōu)化

依據(jù) GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容初步設(shè)計 C 140 配合比，通過實(shí)際試配及調(diào)整確定初始配合比，實(shí)測 28 d 抗壓強(qiáng)度 145 MPa，抗折強(qiáng)度 18.3 MPa，具體配合比見表 1 所示。

表1 UHPC 初始基礎(chǔ)配合比 kg/m3

2.2 養(yǎng)護(hù)工藝方式

混凝土試件成型后靜養(yǎng)，靜養(yǎng)室內(nèi)溫度＞25 ℃、相對濕度＞60%，靜養(yǎng)約 24 h 拆模，再分別放入以下 3 種不同方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（1）甲：將試件放入溫度為 （70±5）℃ 的加速養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù) 3 d，后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（20±2）℃ 養(yǎng)護(hù) 3 d，最后自然養(yǎng)護(hù)至測試齡期。

（2）乙：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)[（20±2）℃]養(yǎng)護(hù) 3 d，后將試件放進(jìn)溫度為（70±5）℃ 的加速養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù) 3 d，最后試件進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)至測試齡期。

（3）丙：成型后試件在自然條件下進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù) 7 d后，自然養(yǎng)護(hù)至測試齡期。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 水膠比對 UHPC 性能影響

在初始配合比的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)對比研究了水膠比分別為0.18，0.19，0.20，0.21 和 0.22 的 5 種配合比對 UHPC 流動性及強(qiáng)度的影響，其中養(yǎng)護(hù)方式采用甲類，結(jié)果見表 2。

表2 水膠比對 UHPC 性能影響

由表 2 看出，配合比相同時的水膠比增加，流動性明顯增加，＜0.18 水膠比，拌和物呈散沙狀；水膠比增至 0.22，拌合物呈流漿狀，坍落擴(kuò)展度可達(dá) 625 mm，由此看出水膠比影響 UHPC 的流動性很大。隨著水膠比的降低，UHPC 強(qiáng)度逐漸增加，由于低水膠比使混凝土拌合物內(nèi)部水分較少，主要在膠凝材料顆粒表面產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成致密的水化產(chǎn)物膜，隔斷水化持續(xù)反應(yīng)，將膠凝材料和細(xì)集料黏結(jié)起來，大幅度提高 UHPC 均質(zhì)性；此外，低水膠比降低了拌合物漿體內(nèi)部的孔隙率，有利于抗壓強(qiáng)度的增加；但當(dāng)水膠比＜0.19 時，強(qiáng)度略有下降，這是由于水膠比過低造成拌合物黏度較大，制作時無法將漿體振搗密實(shí)，這在表中的體積密度結(jié)果也有所體現(xiàn)，在水膠比 0.19 時硬化漿體體積密度下降約 1.36%，即密實(shí)度降低，造成 UHPC 強(qiáng)度不隨水膠比下降而上升了。

3.2 砂膠比對 UHPC 影響

設(shè)置試驗(yàn)對砂膠比為 0.96，1.16，1.36，1.56 和 1.76的混凝土配合比試驗(yàn)，分別檢測流動度和抗壓強(qiáng)度[4]。由表3 看出，隨著砂膠比的增大，拌和物流動性逐步降低，主要由于隨著漿體用量增多，有足夠的漿料包裹集料表面，使拌和物黏聚性降低。

表3 砂膠比對UHPC性能影響

從表 3 看出，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著砂膠比的增加而逐漸增大[5]，但當(dāng)超過 1.56 砂膠比時，強(qiáng)度反而有所降低，這主要是砂膠比較小即膠凝材料漿體量較多，拌合物易產(chǎn)生離析；當(dāng)膠凝材料漿體量過少，會使膠凝材料漿體不能填滿集料間空隙，也不能很好地包裹集料表面，增加了混凝土硬化物的空隙率，降低硬化混凝土強(qiáng)度。因此，適宜的 UHPC 拌和物砂膠比應(yīng)控制在 1.56 左右。

3.3 鋼纖維比對UHPC性能影響

下列試驗(yàn)針對 5 種不同鋼纖維摻量的混凝土的抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，具體結(jié)果見表 4。

表4 鋼纖維摻量對UHPC性能影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼纖維摻量從 0～2% 增加時，抗壓強(qiáng)度增加了 53.3%，抗折強(qiáng)度增加了 73.1%。隨著鋼纖維摻量增多，抗壓強(qiáng)度增加，抗折強(qiáng)度也增強(qiáng)，鋼纖維改善UHPC 的力學(xué)性能效果明顯，而且提高了抗彎強(qiáng)度。這是由于摻入的鋼纖維約束了混凝土內(nèi)部缺陷處的裂縫擴(kuò)展；其次鋼纖維的增強(qiáng)作用在試件達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限后，能進(jìn)一步發(fā)揮其作用[6]，即抗彎數(shù)據(jù)還在繼續(xù)上升。但是，當(dāng)鋼纖維摻量為 2.5% 時，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)比鋼纖維摻量為 2% 時，抗壓強(qiáng)度下降了 2.6%，抗折強(qiáng)度下降了 4.4%，這是由于鋼纖維摻量的增加，混凝土拌和物流動性下降，當(dāng)其摻量過多，不利于拌和物成型，引起混凝土內(nèi)部空隙增加，混凝土強(qiáng)度降低。

3.4 養(yǎng)護(hù)方式對UHPC力學(xué)性能影響

養(yǎng)護(hù)方式對于混凝土的強(qiáng)度影響很大，特別是 UHPC 合理的養(yǎng)護(hù)方式將提高混凝土強(qiáng)度顯著[2]，試驗(yàn)設(shè)置基準(zhǔn)配合比用 3 種不同方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測試 3 個齡期抗壓強(qiáng)度，具體試驗(yàn)結(jié)果見表 5 所示。

表5 不同養(yǎng)護(hù)方式對UHPC抗壓強(qiáng)度增長的影響

養(yǎng)護(hù)方式甲和乙的試件 28 d 強(qiáng)度比丙類養(yǎng)護(hù)方式高了約 9.82% 和 16.04%，經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)的試件后期強(qiáng)度停止增長，這是由于高溫養(yǎng)護(hù)促進(jìn)摻和料的活性反應(yīng)而有利于膠凝體形成致密的結(jié)構(gòu)；由養(yǎng)護(hù)方式甲和乙比較，后高溫比先高溫養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度提高了 5.67%，由于大量活性粉末摻入 UHPC組分，引起混凝土水化反應(yīng)放熱峰值滯后，而后高溫養(yǎng)護(hù)恰恰降低了試件內(nèi)外溫差，利于試件內(nèi)外應(yīng)力差的產(chǎn)生，有利于避免混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

3.5 耐久性試驗(yàn)

提高耐久性的直接手段就是提高混凝土密實(shí)度，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化，在試驗(yàn)材料中的超細(xì)活性粉末摻入對混凝土的耐久性提高非常明顯。試驗(yàn)中對 UHPC 進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測的抗?jié)B等級可達(dá)到 P 30 以上。采取措施提高混凝土的密實(shí)度，就是提高混凝土抗?jié)B性能，可以有效地抑制 CO2及 Cl-的擴(kuò)散滲透，從而能有效地提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 結(jié) 語

（1）從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，UHPC 的最佳水膠比為 0.19，最佳砂膠比約為 1.56，鋼纖維最佳摻量約為 2%，相對延遲的高溫養(yǎng)護(hù)開始時間將更有利于強(qiáng)度發(fā)展。

（2）研究超高性能混凝土的技術(shù)方向與研究高強(qiáng)度和高耐久性方向不謀而合。

（3）經(jīng)試驗(yàn)確定的 C 140 超高性能混凝土拌和物黏聚性好、無泌水現(xiàn)象、沒有出現(xiàn)扒底現(xiàn)象，混凝土拌和物的和易性良好，能夠滿足泵送混凝土施工技術(shù)要求，為當(dāng)今乃至今后超大型結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)特殊需求的混凝土提供保證。