自密實超高性能混凝土研究進展

李道松 黃成鋒 丁冬林 鐘 誠

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產(chǎn)

自密實超高性能混凝土研究進展

李道松 黃成鋒 丁冬林 鐘 誠

（福建省交通工程造價管理站，福建 福州 350001）

自密實超高性能混凝土（UHP-SCC）是自密實混凝土（SCC）技術(shù)與超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，具有較強的工程應(yīng)用前途。本文首先闡述了自密實超高性能混凝土對原材料的質(zhì)量要求，其次，分析了自密實超高性能混凝土研究的技術(shù)難點及研究進展，并探討了自密實超高性能混凝土的研究及工程應(yīng)用。

自密實；超高性能；混凝土

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）通常是指強度不小于100MPa的混凝土，由于其具有耐久性強、韌性高、強度高、水膠比低等優(yōu)異特點而成為了當前國內(nèi)外混凝土技術(shù)的主要研究熱點，可符合超大跨徑結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)等惡劣情況的要求，也被譽為“21世紀混凝土”。隨著當前建筑混凝土工程正在朝著高層化、復雜化、大型化的方向發(fā)展，且鋼筋混凝土體的施工難度日益增大，導致存在著混凝土振搗困難的問題，嚴重影響了工程項目的質(zhì)量；與此同時，混凝土振搗也帶來較大的噪聲污染。有鑒于此，亟待開發(fā)無需振搗成型、且施工成本較低的自密實超高性能混凝土（UHP-SCC）。自密實超高性能混凝土（UHP-SCC）是在自密實混凝土（SCC）技術(shù)與超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，本文就自密實超高性能混凝土研究進展進行探討。

1 自密實超高性能混凝土對原材料的質(zhì)量要求

1.1 對水泥的要求

在配制自密實超高性能混凝土時，最適宜選用的水泥類型是普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，均需符合當前GB 175《通用硅酸鹽水泥》的相關(guān)性能要求。從工程實際來看，當前困擾我國水泥原材料的主要難題在于如何妥善解決超塑化劑的相容性與標準稠度用水量，以及外加劑和水泥可否相互適應(yīng)的問題。通常而言，選用標準稠度用水量低、C3A含量低的水泥較為適宜。

1.2 細骨料與粗骨料的要求

骨料的三個主要性能通常是“最大粒徑”、“彈性模量”、“顆粒形狀”，它們會對混凝土的強度、耐久性、穩(wěn)定性造成一定程度的影響。配制自密實超高性能混凝土時，粗骨料的最大粒徑務(wù)必要小于20 mm，且適宜少選擇片狀顆粒、針狀顆粒含量較高的骨料，但可適當多選擇圓形骨料。骨料在混凝土中所占用的體積比重控制在60%~80%較佳。在自密實超高性能混凝土中，骨料強度一般都會大于界面強度與水泥石強度，故不會過多影響到骨料性能。于峰[1]研究發(fā)現(xiàn)當粗骨料球體率由0.5240增大到0.5922時，粗骨料堆積空隙率呈先減小后增大的趨勢，自密實混凝土的坍落擴展度逐漸增大，T500逐漸減小，間隙通過性能與抗離析性能逐漸提高。

1.3 對外加劑的要求

在外加劑的輔助之下，自密實超高性能混凝土可具備間隙通過性、抗分離穩(wěn)定性、大流動性、填充性等特性，故對外加劑也會有一定的要求，包括外加劑的黏滯阻力要小、外加劑的減水率要高、外加劑要與水泥具備較佳的適應(yīng)性。有鑒于此，需要合理優(yōu)化調(diào)整外加劑內(nèi)各組份所占比例，且還要對外加劑的摻入量進行妥善選擇。Zhang[2]發(fā)現(xiàn) PCE比磺化甲醛效率高得多，在相同的w/b比下，當使用相同量的SP時，PCE具有更多的流動。 K. Ostrowski[3]觀察到在達到相同的流動性的情況下，SNF SP所需的劑量是PCE SP的兩倍，在低水灰比熟料中效果顯著。

1.4 對活性礦物摻合料的要求

對于活性礦物摻合料而言，其三種效應(yīng)分別是形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，若要在自密實超高性能混凝土中有效發(fā)揮這些效應(yīng)，需要讓活性礦物摻合料具備3大要求：第一，活性礦物摻和料要有適宜的級配體系；第二，活性礦物摻和料內(nèi)部的球形顆粒含量要盡量多，以此來降低減水效應(yīng)；第三，活性礦物摻和料內(nèi)部的碳含量要少，否則，既會降低外加劑的塑性功效，又會減少混凝土的強度。

2 自密實超高性能混凝土研究的技術(shù)難點

2.1 自密實性

自密實超高性能混凝土與大流動性的超高性能混凝土相比，存在著較大的不同之處。在混凝土拌合物出機時，兩者的擴展度與坍落度有可能會相同，但是由于所選用的材料類型有所差異，故流變參數(shù)也會有所不同，特別是在開展U型儀試驗時，二者的上升高度具有很大的差別。相對于UHPC，UHP-SCC的剪切應(yīng)力、結(jié)構(gòu)黏度明顯會更大，可在水泥漿中均勻分布粗細骨料，且使之呈現(xiàn)出均勻流動的狀態(tài)，即便是通過超高泵送，自密實功能仍然較強。UHP-SCC的自密實性的影響因素有砂率、礦物摻料摻量、水膠比。

有研究者發(fā)現(xiàn)骨料類型對混凝土混合料的新拌混凝土的性能有影響，混凝土混合料的流變性能取決于規(guī)則顆粒骨料和不規(guī)則顆粒骨料含量之間的關(guān)系，隨著規(guī)則顆粒的增多，流動性隨之加強。Abdalhmid[4]等研究發(fā)現(xiàn)用粉煤灰來替代水泥可以有效地改善新拌自密實混凝土的工作性能。Laidani[5]研究表明，使用煅燒閏土會降低新拌自密實混凝土混的工作性能，但流動時間和偏析測試足以滿足自密實混凝土的生產(chǎn)要求。Guneyisi[6]研究二氧化硅添加的影響，自密實混凝土將水泥替代成2％和4％的納米二氧化硅和最大量的玻璃纖維能達到了提高一定的新拌混凝土的工作性能。

2.2 自收縮開裂

在UHP-SCC初凝后，混凝土內(nèi)部水分會被水泥水化吸收，進而出現(xiàn)自收縮的現(xiàn)象，而混凝土在毛細管張力、模板約束、鋼筋約束等作用下往往會呈現(xiàn)出開裂現(xiàn)象，例如：廣州東塔工程C80 混凝土剪力墻使用的就是自密實超高性能混凝土，強度高達140MPa，但在脫模時卻出現(xiàn)了120多根裂縫，這些均是混凝土自收縮導致的。若要避免出現(xiàn)自收縮開裂現(xiàn)象，那么就需采用W/B 稍大、C3S含量低、C3A含量低的水泥，推薦采用長齡期強度的混凝土，混凝土的摻和料盡量選擇硅粉、天然沸石粉、微珠等物質(zhì)，并且適當?shù)丶尤胍欢康呐蛎泟．敳捎靡陨洗胧┲?，廣州東塔工程C80混凝土剪力墻的模擬試驗和實際尺寸試驗，均沒有再出現(xiàn)裂縫。顯微組織和熱重分析顯示天然沸石具有良好的火山灰活性，因此其在25％，50％，75％和100％比例替代硅粉對將內(nèi)部相對濕度維持在較高范圍內(nèi)具有積極作用，減少了混凝土的自發(fā)收縮，可以生產(chǎn)具有適當抗壓強度，低自生收縮率和相對較低成本超高性能自密實混凝土。S.Suntharalingam[7]實驗研究了波特蘭高爐礦渣（BFS）水泥之間自生收縮行為的差異。經(jīng)過熱處理的結(jié)晶礦渣礦物質(zhì)含量與自發(fā)收縮率測量結(jié)果是一致的，并且與礦渣的水化程度高度相關(guān)。通過加熱過程的結(jié)晶礦渣礦物質(zhì)含量可以作為評估自發(fā)收縮程度的指標。Rui[8]研究了直鋼纖維，端鉤鋼纖維和纖維素纖維的混合纖維由于其協(xié)同作用而被用于改善強度發(fā)展并減少生態(tài)UHPFRCC的自收縮。自收縮率的增加率隨纖維素纖維含量的增加而降低，而收縮率值在纖維素的最佳含量下降低了33％。Akcay[9]通過熱重分析觀察到溫度變化和氫氧化鈣消耗表明偏高嶺土的添加對水泥質(zhì)材料自收縮行為有不利影響。D.Niknezhad[10]研究發(fā)現(xiàn)與硅酸鹽水泥自密實混凝土相比，具有膠凝輔助材料的自密實混凝土在早期對干燥收縮更為敏感。但是，從長遠來看，它們表現(xiàn)出不同的行為。在約束條件下，帶有膠凝輔助材料的SCC對早期裂紋更敏感。但是，它們的裂紋開口至少比參考自密實混凝土的裂紋開口小1.57倍，這在耐久性方面具有重要優(yōu)勢。

2.3 高溫爆裂

當UHP-SCC處于高溫環(huán)境中，其內(nèi)部水分會在短時間內(nèi)迅速蒸發(fā)，一旦其劈裂抗拉強度小于水蒸氣壓力，那么就會出現(xiàn)高溫爆裂的現(xiàn)象，甚至還有可能會導致結(jié)構(gòu)物倒塌。為了能夠有效減少爆裂損傷，可通過耐火材料來對表面進行覆蓋，或者摻入適量的有機纖維。

高溫爆裂的影響因素如下：含濕量，升溫速率，骨料，水灰比與水膠比，初始應(yīng)力（指施加在試件的初始荷載與承載力的比值），滲透率，硅灰含量，孔壓力，試件尺寸。

高溫爆裂的抑制手段可分為內(nèi)摻型、外型及其他型。內(nèi)摻型是指為了抑制爆裂，在混凝士中摻入外加材料的做法。包括聚乙烯醇纖維、黃麻纖維、鋼纖維、橡膠纖維、稻谷殼等，適用于新建建筑的防火保護。外包型是指為了抑制爆裂，在高強混凝土構(gòu)件外表面涂抹、包裹熱惰性材料來降低構(gòu)件表面溫度從而使構(gòu)件得到隔熱保護的做法，適用于新建、既有建筑的防火保護。Witek等利用有限元分析法對高強混凝土建筑構(gòu)件外涂反射材料、外噴含PPF的混凝土保護層、安裝多孔材料保護層3種方法的抗爆裂效果進行了模擬分析，結(jié)果表明3種方法均能抑制爆裂。Xiao[11]等采用PPF與金屬網(wǎng)的組合摻入混凝土，高溫試驗結(jié)果顯示均沒有爆裂現(xiàn)象；Kodur等在FRP加周試件的外圍包裹防火砂漿與密封材料進行火災試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過防火保護的FRP加周柱耐火極限不低于一般柱。

Abed[12]在混凝土中摻入廢料和再生材料，發(fā)現(xiàn)其可以更好地抵抗混凝土結(jié)構(gòu)所面臨火災等特殊情況。通過30％的廢粉煤灰和廢珍珠巖粉替代水泥塊，以及用5％的粗天然骨料替代水泥塊，發(fā)現(xiàn)使用50％的RCA可以提高混凝土暴露于高溫后的殘余機械性能，這是由于強大的骨料-砂漿接觸區(qū)以及它們之間的熱膨脹相似性。混凝土的耐火性已通過替換水泥而得到增強。還有學者研究了混凝土性能（滲透性、含水量）對火災荷載作用下混凝土剝落性能的影響。為此，提出了一種特殊的耐火測試裝置，可以改善觀察到的溫度歷史記錄的再現(xiàn)。此外，開發(fā)的測試設(shè)置可以連續(xù)監(jiān)控剝落情況，提供剝落歷史和混凝土標本的最終破壞水平?？紤]到不同的水灰比和飽和度，獲得的結(jié)果與所需的初始值有關(guān)拉伸強度通過數(shù)字評估工具確定。最后，建立了確定的控制剝落參數(shù)之間的相關(guān)性，并用于評估混凝土混合物的剝落風險。這些相關(guān)性與國家和國際標準中給出的要求相反，水分和滲透性的組合可以作為適當?shù)年P(guān)鍵和設(shè)計參數(shù)，定義剝落的風險。Sarwar[13]探索性研究發(fā)現(xiàn)只有通過將加熱速率大大降低到0.75°C/min以下，才能在300°C或更高溫度下成功測試UHP-SCC。否則，采用較高的加熱速率會在低至190°C的溫度下引起高溫爆裂。C. Kahanji[14]發(fā)現(xiàn)剝落受到載荷水平的影響；在40％的負載水平下加劇了這種情況，而在60％的負載水平下，剝落明顯減少。在相似的負載條件下，含有4％（體積）的鋼纖維的梁比含有2％（體積）的纖維的梁剝落的少。這是由于過量鋼纖維提供的額外拉伸強度。A.B. Alhasanat[15]在混凝土中添加0.0、0.05、0.10和0.15％體積的聚丙烯纖維制備UHP-SCC，樣品暴露在高溫下（200℃，400℃和600℃）。通過對基體的微觀結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)添加聚丙烯纖維會使高溫對自密實混凝土的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生粗化作用。聚丙烯纖維減少了0.05％（體積）以上的爆炸剝落，并且顯著增加了微結(jié)構(gòu)中的空隙數(shù)量。

3 自密實超高性能混凝土的研究及工程應(yīng)用

3.1 國外研究及工程應(yīng)用

UHP-SCC的研究是離不開自密實混凝土（SCC）作為基礎(chǔ)，日本是國外最早開展SCC研究及應(yīng)用的國家，早在1986年就已經(jīng)開始由日本東京大學牽頭開展研究。日本將自密實混凝土（SCC）視為特種混凝土，而并非標準混凝土，且使用量逐漸增大。日本明石海峽大橋工程是SCC得以成功應(yīng)用的代表性工程項目，其兩個錨錠均采用了強度為25MPa的UHP-SCC，分別是15萬m3和24萬m3，有效地將施工周期由原來的2.5年縮短到2年，節(jié)約了6個月的施工周期。

歐美發(fā)達國家在建筑施工中也開始大量采用UHP-SCC。2017年，加拿大在對Webster停車場進行補強時，不需要搗實作業(yè)就將UHP-SCC成功填入到布滿剪力筋、縱向筋的加固結(jié)構(gòu)中。美國西雅圖市在建設(shè)雙聯(lián)廣場時，其高度為210米的鋼管混凝土柱均采用UHP-SCC，其強度在28d達到了119MPa，在91d達到了145MPa，整體施工成本降低了30%。此外，蘇格蘭Paisley大學、法國GTM工程公司、英國利茲大學、瑞典NCCAB工程公司等高校與企業(yè)也積極參與到自密實超高性能混凝土的研究工作中。

3.2 國內(nèi)研究及工程應(yīng)用

SCC在我國的研究時間要更晚一些，北京城建集團于1993年才開始正式研究自密實混凝土（SCC），三年之后獲得相應(yīng)的國家專利。2003年，國家建設(shè)部在北京舉辦“全國自密實、混凝土研討會”，此次會議的舉辦在很大程度上推動了自密實混凝土的發(fā)展。2006年，國家建設(shè)部頒布出臺了《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》；2012年，又頒布出臺了《JGJ/T 283-2012自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，而后，在清華大學、中建二局等單位共同努力下，研發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的自密實超高性能混凝土，廣州東塔項目試用了強度 140MPa 的UHP-SCC并泵送至510m的高度。廣州國際金融中心（廣州西塔）項目也同樣采用了強度等級為C100的UHP-SCC，該混凝土由特種外加劑、天然沸石粉等配制而成，并泵送至411m的高度，現(xiàn)場施工結(jié)果表明： UHP-SCC具有較佳的可泵性、高粘性、高流動性、高保塑性，而后，超高性能自密實混凝土又先后應(yīng)用到越秀金三角6號樓工程項目、黔北新浦醫(yī)院項目等，由此可見，隨著當前我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，自密實超高性能混凝土的研究及工程應(yīng)用日益擴大。

4 結(jié)論

自密實超高性能混凝土的發(fā)展為超高層、超大體積、復雜結(jié)構(gòu)工程的施工提供了可靠的技術(shù)支持，在環(huán)保經(jīng)濟等方面也有比較大的效益，但由于這種新材料的研究、應(yīng)用時間還短，理論還不夠完善，還多方面亟待理論支持。例如自密實超高性能混凝土由于其水膠比較小，自收縮較大。且對原材料的要求較高，嚴格控制配制過程中所用原材料的質(zhì)量才能保證成品的優(yōu)異。所以自密實超高性能混凝土仍有待進一步研究，從而更好地推進SCC在國內(nèi)的普及化應(yīng)用。

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李道松(1972.10- )，男，漢族，福建閩侯人，高級工程師，主要從事全省公路工程建設(shè)項目造價管理工作。

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