超高性能混凝土的制備、性能研究與工程應用

陳逸群

1. 上海建工建材科技集團股份有限公司 上海 200086；

2. 上海高大結(jié)構高性能混凝土工程技術研究中心 上海 201114

隨著工程建設的發(fā)展，常規(guī)混凝土結(jié)構自重大、抗拉強度低、易開裂、耐久性低等弱點，在工程結(jié)構向大型化和高耐久性方向發(fā)展的現(xiàn)實下凸顯了出來。在一些大跨度空間結(jié)構、薄壁結(jié)構、超高層建筑等重大或特種工程領域的應用需求下，超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）已成為國內(nèi)外學者及工程領域?qū)＜谊P注的熱點。

UHPC一般采用水泥、硅灰、高性能減水劑、骨料、纖維以及超低水膠比來實現(xiàn)超高強度和超高韌性。由于存在成本偏高、工藝較復雜、收縮較大以及缺乏完備規(guī)范等問題，使得UHPC在工程應用方面仍然受到限制[1-3]。同時，隨著工業(yè)化進程的加快，基建工程中模具的周轉(zhuǎn)壓力增大，但將UHPC應用于混凝土模殼體系的研究鮮有見到。本文針對以上問題開展了常規(guī)生產(chǎn)工藝下UHPC的制備技術與性能研究，依托工程應用探索了UHPC模殼的應用前景。

1 試驗原材料及測試方法

1.1 原材料及試樣的制備

為研究水泥品種對UHPC力學性能的影響，本試驗選用了P·Ⅱ 52.5的海螺水泥和小野田水泥。硅灰選用符合DG/T J08-503—2000《高強泵送混凝土生產(chǎn)和施工規(guī)程》相關要求的?？瞎杌摇５V粉選用符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》相關要求的S95級礦粉。鋼纖維為直徑0.18 mm、長度14 mm、抗拉強度2 950 MPa的端鉤形鋼纖維。外加劑選用符合GB 8076—2016《混凝土外加劑規(guī)范》及JC 473—2001《混凝土泵送劑》相關規(guī)定的聚羧酸高性能減水劑（ACE8308），減水率大于30%。中砂選用符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》相關要求的級配良好、細度模數(shù)約為2.4的天然中砂，含泥量不大于1.0%，泥塊含量不大于0.5%。

本研究采用的配合比如表1所示。制備時，先將水泥、硅灰、摻合料、河砂混合干拌1 min形成干混料；再將減水劑和水加入干混料中，攪拌5 min以獲得勻質(zhì)漿體；接著在1 min內(nèi)加入鋼纖維，再攪拌3 min。攪拌結(jié)束后，立即進行擴展度和倒錐時間測試，同時澆筑抗壓強度試件，1 d后拆模并放入水槽中養(yǎng)護至相應齡期。

表1 UHPC試驗配合比

1.2 測試方法

1.2.1 工作性能與力學性能測試

UHPC制備原理是實現(xiàn)納米級到毫米級材料的最緊密堆積，為提高均質(zhì)性，一般不使用粗骨料。其擴展度和倒錐時間測試參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。UHPC力學性能測試參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》。

1.2.2 早期收縮測試

UHPC早齡期收縮變形采用非接觸式混凝土收縮變形測定儀進行測定，測試方法參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，裝置如圖1所示。

圖1 非接觸式收縮測定儀

1.2.3 流變性能測試

UHPC的流變性能采用丹麥ICAR混凝土流變儀進行測試。ICAR流變儀可以通過應力增長測試或流變曲線測量混凝土的觸變性。試驗中采集到的扭矩T和轉(zhuǎn)速N數(shù)據(jù)需要分別轉(zhuǎn)換成剪切應力τ與剪切速率γ，繪制流變曲線，然后通過數(shù)據(jù)擬合建立經(jīng)驗流變模型，從而自動計算賓漢姆流變參數(shù)，即屈服應力和塑性黏度。ICAR流變儀應力增長測試和流變曲線測試原理如圖2所示。

圖2 ICAR流變儀測試

2 UHPC性能測試與影響因素分析

表2為固定水膠比和用水量下水泥品種、摻合料和纖維摻量對UHPC工作性能與力學性能的影響。

表2 UHPC的工作性能和力學性能測試

加入適量的摻合料可節(jié)約水泥和硅灰，降低成本，并能夠改善UHPC的和易性、保水性及外觀特征。由表2可知，隨著纖維摻量的提高，UHPC的擴展度減小，倒錐時間呈先增后減的趨勢。比較抗壓強度可以看出在纖維體積摻量小于3%時，UHPC的抗壓強度隨纖維摻量的提高而增大，這是由于適量的纖維摻量能夠阻止基體內(nèi)微裂縫的產(chǎn)生并抑制了宏觀裂縫的發(fā)展，從而提高了抗壓強度。對比不同齡期強度可知，UHPC早期強度發(fā)展特別快，3 d抗壓強度最低達到75 MPa左右。

UHPC后期強度增長緩慢的主要原因有兩方面，一是由于其UHPC的水膠比僅為0.16，在水化后期，體系內(nèi)已經(jīng)沒有足夠的自由水供水泥水化生成C-S-H凝膠；另一方面是在標準養(yǎng)護環(huán)境下，硅灰與水化產(chǎn)物Ca(OH)2所發(fā)生的火山灰反應不如加熱養(yǎng)護等環(huán)境下充分[4]。對比C-2和C-4可知，采用小野田水泥的工作性能與力學性能均優(yōu)于海螺水泥，這主要與不同品種水泥的化學組成和細度等因素有關。對比C-4和C-5兩組試樣，采用礦粉部分替代硅灰有利于改善常規(guī)養(yǎng)護制度下UHPC的力學性能。UHPC材料中水泥、礦渣粉和硅灰的顆粒大小各不相同，三者按一定比例進行混合，能夠形成具有梯度粒徑的膠凝材料，這在很大程度上改善了UHPC材料的微結(jié)構，提高了混凝土的密實度，優(yōu)化了混凝土的力學性能。

3 UHPC在模殼體系中的工程應用及性能表征

3.1 工程概況

上海浦東國際機場T3航站樓項目建筑占地面積約68萬 m2，總建筑面積約307萬 m2。本工程的部分板、次梁和柱模殼為預制構件。預制柱采用圓形直立柱，立柱模板采用預制技術制作成柱模殼，充當圓形直立柱的保護層，再在柱模殼內(nèi)部綁扎鋼筋籠，鋼筋籠上的鋼筋外表皮與柱模殼內(nèi)表面接觸，最后再往柱模殼內(nèi)澆筑混凝土。預制柱模殼采用高強UHPC混凝土技術，強度等級≥100 MPa，混凝土采用立式澆筑工藝，高性能混凝土一次性澆筑完成。柱模殼結(jié)構高4 500 mm、外徑1 400 mm、內(nèi)徑1 330 mm、壁厚35 mm。

在前期試驗的基礎上，綜合考慮UHPC的工作性能、力學性能及成本3個因素，選定C-5作為UHPC預制板的試驗配比。中試過程中，通過測定UHPC的流變參數(shù)研究常規(guī)生產(chǎn)工藝下礦物摻合料與纖維的使用對基體流變性能的影響，為UHPC性能的優(yōu)化提供依據(jù)。同時，采用非接觸式收縮測定儀研究了UHPC的體積穩(wěn)定性，為UHPC的工程應用提供指導。

3.2 流變性能測試

表3為C-5的經(jīng)時工作性能與流變性能測試結(jié)果。由表3可知，UHPC的工作性經(jīng)時損失較為明顯，宜控制UHPC模板的制備時間。隨著時間的延長，UHPC的倒錐時間和擴展度達到500 mm的時間（T500）也明顯增大。對比流變參數(shù)結(jié)果可知，UHPC的屈服應力和塑性黏度均較大，這是由基體的流變性能和纖維共同作用的結(jié)果。較低的水膠比導致UHPC中顆粒表面水膜層較小、顆粒間作用強，此外較高的減水劑用量導致了間隙液中殘余減水劑濃度高，間隙液黏度大，因此，UHPC基體黏度較高。此外，由于UHPC的固體顆粒濃度較高、顆粒間作用力強、纖維易搭接，因而導致流動阻力增大，即屈服應力和塑性黏度增大[5]。在UHPC模殼制備過程中需要改進振動方式，同時輔以消泡組分的引入，可使得UHPC材料更為密實，成形模殼更為美觀。

表3 C-5的經(jīng)時工作性能與流變性能測試

3.3 非接觸式收縮測試

由UHPC的早期收縮變形曲線（圖3）可知，在UHPC加水2 h內(nèi)，由于水泥水化產(chǎn)生較大的水化熱，導致UHPC發(fā)生熱膨脹，雖然水化也產(chǎn)生較大的化學收縮，但此時膨脹效應要大于收縮效應，所以測試結(jié)果表現(xiàn)為膨脹，最大膨脹率為189.2×10－6。2 h后，收縮曲線發(fā)生突變，由膨脹轉(zhuǎn)為收縮，這說明此時基體開始產(chǎn)生較大的收縮，收縮效應開始超過由于水化放熱造成的膨脹效應。當齡期為1 d時，UHPC的收縮率為1 282.5×10－6，齡期為3 d時，收縮率為1 465.8×10－6。由此可見，1 d內(nèi)收縮率占早期收縮率的87.5%。UHPC試件成形初期是水化反應發(fā)生最為劇烈的時候，塑性收縮主要發(fā)生在混凝土凝結(jié)前，化學收縮主要發(fā)生在混凝土形成骨架以前，自干燥收縮主要發(fā)生在混凝土形成骨架之后。從平均收縮率來看，0～1 d的平均收縮率為53.4×10－6h－1，1～2 d的平均收縮率為4.6×10－6h－1，2～3 d的平均收縮率為3.0×10－6h－1，所以UHPC的早期收縮增長速率呈下降趨勢。綜合UHPC的收縮測試結(jié)果來看，UHPC模殼制備過程中需要注重前期養(yǎng)護，避免早期的收縮開裂[6]。

圖3 常溫養(yǎng)護條件下UHPC的早期收縮曲線

3.4 力學性能測試

針對模殼用UHPC材料，中試過程中成形抗壓強度、抗拉強度、極限彎曲強度和彈性模量測試試件，常溫水養(yǎng)護28 d后測定相關性能，其結(jié)果為抗壓強度132.5 MPa，抗拉強度13.6 MPa，極限彎曲強度28.8 MPa，彈性模量41.8 GPa。

由測試結(jié)果可知，UHPC模殼力學性能均滿足工程應用要求。

4 結(jié)語

1）試驗采用常規(guī)生產(chǎn)工藝，通過優(yōu)選水泥品種、調(diào)整礦物摻合料的種類和摻量、控制鋼纖維摻量，能夠制備出工作性能良好、力學性能優(yōu)異的UHPC；采用礦粉部分替代硅灰有利于改善常規(guī)養(yǎng)護條件下UHPC的力學性能。

2）流變性能測試結(jié)果表明UHPC材料常規(guī)生產(chǎn)工藝下需要優(yōu)化振搗工藝或采用降黏型摻合料，降低基體和鋼纖維引起的黏度過大問題。

3）非接觸式收縮測試結(jié)果表明UHPC材料早期收縮較大，其1 d收縮值達到早期收縮的80%以上，故需要加強對UHPC試樣的早期養(yǎng)護。