煮沸吸水-熱干養(yǎng)護對超高性能混凝土強度和收縮率的影響

孫義牛，陳方博，吳霞，劉錦

(沙索(中國)化學有限公司，江蘇 南京 210047)

超高性能混凝土(UHPC)是近年來最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料，它通常由水泥、活性摻和料和各種外加劑組成，具有超高的力學性能和耐久性能，在公路橋梁、維修加固、外墻裝飾板等領域有著廣闊的應用前景。抗折抗壓強度和自由收縮率是UHPC綜合性能的重要指標，相關研究者采用各種方法來提升UHPC的綜合性能。王沖等[1]采用了常規(guī)材料(水泥、活性摻和料、骨料和外加劑等)和普通工藝(自然養(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護)制備出了150～200 MPa的UHPC。目前國內外已知抗壓強度最高的UHPC是法國拉法基公司在1994年研發(fā)，通過在成型階段采用熱蒸壓工藝，使UHPC試塊的抗壓強度最高可達673 MPa[2]，但是該工藝只能在實驗室中完成，無法實用化。

養(yǎng)護方法和養(yǎng)護過程對UHPC的性能影響十分明顯。高小建等[3]發(fā)現(xiàn)微波養(yǎng)護可以加速水化反應，提升UHPC的早期強度。歐陽利軍等[4]發(fā)現(xiàn)采用灑水-干熱(105 ℃)組合養(yǎng)護和熱水-干熱組合養(yǎng)護的立方體試塊分別在348、370 ℃的高溫作用下發(fā)生爆裂，且這兩種組合養(yǎng)護方式下的試塊抗壓強度相較于單一灑水養(yǎng)護和單一熱水養(yǎng)護方式的試塊分別降低36.73%和14.56%。尚亞杰[5]發(fā)現(xiàn)UHPC試塊采用熱水-干熱組合養(yǎng)護后，抗壓強度可以達到209.7 MPa,劈裂抗拉強度達到10.1 MPa。劉瑩[6]發(fā)現(xiàn)熱水-干熱組合養(yǎng)護通過加速水泥水化和火山灰反應，提高了UHPC微觀結構的密實度,進而改善了UHPC的力學性能。牛旭婧等[7]發(fā)現(xiàn)熱水-干熱組合養(yǎng)護是一種新的抑制爆裂方法?？傮w來說，目前國內對養(yǎng)護方法的研究多集中在水養(yǎng)、蒸養(yǎng)等方式，對其他種類的養(yǎng)護方式和組合養(yǎng)護方式研究不多。本文為了提升UHPC的抗壓抗折強度和抗收縮性能，首先對脫模后試塊進行煮沸吸水，后進行熱干養(yǎng)護，研究這種養(yǎng)護方式對UHPC的力學強度和收縮性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

實驗用原材料的名稱、廠家和規(guī)格見表1，金隅P·II 52.5R水泥的物性見表2，鋼纖維和PVA纖維的物性見表3。

表1 實驗所用的原材料

表2 北京金隅P·II 52.5R水泥物性

表3 鋼纖維和PVA纖維的物性

1.2 攪拌和養(yǎng)護方法

按照表4和表5進行配料，后將預混料、減水劑和水投入到強制式攪拌機中，攪拌10 min，后倒入纖維，攪拌5 min，保證纖維分散均勻。試塊成型后，在室溫20 ℃下，覆膜養(yǎng)護24 h后脫模。No.1與No.3采用常規(guī)蒸汽養(yǎng)護(85 ℃)養(yǎng)護48 h，No.2與No.4先進行煮沸吸水處理30 min，后進行熱干養(yǎng)護(180 ℃)24 h。

表4 預混料配合比 g

表5 UHPC配合比 g

1.3 測試項目和測試方法

測試項目、試塊尺寸和參考標準見表6。

表6 測試項目和測試方法

1.4 未水化水泥比例和空隙率表征

1.4.1 EPMA表征樣塊制作

養(yǎng)護結束后，按照圖1所示，沿著與三聯(lián)模接觸的底面截取25 mm×25 mm×5 mm小塊。接著在小塊表面涂抹樹脂、打磨表面，最后在其表面進行碳氣相沉積，EPMA表征用樣塊制作完成。

圖1 EPMA分析用試塊示意圖(單位：mm)

1.4.2 EPMA分析

用EPMA(型號：島津EPMA-1720)放大到5 mm級別，觀察測試樣塊的表層(距表面1 mm處)與內部(距表面15～20 mm處)的反射圖像。反射圖像的灰度代表不同的物質，利用灰度之間的差異，可以計算出未水化水泥的比例和空隙率。

2 實驗結果與分析

2.1 抗折抗壓強度

抗折抗壓強度結果見表7。No.1與No.2都采用了鋼纖維，No.2養(yǎng)護后的抗折強度比No.1增加了22%，抗壓強度則增加了57%。No.3與No.4都采用了PVA纖維，No.4養(yǎng)護后的抗折強度比No.3增加了38%，抗壓強度則提升了38%。從上述分析可知，相比于常規(guī)蒸汽養(yǎng)護，試塊脫模后采用煮沸吸水和熱干養(yǎng)護可以顯著提升抗折與抗壓強度。

表7 抗折抗壓強度結果

2.2 收縮性

自由收縮率結果見表8。脫模后養(yǎng)護中，No.2的自由收縮率比No.1降低了84%，No.4的自由收縮率比No.3降低了95%。養(yǎng)護結束后，No.2的總自由收縮率比No.1低61%，No.4比No.3低40%。從上述分析可知，相比于常規(guī)蒸汽養(yǎng)護，試塊脫模后采用煮沸吸水和熱干養(yǎng)護可以顯著降低自由收縮率。

表8 自由收縮率結果 (×10-6)

2.3 未水化水泥比例和空隙率

No.1～No.4的EPMA的電子反射圖像，如圖2所示。

(a)No.1 (b)No.2

根據(jù)EPMA反射圖像計算出硬化后未水化水泥比例和空隙率見表9，比較No.1與No.2、No.3與No.4，可以看出，試塊經(jīng)過煮沸和熱干養(yǎng)護后，表層和內部的未水化水泥比例和空隙相比普通蒸汽養(yǎng)護都明顯降低，這是由于脫模后首先進行了煮沸吸水，試塊的表層和內部都充分吸水，后在熱干養(yǎng)護中未水化水泥進一步水化反應，水化產(chǎn)物填埋空隙，因此未水化水泥和空隙率都明顯降低，抗折與抗壓強度大幅度提升，收縮率明顯降低。

表9 硬化后未水化水泥比例和空隙率 %

3 總結

本文將UHPC試塊脫模后，先進行煮沸吸水，后進行熱干養(yǎng)護，并與常規(guī)蒸汽養(yǎng)護進行比較，結論如下。

相比于常規(guī)蒸汽養(yǎng)護，對脫模后的UHPC試塊進行煮沸吸水和熱干養(yǎng)護，其抗折強度提升22%以上，抗壓強度提升38%以上，收縮率降低40%以上。

對脫模后的UHPC試塊進行煮沸吸水和熱干養(yǎng)護，可以降低UHPC表層和內部的未水化水泥比例和空隙率，因此UHPC的抗折抗壓強度和抗收縮性能大大增強。