低溫環(huán)境下UHPC的性能研究及工程應(yīng)用

黃有強，陳露一，李信，張志豪，鄭麗

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；2.中鐵橋研科技有限公司，湖北 武漢 430034；3.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是21世紀最具創(chuàng)新性的新型建筑工程材料。目前，關(guān)于UHPC的性能研究越來越廣泛，應(yīng)用技術(shù)也越來越成熟。牛旭婧等[1]研究了養(yǎng)護制度對UHPC性能的影響，結(jié)果表明，熱水-干熱組合養(yǎng)護可顯著提高UHPC的力學(xué)性能，UHPC內(nèi)部生成了更加致密的C-S-H凝膠和少量托勃莫來石、硬硅鈣石晶體。朋改非等[2]研究了UHPC的抗高溫爆裂性能，結(jié)果表明，含粗骨料超高性能混凝土的抗高溫爆裂性能優(yōu)于活性粉末混凝土。王俊顏等[3]研究了UHPC的應(yīng)變強化性能、裂縫控制機理，結(jié)果表明，UHPC具有高抗拉強度和“類金屬”拉伸應(yīng)變強化性能，在強化段區(qū)間內(nèi)通過多點微裂紋均布開展的形式來平衡等量變形，表現(xiàn)出優(yōu)異的裂縫寬度控制能力。王思雨等[4]開展了UHPC材料低環(huán)境負荷制備、功能設(shè)計與調(diào)控，結(jié)果表明，鋼渣粉的摻入可改善UHPC的工作性能，且對抗壓強度和抗氯離子滲透性能影響不大。黃有強等[5]研究了UHPC在硫酸鹽溶液中浸泡養(yǎng)護、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、凍融-干濕循環(huán)耦合作用下的性能變化規(guī)律，結(jié)果表明，UHPC具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能。張志豪等[6]通過加速劣化試驗方法研究了UHPC在模擬海洋侵蝕環(huán)境下的力學(xué)和耐久性能，結(jié)果表明，海水養(yǎng)護對UHPC影響不大，干濕循環(huán)作用下UHPC表面露出的鋼纖維銹蝕，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損傷，鋼纖維與基體結(jié)合緊密。中鐵橋研科技有限公司的研究人員[7-11]開展了太原攝樂橋、蒙華鐵路洞庭湖大橋、軍山長江公路大橋、滬通長江大橋主航道橋、宜昌長江公路大橋等多項UHPC的應(yīng)用與實踐。

隨著UHPC的應(yīng)用范圍越來越廣泛，其應(yīng)用環(huán)境也越來越復(fù)雜，但現(xiàn)有文獻關(guān)于UHPC低溫性能的研究較少。我國幅員遼闊，北方地區(qū)最低月平均氣溫低于0℃的月份可能達到3個月或更久，UHPC應(yīng)用過程中不可避免會遇到此類低溫環(huán)境，研究低溫環(huán)境下UHPC的性能發(fā)展規(guī)律對UHPC的應(yīng)用實踐具有重要意義。本文研究了UHPC在凝結(jié)硬化和強度發(fā)展的關(guān)鍵時期，在標養(yǎng)后低溫養(yǎng)護或低溫養(yǎng)護后標養(yǎng)的低溫作用下的強度發(fā)展規(guī)律；研究了UHPC硬化后的長期抗凍性能；介紹了UHPC實際工程應(yīng)用中的低溫防護措施及應(yīng)用效果，可為UHPC的實踐應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：媧石水泥集團有限公司，P·Ⅱ52.5水泥，標準稠度用水量25%，初、終凝時間分別為210、300 min，28 d抗折、抗壓強度分別為9.4、54.9 MPa，主要化學(xué)成分見表1。

（2）核心料：出于配方保密和現(xiàn)場施工方便的要求，采用由中鐵橋研科技有限公司自主研發(fā)的HX120型核心料，核心料中包含多種礦物摻合料和化學(xué)添加劑，其中粉體聚羧酸高性能減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的1.2%～1.5%。核心料細度（45μm方孔篩篩余）8.5%，含水量0.1%，需水量比68%，7d抗壓強度比185%，主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥和核心料的主要化學(xué)成分 %

（3）石英砂：蘄春某廠家生產(chǎn)的機制高品質(zhì)石英砂，SiO2含量98.9%，由20～40目、40～70目2種粒徑按4∶6的質(zhì)量比混合使用，混合后的石英砂細度模數(shù)為2.3。

（4）鋼纖維：山東某公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維，規(guī)格為Ф0.2 mm×13 mm，抗拉強度2800 MPa，形狀合格率98%。

（5）水：自來水。

1.2 UHPC的配合比

本研究總結(jié)了國內(nèi)外技術(shù)人員的UHPC設(shè)計方法，提出了基于響應(yīng)面分析法和最緊密堆積理論的UHPC配合比設(shè)計方法[12-13]，其中UC120的配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（核心料）∶m（石英砂）∶m（鋼纖維）∶m（水）=800∶300∶1000∶200∶200。

1.3 試驗方法

1.3.1 低溫環(huán)境模擬

在GB/T50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》、JGJ/T 3310—2019《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》和TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中均提到：凍融環(huán)境按當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁貏澐譃槲龅貐^(qū)（-3℃≤t≤2.5℃）、寒冷地區(qū)（-8℃＜t＜-3℃）和嚴寒地區(qū)（t≤-8℃）。根據(jù)氣溫劃分條件，結(jié)合實際應(yīng)用情況，試驗溫度分別取5、0、-5、-10℃。

低溫養(yǎng)護試驗用來研究UHPC在凝結(jié)硬化和強度發(fā)展的關(guān)鍵時期的耐低溫性能。低溫養(yǎng)護環(huán)境通過低溫試驗箱來實現(xiàn)，低溫試驗箱溫控精度為±2℃。低溫試驗分2種情形：一種是試件成型后在標準養(yǎng)護條件[溫度（20±2）℃，相對濕度＞95%]下養(yǎng)護至特定齡期后進行低溫試驗，這種情況下的試驗溫度分別取5、0、-5、-10℃；另一種是試件成型后直接放入低溫環(huán)境中養(yǎng)護至特定齡期后取出拆模再進行標準養(yǎng)護，這種情況下的試驗溫度分別取5、0、-5℃。采用100 mm×100 mm×100 mm試件，經(jīng)過低溫養(yǎng)護后進行抗壓強度測試，計算強度耐蝕系數(shù)（試驗組與標準養(yǎng)護的空白組抗壓強度比值）。同時，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試UHPC硬化后的長期抗凍性能。

1.3.2 低溫凍融循環(huán)試驗

農(nóng)業(yè)植保是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的必然環(huán)節(jié)，但是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，而在小型無人機設(shè)備的使用下，能夠?qū)Ω鲄^(qū)域進行規(guī)范化作業(yè)，彌補人工植保、機械植保的不足。同時，要想更好地展現(xiàn)無人機設(shè)備在農(nóng)業(yè)植保中的地位，則需不斷優(yōu)化無人機結(jié)構(gòu)、提高無人機質(zhì)量、優(yōu)化植保手段等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

低溫凍融循環(huán)試驗參照GB/T 50082—2009中快凍法進行。采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm試件，將試件置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至7 d后開始試驗[5]，試驗環(huán)境分為空氣（不加任何溶液）、清水，測試1000個循環(huán)。因UHPC性能優(yōu)異，每100個循環(huán)測試1次動彈性模量和質(zhì)量，計算相對動彈性模量和質(zhì)量損失率；每200個循環(huán)測試1次抗壓強度，計算強度耐蝕系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 標養(yǎng)后低溫養(yǎng)護試驗

UHPC成型后分別標養(yǎng)至1、3、7 d后進行5、0、-5、-10℃低溫養(yǎng)護試驗，同時進行持續(xù)標養(yǎng)和持續(xù)低溫養(yǎng)護試驗，養(yǎng)護總齡期為120 d，測試各齡期試件的抗壓強度，計算強度耐蝕系數(shù)，結(jié)果如圖1～圖4所示。

由圖1～圖4可知，持續(xù)標養(yǎng)至28 d時UHPC的抗壓強度為143.5MPa；5℃低溫環(huán)境下，UHPC持續(xù)低溫養(yǎng)護及標養(yǎng)1、3、7 d后低溫養(yǎng)護至28 d抗壓強度分別能達到112.9、116.8、121.3、129.0 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為78.7%、81.4%、84.5%、89.9%。0℃低溫環(huán)境下，UHPC持續(xù)低溫養(yǎng)護及標養(yǎng)1、3、7 d后低溫養(yǎng)護至28 d抗壓強度分別能達到103.8、107.9、117.1、126.9 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為70.9%、73.7%、79.9%、86.6%。-5℃低溫環(huán)境下，UHPC持續(xù)低溫養(yǎng)護及標養(yǎng)1、3、7 d后低溫養(yǎng)護至28 d抗壓強度分別能達到23.2、99.1、112.8、121.4 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為16.2%、69.1%、78.6%、84.6%。-10℃低溫環(huán)境下，UHPC標養(yǎng)1、3、7 d后低溫養(yǎng)護至28 d抗壓強度分別能達到86.2、114.0、123.5 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為59.7%、78.9%、85.5%。

試驗結(jié)果表明，UHPC在經(jīng)過短時間（7d以內(nèi)）的標養(yǎng)后，置于5℃或0℃的低溫下養(yǎng)護，強度仍能持續(xù)發(fā)展，28 d后逐漸趨于穩(wěn)定；置于-5℃或-10℃低溫下養(yǎng)護，強度發(fā)展緩慢甚至停止增長；低溫養(yǎng)護對各齡期強度發(fā)展均有一定的影響，且溫度越低影響越大。因此，在UHPC的工程應(yīng)用過程中應(yīng)避免在日最低氣溫-5℃以下的環(huán)境條件施工，否則必須采取保溫養(yǎng)護措施，在20℃養(yǎng)護溫度下養(yǎng)護7 d以上，則可以保證UHPC的抗壓強度達到標養(yǎng)抗壓強度的85%以上。

2.2 低溫養(yǎng)護后標養(yǎng)試驗

UHPC成型后放入低溫試驗箱分別養(yǎng)護至1、3、7 d后進行標養(yǎng)，同時進行持續(xù)標養(yǎng)和持續(xù)低溫養(yǎng)護試驗，養(yǎng)護總齡期為120 d，測試各齡期試件的抗壓強度，計算強度耐蝕系數(shù)，結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知，UHPC在5℃環(huán)境下持續(xù)低溫養(yǎng)護及低溫養(yǎng)護1、3、7 d后標養(yǎng)至28d抗壓強度分別能達到112.9、139.5、135.2、130.4 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為78.7%、97.2%、94.2%、90.9%。UHPC在0℃環(huán)境下持續(xù)低溫養(yǎng)護及低溫養(yǎng)護1、3、7 d后標養(yǎng)至28 d抗壓強度分別能達到103.8、135.2、131.2、128.5 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為70.9%、92.3%、89.6%、87.7%。UHPC在-5℃環(huán)境下持續(xù)低溫養(yǎng)護及低溫養(yǎng)護1、3、7 d后標養(yǎng)至28 d抗壓強度分別能達到23.2、130.9、121.3、108.5 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別為16.2%、91.2%、84.5%、75.6%。

試驗結(jié)果表明，UHPC在經(jīng)過短時間（7 d以內(nèi)）的5℃或0℃低溫養(yǎng)護后再進行標養(yǎng)，強度能持續(xù)發(fā)展并逐步趕上標養(yǎng)試件強度，28 d強度耐蝕系數(shù)都在90%左右，60 d強度耐蝕系數(shù)能達到100%左右。而經(jīng)過-5℃低溫養(yǎng)護后再進行標養(yǎng)，UHPC試件強度雖能持續(xù)發(fā)展，但隨著齡期延長，低溫養(yǎng)護產(chǎn)生的影響并不能完全消失，低溫養(yǎng)護3、7 d后標養(yǎng)至120 d強度耐蝕系數(shù)分別只有95.5%、91.5%，低溫作用時間越長，強度耐蝕系數(shù)越低。因此，在UHPC的工程應(yīng)用過程中應(yīng)避免在日最低氣溫-5℃以下的環(huán)境條件施工，UHPC澆筑或強度發(fā)展過程中，若遇到短時間的-5℃及以上的低溫作用，UHPC的強度仍能持續(xù)發(fā)展，長齡期強度可以達到標養(yǎng)強度。

2.3 低溫凍融循環(huán)試驗

UHPC拆模后標養(yǎng)至7 d開始進行低溫凍融循環(huán)試驗，相對動彈性模量、質(zhì)量損失率、抗壓強度以及強度耐蝕系數(shù)的變化如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，UHPC在空氣和清水中的相對動彈性模量整體呈增大趨勢，質(zhì)量基本無損失；抗壓強度先提高后降低，在400次凍融循環(huán)時達到最高，由于標準養(yǎng)護抗壓強度持續(xù)提高，強度耐蝕系數(shù)逐漸減小。UHPC經(jīng)過1000次凍融循環(huán)后，在空氣和清水中相對動彈性模量分別增大至105.7%、106.5%，抗壓強度分別達到132.5、133.7 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別降至85.2%、86.0%，試件表面完好，無破損。UHPC在空氣和清水中凍融循環(huán)后的性能差異不大，在清水環(huán)境中的性能略好于在空氣中的。GB/T 50476—2019中對設(shè)計使用壽命100年的混凝土結(jié)構(gòu)抗凍耐久性指數(shù)的要求是DF300≥80%且質(zhì)量損失率≤5%，UHPC抗凍性能完全滿足設(shè)計要求。

混凝土在飽水狀態(tài)下受凍融循環(huán)作用時，孔隙水在結(jié)冰和融化過程中會產(chǎn)生體積膨脹和收縮，從而在混凝土內(nèi)部形成交變作用的應(yīng)力，混凝土在這種內(nèi)應(yīng)力的長期作用下會出現(xiàn)微裂縫，進而形成結(jié)構(gòu)損傷，最終導(dǎo)致剝蝕破壞[14]。UHPC在空氣和清水中凍融循環(huán)后的性能差異不大，這表明UHPC結(jié)構(gòu)致密，環(huán)境中的水分很難進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部而對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹破壞，相反清水環(huán)境中水分還有助于UHPC水化進程的持續(xù)進行。

3 工程應(yīng)用

3.1 冬季施工措施

根據(jù)JTG/T3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)室外晝夜日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5℃時，混凝土工程應(yīng)采取冬季施工措施。

在UHPC的工程應(yīng)用過程中，可通過對原材料儲存與拌合、UHPC運輸與澆筑、UHPC早期養(yǎng)護等多方面采取加熱或保溫措施，來保證UHPC在低溫環(huán)境中的施工質(zhì)量。UHPC原材料儲存與拌合方面，可將UHPC預(yù)混料堆放在廠房或暖棚內(nèi)，用熱風(fēng)進行加熱，將UHPC預(yù)混料溫度提升到10℃以上；UHPC拌合過程中，UHPC拌合水可采用加熱棒加熱，拌合水溫不超過60℃，UHPC出機溫度不低于10℃。UHPC運輸與澆筑過程中，混凝土罐車應(yīng)有保溫措施，UHPC入模溫度不低于5℃。UHPC早期養(yǎng)護過程中，可以采用蓄熱法或加熱法養(yǎng)護，蓄熱法養(yǎng)護溫度不低于10℃，加熱法養(yǎng)護溫度不低于8℃，養(yǎng)護時間以UHPC抗壓強度達到設(shè)計強度的75%的時間為準。

3.2 工程應(yīng)用實踐

（1）太原市攝樂橋：采用獨塔空間扭索面斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置為（30+150+150+30）m，斜拉索布置形成空間曲面。主橋鋼橋面采用60mmUC135+40mmSMA10+40mmSMA13的鋪裝結(jié)構(gòu)，鋪裝面積11 150 m2。UHPC澆筑時間為2016年10月23日～2016年11月17日。

（2）延崇高速太子城1號橋：該橋左幅為三塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為（50+100+100+50）m，右幅為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為（25+60+120+60+25）m。鋼箱梁橋面采用50 mmUC120+30 mmSMA10的鋪裝結(jié)構(gòu)，鋪裝面積7830 m2。UHPC澆筑時間為2019年9月19日～2019年10月8日。

（3）廊坊光明道立交橋：主橋為連續(xù)鋼桁梁橋，跨徑布置為（118+268+118）m變高度鋼桁梁。主橋鋼橋面采用50mm UC120+30mmSMA10的鋪裝結(jié)構(gòu)，鋪裝面積10879 m2。UHPC澆筑時間為2021年11月4日～2021年11月27日。

3個項目中UHPC在低溫環(huán)境下的養(yǎng)護措施及養(yǎng)護效果如表2所示。

表2 UHPC在低溫環(huán)境下的應(yīng)用及養(yǎng)護措施

4 結(jié)論

（1）UHPC在經(jīng)過短時間（7 d以內(nèi)）的標養(yǎng)后，置于5℃或0℃的低溫下養(yǎng)護，強度仍能持續(xù)發(fā)展，28 d后逐漸趨于穩(wěn)定；置于-5℃或-10℃低溫下養(yǎng)護，強度發(fā)展緩慢甚至停止增長；低溫養(yǎng)護對各齡期強度發(fā)展均有一定的影響，且溫度越低影響越大。

（2）UHPC在經(jīng)過短時間（7 d以內(nèi)）的5℃或0℃低溫養(yǎng)護后再進行標養(yǎng)，UHPC強度能持續(xù)發(fā)展并逐步趕上標養(yǎng)試件強度，28 d強度耐蝕系數(shù)都在90%左右，60 d強度耐蝕系數(shù)能達到100%左右。而經(jīng)過-5℃低溫養(yǎng)護后再進行標養(yǎng)，UHPC試件強度雖能持續(xù)發(fā)展，但低溫養(yǎng)護產(chǎn)生的影響并不能完全消失，低溫養(yǎng)護3、7 d后標養(yǎng)至120 d強度耐蝕系數(shù)分別只有95.5%、91.5%，低溫作用時間越長強度耐蝕系數(shù)越低。

（3）UHPC經(jīng)過1000次凍融循環(huán)后，在空氣和清水中相對動彈性模量分別增大至105.7%、106.5%，抗壓強度分別達到132.5、133.7 MPa，強度耐蝕系數(shù)分別降至85.2%、86.0%，試件表面完好，無破損。UHPC在空氣和清水中凍融循環(huán)后的性能差異不大，清水環(huán)境中性能略好于空氣中。

（4）在UHPC的工程應(yīng)用過程中，可通過對原材料儲存與拌合、UHPC運輸與澆筑、UHPC早期養(yǎng)護等多方面采取加熱或保溫措施，來保證UHPC在低溫環(huán)境中的施工質(zhì)量。通過采取必要的加熱或保溫措施，太原市攝樂橋、延崇高速太子城1號橋及廊坊光明道立交橋的同條件養(yǎng)護試件強度均能達到標養(yǎng)試件的80%以上，均滿足設(shè)計要求。