UHPC 超高性能混凝土制備及工程應(yīng)用研究

王小林

（贛州城投工程管理有限公司，江西 贛州 341000）

1 UHPC 制備原理

1.1 提升均質(zhì)性

對(duì)于大部分的固態(tài)材料而言，其理論壓縮強(qiáng)度通常為其彈性模量的0.1-0.2 倍，而實(shí)際測(cè)量值只有（0.1-0.2）×10-3倍。二者的差異很大，這是由于其內(nèi)部組織不完整，缺陷增多所致。要想使UHPC 的強(qiáng)度和耐久性得以充分發(fā)揮，首先就應(yīng)確保UHPC 內(nèi)部的均質(zhì)性。所謂均質(zhì)性是指材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)能夠在宏觀上保持高度均勻，不會(huì)存在較大差異，材料的整體力學(xué)性能可以得到充分發(fā)揮。普通混凝土是由水泥、粗骨料、細(xì)骨料和水按一定比例混合攪拌而成，之后通過(guò)泵送進(jìn)入模具中，成型為立方體、棱柱體等形狀。由于普通混凝土中的細(xì)骨料含量很高，其表面粗糙，其棱角也比較尖銳，且表面吸附的水較多。這樣，在水泥漿中便存在較多的孔隙和微裂縫，同時(shí)混凝土的密實(shí)性也會(huì)降低，因此在澆筑成型后，便會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻[1]。要想使UHPC 的均質(zhì)性得以提高，在原材料中加入適量的超細(xì)礦物骨料是很有必要的，因?yàn)檫@種骨料的表面通常會(huì)粗糙，且表面吸附較多水分，同時(shí)其自身具有較高的彈性模量，這些特點(diǎn)都有利于提高混凝土的力學(xué)性能。

1.2 提升堆積密度

在UHPC 的制備中，根據(jù)其對(duì)堆積密度的要求，通常都會(huì)選用高流動(dòng)性的水泥和骨料。在體積率一定的情況下，顆粒越大，則堆積密度越高。如果在一個(gè)顆粒中加入了其他的材料，其密度也會(huì)增加，這就是堆積密度受到顆粒大小的影響。按照晶體學(xué)的理論，當(dāng)兩個(gè)原子在同一空間內(nèi)排成一條直線時(shí)，它的壓縮系數(shù)是0.68，而最密的一條直線，它的壓縮系數(shù)也是0.74。為了提高填充密度，通常會(huì)在大顆粒和小顆粒之間添加合適的顆粒。這樣就能確保填滿合適的位置，剩余的位置也會(huì)有相應(yīng)的次序，讓整個(gè)空間變得最密集[2]。

1.3 改善微觀結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行超高性能混凝土的制備過(guò)程中，為確保其微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在前期需要進(jìn)行水化反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)在水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生一定量的硅酸鈣水化物。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的水化反應(yīng)后，會(huì)在水泥石中形成一定量的活性成分。超高強(qiáng)度混凝土澆筑完畢后，必須進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)，才能加快水化過(guò)程，并將火山灰的效果發(fā)揮到最大。對(duì)于200MPa 以上的超高性能混凝土，在20℃-90℃環(huán)境下，仍需進(jìn)行水化產(chǎn)物尚未定型的常溫養(yǎng)護(hù)。隨著溫度的逐漸上升，火山灰作用逐漸增強(qiáng)，其微結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生顯著改變，尤其是有害孔體積逐漸減小，孔隙逐漸變細(xì)。

2 UHPC 的制備

2.1 制備階段配合比的設(shè)計(jì)

2.1.1 基本原則

制備階段配合比的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

1.要滿足UHPC 強(qiáng)度與耐久性的要求，其強(qiáng)度要達(dá)到≥200MPa，且具有高韌性、高抗拉等性能。

2.UHPC 中材料組成要多樣化，其中包括水泥、活性摻合料以及纖維等。水泥選用高性能水泥，同時(shí)加入一定量的粉煤灰和硅灰；活性摻合料的選擇要以硅灰為主，同時(shí)也可考慮加入一定量的粉煤灰；纖維材料可以選用鋼纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等，加入量一般控制在0.3%-0.5%[3]。

3.要保障UHPC 中各組分的均勻性，確保各組分的含量都在最佳值，不能出現(xiàn)過(guò)多或者過(guò)少的現(xiàn)象。

4.組分的細(xì)度應(yīng)適當(dāng)提升。UHPC 中各組成材料的細(xì)度通常有兩種：一種是指材料顆粒的平均粒徑，即在納米級(jí)范圍內(nèi)；另一種是指材料顆粒之間的空隙率，即在微米范圍內(nèi)。通常情況下，由于組成材料顆粒間的空隙率較大，使得材料內(nèi)部的缺陷比較明顯。

5.在保證UHPC 各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)的情況下，盡可能地降低水灰比。由于UHPC 中的各組分在硬化時(shí)都會(huì)受到自身化學(xué)性質(zhì)的影響，導(dǎo)致水灰比過(guò)大，進(jìn)而使得水化產(chǎn)物的堆積密度增大，由此使得材料內(nèi)部的缺陷得到充分的釋放。

2.1.2 制備方案

1.精選原材料。經(jīng)比對(duì)選擇水泥，宜采用硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥。經(jīng)比選外加劑，可選用萘系、聚羧酸系、硫鋁酸鹽等。經(jīng)比對(duì)選擇骨料，采用強(qiáng)度等級(jí)為32.5 級(jí)的普通碎石。經(jīng)比選摻合料，選用硅灰、粉煤灰、礦渣粉和超細(xì)礦粉等。在實(shí)際應(yīng)用中，通常要對(duì)水泥和相關(guān)的減水劑等進(jìn)行較為科學(xué)的調(diào)整，確保兩者之間能夠互相適合。隨著混凝土的逐漸增強(qiáng)，其極限承載能力的降低，其失效形式更加突兀，是一種毫無(wú)預(yù)兆性的失效形式，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)了極大的損傷。為了讓混凝土自身的抗折性能及韌性不斷提升，需適量加入一些微細(xì)高強(qiáng)鋼纖維，在增強(qiáng)混凝土自身的韌性的同時(shí)，也能讓其抗沖擊能力不斷增加，確保整體破壞能夠發(fā)生合適的變化，轉(zhuǎn)化為局部微裂縫，從而對(duì)結(jié)構(gòu)所受到的破壞產(chǎn)生一定的緩沖作用[4]。

2.配制流程。（1）配合比設(shè)計(jì)：選擇的水膠比為0.35,砂率為40%，超細(xì)集料為50%，礦物摻合料為10%，外加劑為0.3%；（2）配制試塊：在溫度為25℃的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；（3）配制超高性能混凝土試塊：在溫度為25℃的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期7d；（4）配制標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度試塊：在溫度為25℃的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期7d；（5）制作試件：采用標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)方式，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的測(cè)試。

3.具體的生產(chǎn)工藝。（1）原材料的檢驗(yàn)：在進(jìn)行原材料的檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在原材料的驗(yàn)收過(guò)程中，要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。對(duì)于混凝土而言，其體積較為穩(wěn)定，對(duì)材料性能有較強(qiáng)的依賴性，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將混凝土的體積作為重要的參考依據(jù)。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將水泥、粉煤灰、礦粉以及其他材料作為主要的檢測(cè)對(duì)象，確保其能夠符合相關(guān)規(guī)定；（2）生產(chǎn)工藝：在生產(chǎn)工藝中，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的安排。通常情況下，主要分為自然養(yǎng)護(hù)以及熱養(yǎng)護(hù)兩種方式。在自然養(yǎng)護(hù)當(dāng)中，應(yīng)保證水泥能夠充分地水化，同時(shí)也要注意混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)速度。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果溫度較低，應(yīng)采用電地暖或者是電加熱等方式，提高養(yǎng)護(hù)的效果。在熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)注意環(huán)境溫度和濕度的變化。此外，對(duì)于原材料的用量，也要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的調(diào)整。

2.2 制備階段的配合比

2.2.1 配合比設(shè)計(jì)理念

UHPC配合比設(shè)計(jì)應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件形式特點(diǎn)、施工工藝及環(huán)境作用等因素，應(yīng)根據(jù)混凝土工作性能、強(qiáng)度、耐久性及其他必要性能要求計(jì)算初始配合比。首先，UHPC 配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及混凝土使用要求，計(jì)算UHPC 用水量、砂率及用水量，并結(jié)合所用原材料的品種和質(zhì)量，計(jì)算單位用水量及單位膠凝材料用量，并考慮UHPC 的密實(shí)性要求，采用合適的減水劑和摻合料，確保其工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。其次，UHPC 配合比設(shè)計(jì)應(yīng)采用先進(jìn)的材料、技術(shù)和生產(chǎn)工藝。目前，國(guó)內(nèi)外研究較多的是基于經(jīng)驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方法，但在實(shí)際工程應(yīng)用中并不適用。為此，需采用多因素正交試驗(yàn)方法研究UHPC 配合比設(shè)計(jì)方法及其影響因素；通過(guò)優(yōu)化配合比降低用水量、提高膠凝材料用量、增大骨料粒徑及調(diào)整施工工藝等，提高UHPC 強(qiáng)度。

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.稱重。根據(jù)所需的配合比，使用所收集的原材料，如水泥、硅灰、微珠、石英砂、石英粉、鍍銅鋼纖維、高效外加劑等，按對(duì)應(yīng)的質(zhì)量進(jìn)行稱重。然后把全部干燥的粉末原料都放到攪拌機(jī)里，進(jìn)行充分的混合。

2.攪拌。應(yīng)該使用的是強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，將稱量好的干混料先攪拌2min，加稱量好的3/4 水和全部外加劑后，再攪拌4min，加剩余的1/4 水，攪拌約9min；在混合完畢后，再對(duì)其工作特性進(jìn)行測(cè)試，確保檢測(cè)結(jié)果能夠符合設(shè)計(jì)的規(guī)定，以達(dá)到確保UHPC 自密實(shí)、自流平等工程應(yīng)用的目的。如有需要，可選擇可調(diào)速的強(qiáng)力混合器，并根據(jù)混凝土狀況調(diào)節(jié)混合速率。

2.2.3 成型

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試件成型法進(jìn)行。試件的高度為80-120mm，采用20mm×20mm 的立方體，在成型過(guò)程中，在標(biāo)準(zhǔn)試件成型機(jī)振搗時(shí)，為防止試件產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，應(yīng)采用兩個(gè)振搗棒同時(shí)振搗。在試件表面均勻涂上一層厚約2-3mm 的減水劑溶液，厚度為3-5mm；為使UHPC 試件在成型過(guò)程中有一定的體積膨脹率，在成型過(guò)程中用鋼模抹平后再用橡膠錘敲擊壓光。振搗時(shí)間以5s 為宜。采用兩個(gè)振搗棒同時(shí)振搗的方式，待試件表面初凝后，再用抹刀抹平表面；抹平后用小鐵錘輕輕敲打試件表面，直至試件表面平整。

2.2.4 養(yǎng)護(hù)

UHPC 的養(yǎng)護(hù)是制樣階段的最后一步，也是最關(guān)鍵的一步。養(yǎng)護(hù)不當(dāng)會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，導(dǎo)致其達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，或達(dá)不到施工驗(yàn)收要求。因此，養(yǎng)護(hù)的好壞直接影響后續(xù)施工工序和質(zhì)量。

對(duì)于已成形的試模，在其進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)48h 后（可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)脫模時(shí)間），然后進(jìn)行拆模?？刹扇?biāo)準(zhǔn)蒸汽養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)，熱水養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)常溫養(yǎng)護(hù)等多種養(yǎng)護(hù)方式。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：將脫模后的混凝土試件馬上放到一個(gè)具有20℃±2℃，相對(duì)濕度超過(guò)95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將試件放置在一個(gè)養(yǎng)護(hù)架上，兩個(gè)試件之間的距離為10-20mm，并且要保證試件的表面是潮濕的，不能讓水直接沖淋。標(biāo)準(zhǔn)蒸氣養(yǎng)護(hù)：將脫模后的試件放在蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中，以不超過(guò)15℃/h 的速度，將其加熱到90℃±1℃，并維持一定的溫度72 小時(shí)，同時(shí)要留意降低試件的表面溫度，然后以不超過(guò)15℃/h 的速度，將其冷卻到20℃±5℃。蒸養(yǎng)可以較快地反映出試驗(yàn)成果，對(duì)今后超高性能混凝土的試車使用具有一定的參考價(jià)值。

3 UHPC 超高性能混凝土在工程中的應(yīng)用

在公路交通工程中，UHPC 超高性能混凝土常被用于一些特殊部位，如：橋梁的懸臂、橋面鋪裝層、橋墩底部等。

3.1 橋梁懸臂

我國(guó)橋梁懸臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例較多，其中部分橋梁由于處于交通要道，易受車輛沖擊和碰撞，如：上海外灘跨黃浦江懸臂橋、深圳東門大橋、浙江泰順千祥橋等，這些橋梁都屬于超高性能混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 3650-2020 規(guī)定，懸臂梁的最大設(shè)計(jì)彎矩不應(yīng)大于500kN·m，故在進(jìn)行懸臂梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制其彎矩及最大設(shè)計(jì)荷載[5]。以上海黃浦江某懸臂梁為例，其最大彎矩為1676kN·m，最大荷載為1468kN。設(shè)計(jì)時(shí)，可將其作為一種新型的懸臂結(jié)構(gòu)，并采用UHPC 超高性能混凝土作為橋面鋪裝。

3.2 橋面鋪裝層

在城市中，車輛密度較大，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，影響市民的生活和工作環(huán)境。在城市交通工程中，橋面鋪裝常采用瀝青混凝土鋪裝，由于瀝青混凝土材料具有較高的硬度和彈性模量，不能抵抗車輛撞擊和振動(dòng)等因素的影響，極易產(chǎn)生裂縫。而UHPC 超高性能混凝土由于其良好的韌性、抗裂性及高強(qiáng)度等特點(diǎn)，可用于橋面鋪裝中。如：上海黃浦江某懸臂橋，其橋面鋪裝采用UHPC 超高性能混凝土，以保證其耐久性和承載力。

3.3 橋墩底部

橋梁橋墩底部常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。但鋼筋混凝土材料在使用過(guò)程中，由于溫度、收縮及徐變等因素的影響，極易產(chǎn)生裂縫，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，裂縫會(huì)越寬。而UHPC 超高性能混凝土由于具有良好的韌性及超高的強(qiáng)度，在高溫、收縮及徐變等方面表現(xiàn)優(yōu)異，因此可用于橋墩底部。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，UHPC 超高性能混凝土在保證構(gòu)件具有高強(qiáng)度的同時(shí)，還能有效提高其韌性，是一種具有巨大潛力的新型復(fù)合材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。期間采用合理的配合比，配制出拌合物性能好、工作性和力學(xué)性能優(yōu)異、耐久性良好的UHPC 超高性能混凝土，是今后工作的重點(diǎn)。而在施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比、砂率及養(yǎng)護(hù)條件等因素，保證混凝土配合比設(shè)計(jì)合理、澆筑密實(shí)且養(yǎng)護(hù)到位，使UHPC 超高性能混凝土達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。UHPC 超高性能混凝土具有良好的耐久性，在使用壽命內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明顯的裂縫，并能在一定程度上抵抗外部環(huán)境及荷載作用而發(fā)生的破壞，由此在未來(lái)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。