HPC與UHPC的制備原理比較

饒?zhí)K端，水中和，余 睿，曾志軍，潘躍進(jìn)

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100070)

高性能混凝土(High performance concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)HPC)是在普通混凝土的基礎(chǔ)上，注重耐久性方面的改善得到的產(chǎn)品。HPC這個(gè)名稱(chēng)，在1990年美國(guó)NIST與ACI召開(kāi)的會(huì)議上首次提出。從20世紀(jì)40年代起，開(kāi)始研究并解決水泥混凝土的耐久性能問(wèn)題，可以認(rèn)為是HPC研究的開(kāi)端[1,2]。至20世紀(jì)90年代左右，HPC的制備和應(yīng)用已在各國(guó)形成標(biāo)準(zhǔn)。

超高性能混凝土(Ultra high performance concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC)的研究始于20世紀(jì)70年代，對(duì)于超高性能混凝土，在《超高性能混凝土技術(shù)規(guī)范：材料與檢驗(yàn)》初稿中在品質(zhì)評(píng)價(jià)方面，除強(qiáng)度外，明確對(duì)孔洞與裂縫的宏觀缺陷和抗?jié)B透性提出了要求。UHPC的概念在1994年提出，可以看作是對(duì)于超高強(qiáng)度混凝土相關(guān)研究的一個(gè)總結(jié)，目前部分研究中仍沿用了活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)的名稱(chēng)，大部分由于RPC已被注冊(cè)商標(biāo)而已改用UHPC。

UHPC并不是HPC的基礎(chǔ)上進(jìn)行的簡(jiǎn)單高強(qiáng)度改造，論文接下來(lái)從制備的方法和對(duì)應(yīng)的原理及思路方面來(lái)介紹二者之間的差異。

1 高性能混凝土的制備

高性能混凝土的設(shè)計(jì)，主要的原則是降低孔隙率，細(xì)化晶粒尺寸，減少產(chǎn)物的不均勻性。采取的主要手段有：使用高效減水劑以降低水膠比，同時(shí)改善新鮮狀態(tài)下的顆粒聚集狀態(tài)；優(yōu)化原料的粒度分布和顆粒級(jí)配來(lái)增加密實(shí)度。目前已有很多成體系的HPC配比設(shè)計(jì)方法，包括法國(guó)國(guó)家路橋?qū)嶒?yàn)室方法(LCPC)，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)方法，基于最大密實(shí)度理論的Domone P L J方法，Bolomy修正法，全計(jì)算法等[3]。下面詳細(xì)介紹幾種較有代表性的方法。

在A?tcin P C所著的《High-Performance Concrete》書(shū)中講解了全計(jì)算法。首先是根據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度選擇合適的水膠比；然后通過(guò)飽和點(diǎn)法找到合適的水和減水劑用量，使得水的用量在保證坍落度有200 mm的基礎(chǔ)之上用量最??；在已知水膠比和水用量的前提下，可以反推得到膠材的總用量，并得出水泥和其他摻合料的用量，再根據(jù)骨料的形狀和尺寸，選擇粗骨料的用量；最后，計(jì)算所有固體的體積，取含氣量為1.5%，用砂補(bǔ)齊體積并根據(jù)各物料和飽和面干狀態(tài)的差距補(bǔ)正水的用量。該書(shū)隨后還給出了批量配比的方法并指出，這一設(shè)計(jì)方法中仍有不少內(nèi)容取決于經(jīng)驗(yàn)和觀察，并且不能預(yù)計(jì)原料的品質(zhì)和特征對(duì)于最終產(chǎn)品的影響[4]。這種設(shè)計(jì)方式即是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)中水膠比和強(qiáng)度的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上盡量控制膠材的總用量，然后用骨料補(bǔ)齊體積，可以看作是一種純經(jīng)驗(yàn)方式的總結(jié)和綜合運(yùn)用，更適用于較為普通的性能要求。美國(guó)的ACI363標(biāo)準(zhǔn)所建議的設(shè)計(jì)方式與上述方法類(lèi)似，區(qū)別在于在調(diào)整水和減水劑的用量時(shí)，是通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，僅控制不加減水劑時(shí)的坍落度在25～50 mm，并通過(guò)小量的試驗(yàn)來(lái)確定所需的水膠比和減水劑用量。

de larrard方法是結(jié)合了Feret方程預(yù)估強(qiáng)度，這個(gè)方程的參數(shù)包含了水膠比、骨料參數(shù)和水泥強(qiáng)度，是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，較純經(jīng)驗(yàn)的方式相比，對(duì)于強(qiáng)度的估計(jì)更為準(zhǔn)確。以這一方程為參考設(shè)計(jì)水膠比和材料的比例用量后使用Farris模型(也是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的模型公式)來(lái)調(diào)整水和減水劑的用量以及工作性能[5]。

Mehta和 A?tcin還提出了一種簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方法，仍然是通過(guò)預(yù)定設(shè)計(jì)強(qiáng)度來(lái)決定水膠比，粗略地將膠材和骨料的體積占比按35%和65%來(lái)確定膠材和骨料的總用量，根據(jù)用水量和預(yù)計(jì)含氣量，調(diào)整膠材的組成保證體積，并按強(qiáng)度等級(jí)選擇粗細(xì)骨料的比例，最后調(diào)整減水劑的用量以滿(mǎn)足工作性能的要求[6]。

另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多研究者也把數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合到了高性能混凝土配比計(jì)算當(dāng)中，使得在配比設(shè)計(jì)上結(jié)合了更多的實(shí)際問(wèn)題，例如成本造價(jià)、水泥用量等問(wèn)題[7，8]。

實(shí)際生產(chǎn)中，則是在確定大致配比范圍后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求最佳配比[9,10]。這也側(cè)面反應(yīng)了，這些配合比設(shè)計(jì)方法其背后的原理均有一定的經(jīng)驗(yàn)成分。

在低碳減排方面，HPC的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了對(duì)于使用回收廢料替代膠材和骨料的研究，例如使用陶瓷生產(chǎn)中拋光磨光工藝中產(chǎn)生的陶瓷廢料粉替代水泥生產(chǎn)HPC[11]；利用回收的混凝土塊替代骨料等[12]。

總的來(lái)說(shuō)，HPC的設(shè)計(jì)原理是在普通混凝土的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)理論上延伸發(fā)展得來(lái)的，大量借鑒了普通混凝土中有關(guān)強(qiáng)度和工作性能設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，非常注重在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性。并在此基礎(chǔ)之上，控制原料品質(zhì)、在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下盡量降低水膠比，以達(dá)到從宏觀方面降低孔隙率增強(qiáng)水泥基材料的抗?jié)B性能的設(shè)計(jì)目的。

2 超高性能混凝土制備

超高性能混凝土的制備機(jī)理，以減少最終水泥石的微觀缺陷，降低孔隙率為主要目的。形成的理論體系包括細(xì)料致密法(Densified with Small Particles,DSP),Bache通過(guò)這一理論，利用高效減水劑和硅灰的組合作用，制得了強(qiáng)度達(dá)150～200 MPa的混凝土并已形成了以DENSIT為商標(biāo)的商用混凝土制品；Birchall等通過(guò)真空攪拌減少引入的氣體并使用高溫蒸養(yǎng)等手段改善水泥的水化產(chǎn)物及其微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)出的無(wú)宏觀缺陷水泥(Micro Defect Free，MDF)；以及后來(lái)在前二者的理論基礎(chǔ)之上，既使用高活性粉末，又進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)開(kāi)發(fā)出的RPC(Reactive Powder Concrete)，根據(jù)這一理論基礎(chǔ)，目前已有了抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)800 MPa的商業(yè)產(chǎn)品[13]。下面以RPC的設(shè)計(jì)原理為例進(jìn)行介紹。

RPC的的設(shè)計(jì)原理包括，去除粗骨料增加了混凝土的均勻性，減少界面，阻止了力學(xué)、化學(xué)收縮、熱應(yīng)力等因素導(dǎo)致的裂紋的擴(kuò)張；增強(qiáng)了漿體的機(jī)械性能使之模量接近骨料，進(jìn)而消除了內(nèi)部的機(jī)械異質(zhì)性；限制砂的用量進(jìn)一步增加了密實(shí)度減少了砂作為細(xì)骨料在漿體水化時(shí)收縮帶來(lái)的孔隙率。在具體設(shè)計(jì)配比上，RPC通過(guò)粉料的堆積模型和流變實(shí)驗(yàn)來(lái)確定需水量最小時(shí)粉料的比例，再根據(jù)最小需水量和預(yù)計(jì)含氣量，利用相對(duì)密度來(lái)確定需水量。用料上，利用了硅灰的火山灰效應(yīng)并通過(guò)使用石英砂和石英粉來(lái)補(bǔ)正硅與水泥的比例來(lái)改善水化產(chǎn)物的成分組成，最后添加體積比約為2%的鋼纖維。在生產(chǎn)時(shí)，對(duì)新鮮混凝土施加壓力，以促進(jìn)氣體和成漿所必須而非必要的部分水排除，同時(shí)減少化學(xué)收縮。最后，進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)以改善微觀結(jié)構(gòu)[14]。

UHPC的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的改善研究目前尚在進(jìn)行當(dāng)中。近期的一些研究表明，具體的生產(chǎn)工藝也會(huì)對(duì)RPC的最終質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，例如Parameshwar N等指出，先混合膠材，加入大部分的水和減水劑，再加入砂等骨料，最后加入剩余水的方式比傳統(tǒng)的先混合所有固體，加入一半水和減水劑，混勻后再加入剩余水和減水劑的方式能獲得更好的工作性能，而控制制備的攪拌時(shí)間在15 min，比起攪拌20 min、25 min、30 min得到的產(chǎn)品孔隙率更低[15]。另有一些研究改進(jìn)了超高性能混凝土配比設(shè)計(jì)的理論細(xì)節(jié)，例如改進(jìn)顆粒堆積模型以進(jìn)一步優(yōu)化粉料配比[16]；進(jìn)一步提升原料質(zhì)量并細(xì)化熱養(yǎng)護(hù)條件等[17]。

UHPC在設(shè)計(jì)時(shí)往往還考慮了一些在其他混凝土中不常見(jiàn)的問(wèn)題，例如由于高膠材用量而引起的自收縮問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題不僅已開(kāi)發(fā)出了成熟的減縮劑產(chǎn)品，而且也有了使用其他工業(yè)廢料例如鐵尾礦替代水泥的研究[18]。

為了改善力學(xué)性能，尤其是混凝土的脆性，UHPC普遍使用摻雜纖維進(jìn)行增韌處理，這一類(lèi)也被稱(chēng)為UHPFRC(Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete)。鋼纖維在摻入U(xiǎn)HPC后，使得基體在載荷下的破壞形式由微裂紋的擴(kuò)展改變成為了鋼纖維—基體過(guò)渡界面的破壞，具體體現(xiàn)為纖維在破壞時(shí)被拉拔而出。即鋼纖維通過(guò)阻止基體中的裂紋擴(kuò)展增加了基體的韌性[19]。

從上述研究和方法中可以看出，UHPC的設(shè)計(jì)方法及其原理都是從減少微觀缺陷完善力學(xué)性能這一本質(zhì)目的出發(fā)的。有些手段如加壓熱養(yǎng)護(hù)在實(shí)際施工中并不易還原并且大幅提高了單位體積混凝土的成本，但是驗(yàn)證了UHPC的設(shè)計(jì)原則可以達(dá)到理想的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

HPC的設(shè)計(jì)原理上，屬于是在結(jié)合普通混凝土設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在對(duì)于強(qiáng)度、孔隙率等方面進(jìn)行改善，從而達(dá)到改善耐久性能的目的，目前理論研究已經(jīng)較為完善。相較于HPC而言，UHPC的設(shè)計(jì)方法的邏輯上則是相反的，通過(guò)可能的手段盡量降低混凝土的微觀缺陷并全面提升力學(xué)性能，再在具體的設(shè)計(jì)上兼顧實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用?？梢哉J(rèn)為UHPC的制備研究仍需向?qū)嶋H工程應(yīng)用方面進(jìn)一步靠攏。

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