組合養(yǎng)護(hù)對(duì)超高性能混凝土的性能優(yōu)化研究綜述

劉 瑩

北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

1 引言

自1994 年Larrard 等[1]提出超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）概念后，UHPC以其突出的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如超高的強(qiáng)度、耐久性等，逐漸廣泛應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)、大跨橋梁等多種結(jié)構(gòu)，例如我國(guó)深圳的京基100 大廈[2]、西班牙的馬德里雷納索菲亞博物館（ReinaSofia Museum in Madrid）、瑞士的Chillon高架橋。又因UHPC 滿足工程輕量化、高層化、耐久化、大跨化的技術(shù)要求，符合綠色人文的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，故其近年來(lái)已逐漸成為土木工程領(lǐng)域的研究與發(fā)展熱點(diǎn)。

養(yǎng)護(hù)不當(dāng)會(huì)直接造成混凝土力學(xué)性能及耐久性劣化，甚至可能產(chǎn)生疏松脫落、開(kāi)裂等嚴(yán)重地宏觀破壞現(xiàn)象，是影響工程結(jié)構(gòu)正常施工和使用的重要原因之一。因此，如何確保UHPC 具有合理、高效的養(yǎng)護(hù)制度就需要我們進(jìn)行深入的研究探索。結(jié)合目前的研究成果，筆者認(rèn)為最具優(yōu)勢(shì)的養(yǎng)護(hù)制度為組合養(yǎng)護(hù)。

2 UHPC養(yǎng)護(hù)制度研究現(xiàn)狀

眾多研究表明，混凝土的性能與其養(yǎng)護(hù)制度息息相關(guān)。與普通混凝土類似，養(yǎng)護(hù)制度也在很大程度上制約著UHPC 的宏觀性能，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。

熱養(yǎng)護(hù)可明顯地加速UHPC 水泥水化和火山灰反應(yīng)的進(jìn)程，增強(qiáng)水泥界面黏結(jié)力，進(jìn)而改善其力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)[3]。目前，已有眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了探索，并在實(shí)驗(yàn)中取得了有價(jià)值的研究成果。其中，采用較多的熱處理養(yǎng)護(hù)制度包括：濕熱養(yǎng)護(hù)（包括熱水養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)）、高壓養(yǎng)護(hù)和干熱養(yǎng)護(hù)；常用溫度有：60℃、90℃、160 ℃、200℃和250℃[8]。

同時(shí)，熱養(yǎng)護(hù)的環(huán)境溫度、起始時(shí)間和養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)也是影響UHPC 性能的幾個(gè)重要因素。Tam 等[5]分別研究了熱養(yǎng)護(hù)溫度（100℃、150℃、200℃和250℃）和時(shí)長(zhǎng)（8 h 和24 h）對(duì)UHPC內(nèi)部水化進(jìn)程和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果顯示，UHPC 水化產(chǎn)物的晶體類型會(huì)隨熱養(yǎng)護(hù)溫度的不同發(fā)生變化。此外，延長(zhǎng)熱養(yǎng)護(hù)時(shí)間也有助于生成更為致密的水化產(chǎn)物晶體。

為了獲得性能更佳的UHPC，學(xué)者們還對(duì)多種不同的熱養(yǎng)護(hù)制度展開(kāi)了探討。Yang等[6]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)6d后，UHPC 的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂能較20℃常溫水養(yǎng)時(shí)有所提高。Shen等[19]指出，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以顯著提高UHPC 的抗壓強(qiáng)度。Yaz?c? 等[7-8]認(rèn)為適當(dāng)提高蒸壓養(yǎng)護(hù)的溫度與壓力，可提高C-SH 結(jié)晶度，從而改善UHPC 力學(xué)性能。此外，高小健等[18]還采用微波養(yǎng)護(hù)對(duì)摻加了礦渣的UHPC 進(jìn)行了力學(xué)性能的相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微波養(yǎng)護(hù)可顯著增強(qiáng)摻礦渣UHPC的早期強(qiáng)度。

除上述幾種單一養(yǎng)護(hù)制度外，一些組合養(yǎng)護(hù)制度也逐漸進(jìn)入了學(xué)者們的研究視線。Liu 等[9]對(duì)水膠比0.20、水泥用量150 kg/m3的UHPC 進(jìn)行了抗壓、抗彎試驗(yàn)，研究指出，與單獨(dú)90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3d 相比，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行150℃干熱養(yǎng)護(hù)1d 的UHPC，其抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別提高了97%和70%。Hiremath 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，熱水-干熱組合養(yǎng)護(hù)可以顯著提高UHPC的早期抗壓強(qiáng)度，其中干熱養(yǎng)護(hù)的溫度、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為重要影響因素。當(dāng)養(yǎng)護(hù)制度為90℃熱水養(yǎng)護(hù)12h+200℃干熱養(yǎng)護(hù)7d時(shí)，UHPC內(nèi)部生成大量硬硅鈣石晶體，使其抗壓強(qiáng)度可達(dá)180MPa，較齡期為28d的常溫水養(yǎng)提高了63%。此外，牛旭婧所在課題組[17]也在實(shí)驗(yàn)中探索出了一種更具優(yōu)勢(shì)的組合養(yǎng)護(hù)制度（90℃熱水養(yǎng)護(hù)2d+250℃干熱養(yǎng)護(hù)3d），尤其對(duì)鋼纖維增強(qiáng)UHPC 的力學(xué)性能優(yōu)化有著顯著效果。

3 組合養(yǎng)護(hù)對(duì)UHPC性能的優(yōu)化

UHPC 所具有的超高強(qiáng)度、韌性、耐久性等綜合性能是其一直以來(lái)備受工程師青睞的主要原因，也是其能更為廣泛地在建筑結(jié)構(gòu)中得以應(yīng)用的重要保障[8]。研究表明，組合養(yǎng)護(hù)對(duì)于改善UHPC的力學(xué)性能、耐久性等具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.1 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

牛旭婧等[11]采用表1 所示的養(yǎng)護(hù)制度對(duì)水膠比為0.18 的素UHPC進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度如圖1所示。

表1 養(yǎng)護(hù)制度[11]

試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于單一熱養(yǎng)護(hù)（HW2 和200DA2），組合養(yǎng)護(hù)制度可顯著提高UHPC 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，且熱水-干熱組合養(yǎng)護(hù)效果最為明顯。此外，UHPC 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨組合養(yǎng)護(hù)中干熱養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)發(fā)生變化。

此外，引入干熱養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)及干熱養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)UHPC的最終強(qiáng)度有一定的影響，這可能與不同養(yǎng)護(hù)制度下混凝土內(nèi)部水分分布規(guī)律不同有關(guān)系[12]。組合養(yǎng)護(hù)中期的干熱養(yǎng)護(hù)階段可以營(yíng)造出一種高溫干燥的環(huán)境，這會(huì)起到兩個(gè)作用：一方面高溫可以加速水泥顆粒的水化反應(yīng)，并促進(jìn)礦物摻和料參與二次水化；另一方面，干熱養(yǎng)護(hù)也會(huì)使混凝土內(nèi)部自由水蒸發(fā)比較嚴(yán)重，從而影響UHPC的強(qiáng)度。

圖1 經(jīng)歷不同養(yǎng)護(hù)制度后素UHPC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度[11]

組合養(yǎng)護(hù)提高UHPC 力學(xué)性能的機(jī)理[11]為：熱水養(yǎng)護(hù)促進(jìn)UHPC 水泥水化和火山灰反應(yīng)，提高其水化程度，大量均勻分布的C-S-H 凝膠使得UHPC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密；干熱養(yǎng)護(hù)提供相對(duì)密封的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，阻止UHPC內(nèi)部自由水逸出，隨加熱溫度升高，UHPC 內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽壓力得以維持，達(dá)到類似于蒸壓養(yǎng)護(hù)[13-14]的效果進(jìn)而明顯提高其力學(xué)性能。

3.2 斷裂能

除強(qiáng)度外，學(xué)者們還對(duì)UHPC的斷裂能進(jìn)行了研究分析。

牛旭婧等[11]對(duì)比研究了標(biāo)養(yǎng)27d（NW）、90℃熱水養(yǎng)護(hù)2d+200℃干熱養(yǎng)護(hù)（HW2-200DA1/2/3）、90℃熱水養(yǎng)護(hù)2d+250℃干熱養(yǎng)護(hù)3d（HW2-250DA3）三種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)UHPC 斷裂能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱水-干熱組合養(yǎng)護(hù)還有利于提高UHPC的斷裂能。

而就Yang 等[6]關(guān)于90℃熱水養(yǎng)護(hù)這一單一養(yǎng)護(hù)方式對(duì)UHPC斷裂能影響的研究結(jié)果而言，前者的斷裂能僅比20℃水養(yǎng)時(shí)提高了15%。此外，我國(guó)的張勝[15]等人也提出了類似觀點(diǎn)，即濕熱養(yǎng)護(hù)有利于改善水泥石與鋼纖維的界面，使得UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度和斷裂能較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)均有所提升，但同時(shí)文獻(xiàn)也指出采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的試件后期強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)不同程度的倒縮。

3.3 高溫爆裂

建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)往往會(huì)造成嚴(yán)重地人員傷亡和生命財(cái)產(chǎn)損失，且這種情況在國(guó)內(nèi)外均時(shí)有發(fā)生，因此建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)一直都是我國(guó)建筑行業(yè)面臨的嚴(yán)重災(zāi)害威脅之一。研究報(bào)道表明，高溫下UHPC會(huì)發(fā)生爆裂，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生巨大影響，故如何解決UHPC高溫爆裂是目前亟待解決的重要問(wèn)題[16]。

2016 年朋改非課題組[16]提出了一種常溫保濕養(yǎng)護(hù)+90℃熱水養(yǎng)護(hù)+200℃～250℃干熱養(yǎng)護(hù)的組合養(yǎng)護(hù)制度，所制得的UHPC具有優(yōu)異的抗高溫爆裂性，同時(shí)可使抗壓強(qiáng)度提高到200MPa。高溫爆裂主要由蒸汽壓機(jī)理控制，而組合養(yǎng)護(hù)不僅強(qiáng)化了UHPC的微觀結(jié)構(gòu)，更通過(guò)水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)消耗了大量的內(nèi)部游離水，使得UHPC在遭受火災(zāi)高溫作用時(shí)，無(wú)法產(chǎn)生較高的蒸汽壓，從而避免了高溫爆裂的發(fā)生。

如圖2所示，（a）為常溫泡水養(yǎng)護(hù)的試件，高溫爆裂嚴(yán)重，爆裂成一堆細(xì)小的碎塊；（b）為干熱養(yǎng)護(hù)的試件，爆裂程度有所減輕；（c）與（d）均為組合養(yǎng)護(hù)的試件，在高溫下不發(fā)生爆裂[16]。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下的試件經(jīng)歷800℃高溫后的形貌[16]

4 結(jié)論與展望

（1）適宜的養(yǎng)護(hù)制度可保障混凝土的高強(qiáng)度、高耐久性，對(duì)于超高性能混凝土同樣如此。相較于單一的養(yǎng)護(hù)制度而言，組合養(yǎng)護(hù)加速了水泥水化和火山灰反應(yīng)，形成了大量且分布均勻的C-S-H 凝膠，使得UHPC 的微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，顯著提高了UHPC的力學(xué)性能。

（2）組合養(yǎng)護(hù)可以有效地改善UHPC 的火災(zāi)高溫性能，同時(shí)避免了UHPC的高溫爆裂。

（3）目前已有的組合養(yǎng)護(hù)模式仍存在著改進(jìn)空間，未來(lái)的研究可著眼于組合養(yǎng)護(hù)制度的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行更為深入的探索。例如，目前的研究雖已指出組合養(yǎng)護(hù)過(guò)程中UHPC 內(nèi)部形成的高溫蒸汽環(huán)境顯著激發(fā)了殘余水泥顆粒的進(jìn)一步水化和摻料的火山灰反應(yīng)，從而使UHPC擁有了更加優(yōu)異的力學(xué)性能，但能達(dá)到最佳效果的環(huán)境濕度、溫度和蒸汽壓的具體數(shù)值仍未探索清晰。

（4）此外，關(guān)于組合養(yǎng)護(hù)的大部分研究都著眼于UHPC 的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和斷裂能，而其耐久性、直接抗拉強(qiáng)度等其他性能的研究都涉及較少，還有待后續(xù)學(xué)者的進(jìn)一步探索。