珊瑚砂負(fù)載減縮劑對(duì)超高性能混凝土基體性能的影響

楊榮輝，明鑫，張國(guó)志，陳飛翔

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

超高性能混凝土UHPC（Ultra High Performance Concrete）具有超高的強(qiáng)度、韌性和耐久性等諸多優(yōu)良性能，獲得了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注，在橋梁、建筑、核電、海洋等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。超高性能混凝土在水化過程中伴隨著較大的收縮，其中自收縮占總收縮的80%～95%[3]，且主要發(fā)生在凝結(jié)硬化早期，此時(shí)UHPC的強(qiáng)度和抗裂能力還較薄弱，較大的收縮應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致UHPC內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，不僅降低混凝土的耐久性，也使得UHPC的抗拉特性在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無(wú)法得到充分發(fā)揮，造成性能的浪費(fèi)。

目前，用于降低混凝土收縮的方法主要有：摻入膨脹劑、采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)及摻入減縮劑[4]。其中膨脹劑膨脹效用的發(fā)揮對(duì)施工及養(yǎng)護(hù)環(huán)境要求較高，且膨脹反應(yīng)需水量較大。而減縮劑是通過降低混凝土孔溶液的表面張力，從而降低毛細(xì)孔應(yīng)力，減緩收縮變形[5]，但減縮劑會(huì)延緩水泥的水化，進(jìn)而影響UHPC的強(qiáng)度，其昂貴的價(jià)格也限制了其大規(guī)模使用[6]。內(nèi)養(yǎng)護(hù)則是利用預(yù)吸水多孔材料在混凝土硬化過程中緩慢釋放水分，以減小或推遲自干燥收縮的產(chǎn)生[7]，但過多的摻入輕骨料也會(huì)降低混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能。由于單獨(dú)使用減縮劑和內(nèi)養(yǎng)護(hù)都有明顯不足，因此有研究者提出復(fù)合使用減縮劑和輕骨料以降低水泥基材料的自收縮，都取得了顯著的效果[8-9]。珊瑚砂是一種表面疏松多孔、具有高吸水性的天然輕集料，利用其作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)輕骨料與減縮劑復(fù)合使用以抑制UHPC收縮的研究還較少。本試驗(yàn)選用珊瑚砂作為多孔載體，研究了飽水珊瑚砂、減縮劑及珊瑚砂負(fù)載不同濃度減縮劑對(duì)UHPC力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并對(duì)作用機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：華新P.II 52.5硅酸鹽水泥；硅灰：?？瞎杌?，SiO2含量94.6%，比表面積17 900 m2/kg；漂珠：山東日照生產(chǎn)的超細(xì)漂珠，需水量85%，燒失量0.65%；石英砂：粒徑范圍0.45～0.90 mm，表觀密度2 650 kg/m3，SiO2含量大于95%；石英粉：平均粒徑40μm，SiO2含量大于95%；珊瑚砂：來(lái)自于某島礁，表觀密度2 340 kg/m3，24 h飽和吸水率10.8%，粒徑范圍0.45～0.90 mm，壓碎值23.6%。減縮劑：德國(guó)SITREN P260減縮劑，白色粉末，可溶于水。減水劑：中交二航武漢港灣新材料有限公司生產(chǎn)，固含量35%，減水率32%；消泡劑：烷氧基脂肪醇型消泡劑，中交二航武漢港灣新材料有限公司生產(chǎn)，淡黃色粉體；拌合水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)前期研究成果，試驗(yàn)選取水膠比0.18的UHPC作為基準(zhǔn)配合比，水泥∶硅灰∶漂珠∶石英砂∶石英粉=0.65∶0.25∶0.1∶0.815∶0.185，減水劑摻量固定為膠凝材料的2.5%，消泡劑摻量固定為膠凝材料的0.1%，不摻入鋼纖維。根據(jù)Bentz等[10]提出的內(nèi)養(yǎng)護(hù)輕骨料最低用量計(jì)算方法，可計(jì)算得本試驗(yàn)中珊瑚砂的最低理論用量為364 kg/m3，相當(dāng)于等體積取代率為45%，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)珊瑚砂的等體積取代率為35%、45%及55%。減縮劑的摻量選取為膠材的0.5%、1.0%，試驗(yàn)前將減縮劑充分溶解于拌合水中。對(duì)于珊瑚砂負(fù)載減縮劑的試驗(yàn)，則先將減縮劑充分溶解于預(yù)濕水中（珊瑚砂質(zhì)量10.8%的水），再用其對(duì)珊瑚砂進(jìn)行預(yù)濕，靜置24 h后使用。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)配合比如表1所示。

表1 UHPC配合比Table 1 Mix proportion of UHPC

1.3 測(cè)試方法

成型40 mm×40 mm×160 mm試件，靜置1 d后拆模，于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至指定齡期，測(cè)試砂漿的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)貫入阻力法測(cè)試砂漿的凝結(jié)時(shí)間，根據(jù)跳桌法測(cè)試砂漿的流動(dòng)度。采用非接觸式波紋管自收縮測(cè)定儀對(duì)UHPC砂漿的自收縮進(jìn)行測(cè)試，以初凝時(shí)間作為自收縮測(cè)試的起點(diǎn)，測(cè)試環(huán)境為（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%。采用接觸式收縮變形測(cè)量裝置對(duì)UHPC砂漿的干燥收縮進(jìn)行測(cè)試，干縮試件成型后靜置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室1 d后拆模，拆模后安裝好干縮架，與自收縮測(cè)試儀置于同一實(shí)驗(yàn)室中，此后每天采集1次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果討論

2.1 珊瑚砂負(fù)載減縮劑對(duì)UHPC工作性能的影響

圖1 為UHPC的流動(dòng)度及初凝時(shí)間測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，隨著飽水珊瑚砂等體積取代量的增大，UHPC砂漿的初凝時(shí)間先縮短后增長(zhǎng)，這是由于珊瑚砂中含有的微量無(wú)機(jī)鹽可起到促凝作用[11-12]，飽水珊瑚砂的“水泵”效應(yīng)也促進(jìn)了膠材的早期水化，當(dāng)珊瑚砂體積取代率大于一定比例后，珊瑚砂引入的過量水增大了實(shí)際水膠比，導(dǎo)致UHPC的初凝時(shí)間延長(zhǎng)。減縮劑的摻入會(huì)使得初凝時(shí)間大幅延長(zhǎng)，這主要是因?yàn)闇p縮劑會(huì)降低離子在孔溶液中的溶解度，增加漿體中孔溶液的黏度，從而降低離子擴(kuò)散速率，減緩了水化進(jìn)程。當(dāng)珊瑚砂負(fù)載減縮劑引入U(xiǎn)HPC砂漿體系時(shí)，相對(duì)于基準(zhǔn)組和飽水珊瑚砂試驗(yàn)組，UHPC的初凝時(shí)間都延長(zhǎng)了，但珊瑚砂負(fù)載濃度15.4%或30.8%減縮劑分別等體積取代45%的石英砂與直接摻入減縮劑相比，初凝時(shí)間有了略微縮短，這也說(shuō)明珊瑚砂負(fù)載減縮劑的摻入方式可以略微減輕減縮劑延緩水化的負(fù)面作用。從圖1可以看出，飽水珊瑚砂和減縮劑的摻入都增大了UHPC的流動(dòng)度，且隨著飽水珊瑚砂的取代比例和減縮劑摻量的增長(zhǎng)，流動(dòng)度也隨之增大。

圖1 減縮劑和珊瑚砂對(duì)UHPC工作性能的影響Fig.1 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC performance

2.2 珊瑚砂負(fù)載減縮劑對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響

圖2 是UHPC的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。隨著飽水珊瑚砂取代比例的增加，UHPC的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度呈明顯的下降趨勢(shì)，減縮劑的摻入也會(huì)降低UHPC的抗壓強(qiáng)度，對(duì)砂漿的早期強(qiáng)度的影響尤為明顯，對(duì)28 d強(qiáng)度的降低幅度則較小。這是因?yàn)闇p縮劑的摻入阻礙了漿體孔溶液堿度的提高，延緩了早期水化反應(yīng)的進(jìn)行，使得早期強(qiáng)度有明顯的下降。由于珊瑚砂與減縮劑的共同作用，珊瑚砂負(fù)載減縮劑對(duì)UHPC砂漿強(qiáng)度的負(fù)面影響較單獨(dú)作用更為顯著，珊瑚砂負(fù)載濃度30.8%減縮劑等體積取代45%的石英砂時(shí)，UHPC基體28 d的抗壓強(qiáng)度為112.6 MPa，較基準(zhǔn)組減小了14.9%。

圖2 減縮劑和珊瑚砂對(duì)UHPC強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC strength

2.3 珊瑚砂負(fù)載減縮劑對(duì)UHPC體積穩(wěn)定性的影響

圖3 是UHPC的自收縮測(cè)試結(jié)果。由圖3可知，飽水珊瑚砂取代石英砂對(duì)UHPC砂漿自收縮的改善非常明顯，減縮劑溶液對(duì)UHPC自收縮的抑制作用較飽水珊瑚砂更為顯著，而且摻入減縮劑后，UHPC的自收縮大部分集中在前12 h內(nèi)，這是因?yàn)殡S著減縮劑在漿體內(nèi)的緩慢釋放，12 h后減縮作用開始發(fā)揮并補(bǔ)償膠材水化產(chǎn)生的自收縮，收縮曲線進(jìn)入緩慢上升平臺(tái)期。珊瑚砂負(fù)載減縮劑的摻入對(duì)UHPC的自收縮抑制效果更佳，因?yàn)榫哂袃?nèi)養(yǎng)護(hù)和減縮劑的雙重作用，使UHPC的自收縮呈階梯狀增加，收縮發(fā)展速度放緩，這對(duì)于改善UHPC的體積穩(wěn)定性更為有利。

圖3 減縮劑和珊瑚砂對(duì)UHPC自收縮的影響Fig.3 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC autogenous shrinkage

圖4 是UHPC的干燥收縮測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，飽水珊瑚砂和減縮劑的摻入都增大了UHPC砂漿的干燥收縮[13]。當(dāng)珊瑚砂負(fù)載減縮劑摻入后，UHPC的28 d干縮值相較于飽水珊瑚砂和減縮劑試驗(yàn)組的28 d干縮值顯著下降，其中珊瑚砂負(fù)載濃度15.4%或30.8%的減縮劑分別取代45%的石英砂的UHPC 28 d干縮值較基準(zhǔn)組降低了7.8%、54.1%，且干縮在6 d后即進(jìn)入平穩(wěn)階段。這是因?yàn)闇p縮劑經(jīng)珊瑚砂吸收后在漿體中釋放緩慢，且溶液濃度越高釋放越為緩慢，釋放的減縮劑開始發(fā)揮減縮作用時(shí)，減水劑已全部參與反應(yīng)，表現(xiàn)為干縮值下降。珊瑚砂負(fù)載濃度12.6%或25.2%減縮劑分別取代55%石英砂的UHPC的28 d干縮值較基準(zhǔn)組分別增加了27.4%和14.6%，這是因?yàn)樯汉魃耙氲淖杂伤窟^多，其增大干縮的作用超過了減縮劑溶液緩慢釋放產(chǎn)生的減小干縮的作用。

圖4 減縮劑和珊瑚砂對(duì)UHPC干燥收縮的影響Fig.4 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC drying shrinkage

3 結(jié)語(yǔ)

1）隨飽水珊瑚砂取代率增加，UHPC砂漿的初凝時(shí)間表現(xiàn)出先降低后增加的規(guī)律，減縮劑則始終增大UHPC砂漿的初凝時(shí)間，珊瑚砂負(fù)載減縮劑可以略微減弱減縮劑的負(fù)面作用。

2）飽水珊瑚砂和減縮劑都會(huì)降低UHPC砂漿的抗壓強(qiáng)度，但飽水珊瑚砂對(duì)UHPC強(qiáng)度的影響程度更大。相比于單一飽水珊瑚砂和減縮劑，珊瑚砂負(fù)載減縮劑對(duì)UHPC砂漿強(qiáng)度的負(fù)面影響較單獨(dú)作用顯著。

3）減縮劑和飽水珊瑚砂的摻入都能顯著降低UHPC砂漿的自收縮，珊瑚砂負(fù)載減縮劑的摻入對(duì)UHPC的自收縮抑制效果更佳。單一飽水珊瑚砂和減縮劑的摻入都增大了UHPC的干燥收縮，而當(dāng)珊瑚砂負(fù)載減縮劑摻入后，UHPC干縮值的變化和珊瑚砂取代率有關(guān)。

4）珊瑚砂負(fù)載減縮劑取代石英砂的最佳方式為：以負(fù)載濃度30.8%減縮劑的珊瑚砂等體積取代45%的石英砂，UHPC基體的28 d抗壓強(qiáng)度減小了14.9%，7 d自收縮減小了82.9%，28 d干燥收縮減小了54.1%。