常溫養(yǎng)護超高性能混凝土受壓性能研究

周美麗 陳冰雁 陳 昊 侯 煒，*

（1.廈門工學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，廈門361021；2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，廈門361021）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，超長、超高、超大跨度、超大體積的現(xiàn)代建筑物正在不斷涌現(xiàn)，這也對混凝土材料的性能提出了更高的要求。超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）以其高強度、高彈模以及良好的變形能力等諸多優(yōu)勢被越來越多的學(xué)者所關(guān)注［1-2］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對UHPC 力學(xué)性能的研究主要集中在強度、韌性以及動態(tài)沖擊性能等幾個方面。強度是超高性能混凝土最重要的指標(biāo)之一，與普通混凝土相比，由于超高性能混凝土所采用的多元復(fù)合技術(shù)，能夠有效增強膠凝材料與集料之間的界面過渡區(qū)，對材料的強度有顯著提升，而原材料、澆筑方式、養(yǎng)護方式等因素的差異都會對強度產(chǎn)生不同程度的影響［3-5］。有研究人員研究了不同養(yǎng)護方式對UHPC 力學(xué)性能的影響，與標(biāo)準養(yǎng)護相比，蒸汽養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護可以顯著提高UHPC 的抗壓強度，這是因為蒸汽養(yǎng)護加速了火山灰反應(yīng)，提高了水化程度，使孔隙率得到了進一步的降低。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，UHPC 材料的制備技術(shù)已日益成熟，但要得到大面積的推廣使用卻依然還有一些問題需要解決。一方面UHPC 的養(yǎng)護條件較為嚴苛，通常需要高溫蒸壓養(yǎng)護［6-7］，因此大部分構(gòu)件只能在工廠中預(yù)制完成；另一方面，摻入纖維后的混凝土成本將大大提高。這些不足都在一定程度上限制了UHPC 在實際工程中的應(yīng)用和推廣；而如何能夠進一步提高材料的適用性和經(jīng)濟性，將是未來UHPC 能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，以工程使用要求為目標(biāo)，從經(jīng)濟性和可行性方面進行考慮，在標(biāo)準養(yǎng)護的條件下控制纖維摻量在經(jīng)濟范圍內(nèi)，同時保證UHPC 的力學(xué)性能在不出現(xiàn)明顯降低的情況下，提升材料的適用性和經(jīng)濟性，具有極大的現(xiàn)實意義。

本文在常溫養(yǎng)護條件下，通過改變水膠比、纖維種類以及纖維摻量，研究不同變量對UHPC 抗壓強度的影響，分析不同形狀和長度的纖維對UHPC 的增強機理和破壞過程的影響，在保證超高性能混凝土能夠振搗成型的情況下，確定纖維的合理摻量。

1 UHPC材料配制

1.1 原材料和配合比

在本試驗中所用到的原材料主要有水泥、硅灰、礦渣、粉煤灰、砂、高效減水劑等（圖1），以及兩種不同類型的鋼纖維。

圖1 基體原材料Fig.1 Raw materials

（1）水泥：本試驗采用華潤水泥（龍巖曹溪）有限公司生產(chǎn)的P.O52.5 普通硅酸鹽水泥。為盡量降低水泥的水化熱并保證足夠的強度和耐久性，配制UHPC 需要選用礦物組分合理、細度適宜的42.5或更高標(biāo)號的硅酸鹽水泥。這是由于高標(biāo)號的水泥一般顆粒粒徑較小，比表面積較大，具有較高的化學(xué)活性，能夠使水化反應(yīng)得到充分發(fā)揮，減少界面過渡區(qū)的缺陷。

（2）硅灰：本試驗采用泉州市威林特實業(yè)有限公司生產(chǎn)的超細活性硅灰。檢測含硅量為96%，細度為325目。硅灰是UHPC 原材料組分中重要的組成部分。硅灰在UHPC 中起到的作用首先是與不同粒徑顆粒形成級配效應(yīng)，填充之間的孔隙，減小內(nèi)部的孔隙率；其次球形硅灰在水泥顆粒間所起的“滾珠”效應(yīng)能一定程度提高新拌混凝土的流動性；同時硅灰具有很強的火山灰效應(yīng)，能夠與水化生成的發(fā)生二次水化反應(yīng)，有利于形成致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（3）礦渣：本試驗采用S95 等級高爐礦渣，其28 天活性指數(shù)大于95%。超活性礦渣粉的特點主要是超細和高活性。粒化礦渣可部分取代替硅灰、超細水泥等膠凝材料，可以顯著改善UHPC 的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能。

（4）粉煤灰：本試驗采用廈門市嵩能粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的一級粉煤灰，細度約為200目。粉煤灰通常與?；郀t礦渣、硅灰或者鋼粉結(jié)合組成二元、三元或者四元體系。粉煤灰的加入可以降低水泥的用量，減少水化放熱，有效抑制由于溫度應(yīng)力所引起混凝土表面的開裂，但粉煤灰對于UHPC 早起強度的形成會起到一定的抑制作用。

（5）砂：本試驗采用晉江西峰天然石英砂公司生產(chǎn)的30～50目天然石英砂。砂的質(zhì)量主要影響混凝土的用水量，級配良好的砂有利于改善新拌混凝土的工作性，提高混凝土的強度、耐久性。

（6）減水劑：本試驗減水劑采用廈門科之杰新材料集團S01D 型號高效減水劑。高效減水劑的摻入可以提高混凝土拌合物的穩(wěn)定性和勻質(zhì)性，大大提高水泥漿體的流動性，同時可以大幅減少混凝土的用水量。

（7）鋼纖維：本試驗采用上海真強纖維有限公司生產(chǎn)的鋼纖維，如圖2 所示。分別為端勾形鋼纖維（Hooked steel fiber，HF）和平直形短鋼纖維（Short steel fiber，SF），各種類纖維的參數(shù)如表1所示。

圖2 鋼纖維類型Fig.2 Types of steel fiber

表1 鋼纖維參數(shù)Table 1 Parameters of steel fiber

1.2 配合比設(shè)計

本試驗UHPC 基礎(chǔ)配合比如表2 所示。首先通過調(diào)整水膠比，初步設(shè)計基體配方，分別選取0.16 和0.18 兩種水膠比，單獨摻入不同體積分數(shù)的纖維，研究不同水膠比對UHPC 受壓強度的影響，設(shè)計變量如表3 所示。考慮到纖維摻量過低時對UHPC 的強度和韌性提升程度有限，因此，在本試驗中纖維的最低摻量為2%，在此基礎(chǔ)上纖維摻量每次增加1%，直至無法滿足流動性要求。在進行單摻試驗后，優(yōu)選最佳的水膠比和纖維摻量，進行混雜纖維UHPC 的配制，從而探索通過最經(jīng)濟有效的方式來獲得較好的力學(xué)性能，纖維摻量設(shè)計見表4?？紤]到不同水膠比和纖維摻量下混凝土的流動性有較大的差異，因此，在配制過程中，分別根據(jù)不同的水膠比和纖維摻量加入不同摻量的減水劑，減水劑摻量（減水劑質(zhì)量占膠凝材料的百分比）調(diào)整范圍從1.5%～2.5%。

表2 基體配合比Table 2 Mix proportion

表3 試驗參數(shù)變量Table 3 Test parameters

表4 纖維摻量Table 4 Mixing ratio of steel fiber

1.3 攪拌工藝

由于摻入了大量的礦物摻和料且水膠比很低，因此，選擇合理的制備技術(shù)對UHPC 的工作性能和力學(xué)性能有著較大的影響。目前比較普遍的攪拌工藝有兩種：一種是先干后濕，即先加入砂和鋼纖維，接著加入水泥、高效減水劑，隨后加入膠凝材料，最后再注入水；另一種是先濕后干，即先加入水泥、高效減水劑，接著加入膠凝材料，隨后緩慢注入水，最后再撒入鋼纖維。但這兩種方法都將減水劑和水分開加入，很難使減水劑在膠凝材料間均勻分布，不利于膠凝材料的分散。因此，本試驗中采用一種新型攪拌工藝，試驗中采用的攪拌機為QJ-20型水泥砂漿攪拌機，攪拌速率分別為低（45 r/min）、中（90 r/min）、高（150 r/min），攪拌流程如下：①將膠凝材料（水泥、粉煤灰、硅灰、礦渣）和砂一同倒入攪拌機中，開動攪拌機，用中速攪拌2 min。②將稱量好的水和減水劑在容器中混合均勻，緩慢加入正在攪拌中的砂膠混合物中，高速攪拌3 min，保證膠凝材料和外加劑充分分散和混合均勻。③將稱量好的纖維緩慢加入攪拌中的砂膠拌合物，纖維全部加入后慢速攪拌2 min使纖維分散均勻。

1.4 澆注和養(yǎng)護方法

將攪拌好均勻的新拌混凝土倒入立方體試模試模內(nèi)并放置在振動臺上震動3 min左右，使?jié){體密實，然后將試樣放置于室內(nèi)，靜置24 h 后拆模，并將其放置于水中養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行力學(xué)性能試驗。立方體試件分別養(yǎng)護7 天、14 天和28 天進行受壓性能試驗。

1.5 測試方法

受壓性能試驗在200 t 萬能壓力機上。在進行立方體受壓試驗時，首先將將試件直立放置在試驗機的下壓板上，試件中心與壓力機下壓板對中，延澆筑的垂直方向施加壓力，采用應(yīng)力控制，以0.9 MPa/s的加載速率連續(xù)加載至試件破壞。

2 受壓強度影響因素分析

2.1 水膠比

在試驗攪拌過程中可以明顯發(fā)現(xiàn)隨著水膠比的增大，UHPC 新拌漿體的流動性也越大。當(dāng)水膠比低至0.14 時，新拌UHPC 漿體流動性太低導(dǎo)致很難澆模成型，所以本次試驗以水膠比0.16 和水膠比0.18 為對比，制配素UHPC 混凝土和端鉤形長鋼纖維摻量分別為2%、3%和4%的試件，并根據(jù)新拌混凝土的流動性能對減水劑的摻量進行了調(diào)整，保證試件成型。14 天的試驗有效數(shù)據(jù)共有12組，如表5所示。

圖3 為單摻鋼纖維時水膠比對抗壓強度的影響圖。可以看出，不論是摻入平直型短鋼纖維（以下簡稱短鋼纖維）還是端勾型長鋼纖維（以下簡稱長鋼纖維）的UHPC，隨著水膠比的降低，其抗壓強度均有了明顯的提升。摻入2%、3%和4%的短鋼纖維的UHPC，在0.16 水膠比下的抗壓強度分別比0.18 水膠比下的抗壓強度提高了25.3%、9.9%、8.6%；對摻入2%、3%和4%的長鋼纖維UHPC，在0.16 水膠比下的抗拉強度分別比0.18水膠比下的抗拉強度分別提高了1.7%、13.3%，3.9%。

表5 不同水膠比下UHPC抗壓強度（14天）試驗結(jié)果Table 5 Test results under different water-binder ratio

2.2 纖維類型

圖4 為不同纖維類型對UHPC 抗壓強度的影響。由圖4 可知，不論是在水膠比0.16 還是水膠比0.18 的情況下，長纖維對UHPC 抗壓強度的增強作用都要比短纖維好。直線型鋼纖維與混凝土基體之間的黏結(jié)作用主要依靠兩者之間的黏結(jié)力和摩擦力，而端鉤型鋼纖維由于外形的改變還大大提高了其機械咬合力。根據(jù)文獻［8］的研究，端鉤型比直線型鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)強度提高了26.5%，纖維拔出能耗提高了107%，同時，纖維拔出后，黏結(jié)應(yīng)力也較直線形平緩許多。這種鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)作用影響了混凝土內(nèi)部的約束，端鉤型鋼纖維的強黏結(jié)作用提高了混凝土受壓時的橫向約束，因此提高了UHPC 的抗壓強度。

圖3 不同水膠比下單摻鋼纖維抗壓強度對比Fig.3 Compressive strength under different water-binder ratio

圖4 不同纖維類型對抗壓強度影響Fig.4 Effects of steel fiber types

2.3 纖維摻量

鋼纖維的摻入有效改善了素混凝土的脆性破壞。圖5 為素混凝土和摻入鋼纖維的UHPC 加載完成后的破壞形態(tài)。

圖5 鋼纖維對UHPC受壓破壞形態(tài)的影響Fig.5 Effect of steel fiber on failure pattern

在素混凝土的加載過程中，當(dāng)達到試件的極限壓力值時，試件立刻破壞，破壞的同時會發(fā)出爆裂聲。加入鋼纖維的UHPC，當(dāng)達到試件的極限壓力值時，試件出現(xiàn)裂縫，依然可以進行加載。這樣的試驗現(xiàn)象表明，鋼纖維的摻入有效地抑制了裂縫的產(chǎn)生，很大程度上提高了混凝土的耐久性，在安全要求高的建筑結(jié)構(gòu)中可采用UHPC 材料來加強建筑的安全性。

在摻入了鋼纖維后，混凝土的抗壓強度也有了很大的提升。對比素混凝土和摻入2%鋼纖維的UHPC，0.16水膠比下長纖維和短纖維UHPC 14天抗壓強度分別增加8.2%和20%；0.18 水膠比下長纖維和短纖維UHPC 14 天抗壓強度分別增加21.9% 和10%。但從表5 中可以看出，試樣W16HF2 數(shù)據(jù)明顯偏低，8.2%的增長率可能由于試樣受壓強度異常造成了偏低的異常數(shù)據(jù)，從整體趨勢判斷，2%纖維摻入量下，長纖維的UHPC強度增長高于短纖維的強度增長。圖6 所示為不同纖維摻量對抗壓強度的影響，從圖6（a）（c）（d）中可以明顯看出，纖維摻量每增加1%，UHPC 的抗壓強度都有一定程度的增加。從折線圖的斜率可以看出，纖維摻量2%～3%的直線斜率要略大于纖維摻量3%～4%的直線斜率，說明當(dāng)纖維摻量達到3%時，纖維的增強效果更好。從圖6（b）可以看出，當(dāng)水膠比為0.16 時，長纖維摻量達到3%時，其抗壓強度最大。當(dāng)長纖維摻量為4%時，其抗壓強度與摻量為3%的相差不大。這可能是因為纖維摻量過高使得鋼纖維在UHPC 漿體內(nèi)的分布不均，形成了鋼纖維和基體低黏結(jié)強度界面，從而導(dǎo)致UHPC抗壓強度的略微降低。

圖7 所示為齡期7 天時UHPC 受壓強度全曲線。從圖7 可知，當(dāng)未達到極限荷載時，不同纖維摻量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合，而達到極限荷載后，隨著纖維摻量的增加，曲線下降速度變慢。這表明，纖維的加入有效抑制了裂縫的開展，顯著地改善了UHPC 的耐久性。綜合經(jīng)濟效益考慮，在實際的應(yīng)用中可選擇纖維摻量為3%的UHPC。

圖6 不同纖維摻量對抗壓強度的影響Fig.6 Effect of steel fiber volume on compressive strength

圖7 7天齡期下UHPC受壓全曲線Fig.7 Compression curves of UHPC at 7 d

在纖維總摻量為3%的條件下，本次試驗還進行了3組混摻長短纖維的試驗研究，其7天試驗結(jié)果如表6 所示。從表中可以看出，在總纖維摻量為3%時，3 組UHPC 的強度相差并不大?；炷晾w維UHPC強度介于長纖維和短纖維之間。

表6 混摻纖維下UHPC抗壓強度試驗結(jié)果Table 6 Hybrid fibers UHPC test results

2.4 齡期

圖8 為不同齡期對UHPC 抗壓強度的影響。從圖8 中可以看出，隨著齡期的增長（7～28 天），UHPC 的抗壓強度也隨之增長。在前期，由于水泥水化反應(yīng)的生產(chǎn)物使混凝土內(nèi)部的大部分孔隙被迅速填充，改善了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，使得受壓強度快速增加。另外，由于UHPC 孔隙較普通混凝土少很多，且水膠比極低，這樣硅灰和礦渣形成的火山灰效應(yīng)發(fā)展相對緩慢，從而后期強度增長相對緩慢。

圖8 齡期影響Fig.8 Effect of curing age

3 流動性探討

利用塌落度試驗來測定UHPC 的流動性。塌落度越大即表示測試漿體的流動性能越好。本次試驗的塌落度值為242 mm。當(dāng)混凝土的拌和物大于220 mm時，需要用鋼尺測量混凝土擴展后最大直徑和最小直徑，在這兩個直徑之差小于5 mm的情況下，取其算數(shù)平均值為作為塌落度擴展值。本次試驗的塌落度擴展值為431 mm。

由塌落度和塌落擴展值可知，UHPC 的流動性能良好，在試驗全過程中，關(guān)于流動性有以下幾點發(fā)現(xiàn)與總結(jié)：

（1）隨著水膠比的增大，新拌UHPC 漿體的流動性明顯增大，當(dāng)水膠比低至0.16時，在不添加減水劑的情況下，新拌漿體成型困難。

（2）隨著鋼纖維的摻量的增加，新拌UHPC漿體的流動性明顯降低，在水膠比、減水劑摻量等其他條件一定的情況下，當(dāng)鋼纖維摻量達到4%時，攪拌過程即出現(xiàn)了明顯的結(jié)塊現(xiàn)象。

（3）UHPC 的流動性與UHPC 的抗壓強度有一定的關(guān)系。在保證新拌漿體能夠澆模的情況下，流動性越低，抗壓強度越高。

4 結(jié) 論

本章通過試驗對比分析不同水膠比、纖維摻量和纖維種類的UHPC受壓強度，得到以下結(jié)論。

（1）在0.18 和0.16 水膠比下，常溫環(huán)境養(yǎng)護下的14 天UHPC 最高強度分別為127.1 MPa 和137.1 MPa，但相比蒸養(yǎng)或高溫養(yǎng)護，需要更多的纖維用量。但纖維用量的增加也同時增加了施工難度及成品質(zhì)量。

（2）常溫養(yǎng)護下的UHPC 受壓強度影響因素及趨勢與其他高溫養(yǎng)護下的基本相同，但相應(yīng)的定量影響并不相同。考慮到施工及經(jīng)濟效益，其最優(yōu)強度設(shè)計的纖維摻量、減水劑使用量等均相應(yīng)提高。

（3）雖然坍落度試驗測試的流動性數(shù)值顯示UHPC 具有良好的施工性能，但是在纖維用量4%時，也帶來了纖維沉降、攪拌結(jié)塊的現(xiàn)象，增加減水劑用量也存在一定的泌水情況，后續(xù)研究中還需增加其他外加劑如保坍劑、膨脹劑等的影響分析。