免蒸養(yǎng)超高性能混凝土力學性能的試驗*

吳 琛 陳柯丹 林上順 丁 峰 李道松

(1.福建工程學院福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室, 福州 350118； 2.福建工大巖土工程研究所有限公司, 福州 350118； 3.福建省交通工程造價站, 福州 350001)

超高性能混凝土(UHPC)是一種新型水泥基復合材料，最早由Larrard等提出[1]。近年來，UHPC已經(jīng)在新橋建造、舊橋加固中得到廣泛的應用，并已成為國內外橋梁工程領域的研究熱點[2]。為使UHPC具備良好的力學性能，目前大多采用高溫和蒸壓等養(yǎng)護措施，對制備條件有較高的要求，限制了其在工程中的應用范圍。

國內外學者對免蒸養(yǎng)UHPC進行了一系列研究。Wille等在不采用熱養(yǎng)護特殊工藝的條件下，采用低熱水泥和超細硅灰，制備出流動性良好、性能優(yōu)異的UHPC[3]；文獻[4-6]在(20±2) ℃的標準養(yǎng)護條件下，通過添加鐵礦石殘渣取代部分天然骨料進行UHPC制備，或在膠凝材料中摻入超細輔助性膠凝材料來提高UHPC抗壓強度；周紅梅等通過在攪拌過程中加入泡沫劑、可分散乳膠劑等外加劑來改善UHPC的密實度、黏結性，并提高其強度[7]。上述研究主要通過調整材料成分實現(xiàn)免蒸養(yǎng)UHPC良好的力學性能，本文則基于常規(guī)材料，研究免蒸養(yǎng)UHPC制備方法及其力學性能，使其具備低成本、易取材、普適性強的特征。

已有研究表明：優(yōu)化孔結構、摻入纖維是提高UHPC強度的基本原理和主要方法[8]。添加高效減水劑能夠實現(xiàn)低水膠比，改善混凝土內部結構，降低孔隙率，從而提高混凝土強度。鋼纖維在UHPC中能夠起到橋接和銷栓裂縫的作用，阻礙破壞過程中裂縫的發(fā)展，提高UHPC強度和韌性。因此，減水劑類型和鋼纖維摻量是影響UHPC力學性能的重要因素。本研究通過優(yōu)化常規(guī)材料組分制備免蒸養(yǎng)UHPC,經(jīng)力學試驗，分析減水劑類型對抗壓強度的影響、鋼纖維體積摻量對破壞形態(tài)的影響,對比標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護兩種免蒸養(yǎng)條件下UHPC力學性能的差異，為其在工程中的推廣應用打下基礎。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗原材料包括水泥、硅灰、石英砂、鋼纖維、高效減水劑和水，均為UHPC制備中的常規(guī)材料，取材難度低。水泥選用符合國家標準GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[9]的P·O 42.5R水泥，表觀密度為2 600 kg/m3；硅灰的平均粒徑為0.1～0.3 μm，比表面積為24 000 m2/kg；石英砂粒徑為0.5～1.0 mm,無粗骨料；鋼纖維采用長度為13 mm、直徑為0.2 mm的直纖維，抗拉強度大于2 850 MPa；為研究減水劑類型對免蒸養(yǎng)UHPC性能的影響，采用了減水率為18%～28%的萘系減水劑(FDN)和減水率大于25%的聚羧酸減水劑(PCE)。水泥和活性材料的化學成分見表1。

表1 膠凝及骨架材料的化學成分Table 1 Chemical composition of cementitious materials and quartz sand %

1.2 配合比設計

硅灰作為最常見的活性材料之一，在UHPC制備中發(fā)揮著改善混凝土密實度、加速混凝土基體水化速度的重要作用。但是，硅灰摻量過大時，反而使水化反應放熱過多而產(chǎn)生裂縫，降低混凝土強度。相關研究發(fā)現(xiàn)最佳硅灰摻量約為水泥的30%[10-11]。

設計各試驗組配合比中的硅灰與水泥比均為0.3。根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[12]的要求，水膠比不應大于0.22，考慮到萘系減水劑和聚羧酸減水劑的減水率不同，對摻用萘系減水劑的試驗組設計水膠比為0.20，摻用聚羧酸減水劑的試驗組水膠比為0.18，摻量均為2.5%。對不同水膠比的試驗組分別采用鋼纖維體積摻量為0%、1%和2%。以“U養(yǎng)護制度-減水劑-鋼纖維摻量”來表示UHPC試驗組，例如：UB-FDN-0為摻用萘系減水劑、不摻鋼纖維，在標準養(yǎng)護下的UHPC試驗組；UN-PCE-1為摻用聚羧酸減水劑、鋼纖維體積摻量為1%、在自然養(yǎng)護制度下的UHPC試驗組。詳見表2。

表2 UHPC配合比Table 2 Proportions of UHPC mix

1.3 試件制作和試驗方法

澆筑尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體用于UHPC立方體抗壓強度；澆筑尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體用于軸心抗壓強度和彈性模量試驗。澆筑尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體用于抗折強度試驗。

與普通混凝土相比，UHPC通過摻入鋼纖維提高其強度和韌性。在傳統(tǒng)制備工藝中，通常先將其他材料混合至漿體，最后投入鋼纖維進行攪拌，在攪拌過程中容易發(fā)生結團現(xiàn)象，影響材料的均質性，導致UHPC性能降低。本試驗改進拌制順序，先將鋼纖維與各干料分次混合，再加入液體。由于試驗選用直徑較小的直纖維，與部分骨料在前期進行干拌能夠使各組分材料充分混合，避免在砂漿中投料攪拌鋼纖維的結團現(xiàn)象；全部干料攪拌均勻后再混合水和高性能減水劑，能夠充分發(fā)揮材料間的水化作用。

采用60 L雙軸強制式攪拌機制備UHPC。將按照配合比稱量好的石英砂和鋼纖維投入攪拌機干拌2 min，然后投入水泥和硅灰干拌3 min，使全部干料攪拌至混合均勻。再將高效減水劑與水充分混合，將一半質量的混合液加入攪拌機攪拌5 min，最后將剩余的混合液加入直至攪拌為漿體。

將UHPC拌和物一次入模，放在高頻振動臺上振動至試件成型。成型混凝土放置24 h后拆模，將標準養(yǎng)護試件送入標準養(yǎng)護室(溫度(20±2) ℃、相對濕度95%)養(yǎng)護28 d，自然養(yǎng)護試件置于室外(福州10月份室外氣候：平均溫度24 ℃、相對濕度36%)灑水養(yǎng)護28 d。

根據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[13]和GB/T 31387—2015[12]，抗壓強度和彈性模量試驗采用3 000 kN的WANCE微機控制油電混合伺服壓力試驗機，按圖1所示裝置加載。立方體抗壓強度和軸心抗壓強度試驗采用應力控制的加載制度，加載速率為1.2 MPa/s。為測得混凝土彈性模量，沿高度中軸線在棱柱體兩側對稱粘混凝土應變片，加載制度見圖2。抗折強度采用1 000 kN的SANA微機控制電液伺服拉壓試驗機，采用應力控制，加載速率為0.08 MPa/s，試驗加載方式如圖3所示。所有試驗均以3個試件為一組，試驗結果取3個試件結果的平均值。

圖1 抗壓試驗加載裝置Fig.1 The loading device of compression tests

F0為0.5 MPa應力時的初始荷載; Fa為對應1/3軸心抗壓強度應力時的荷載。圖2 彈性模量加載制度Fig.2 Loading procedures of elastic modulus tests

圖3 抗折試驗加載方式 mmFig.3 The loading mode of bending tests

2 試驗結果與分析

2.1 減水劑種類對免蒸養(yǎng)UHPC抗壓強度的影響

采用標準養(yǎng)護制度的6組UHPC試件立方體抗壓強度實測結果如表3所示。相同鋼纖維體積摻量下，采用聚羧酸減水劑制備的UHPC立方體抗壓強度明顯高于使用萘系減水劑的試件。其中，UB-PCE-0、UB-PCE-1和UB-PCE-2的立方體抗壓強度分別比使用萘系減水劑試件提高了54.3%、23.2%和12.2%。因此，聚羧酸減水劑可作為增強免蒸養(yǎng)UHPC抗壓強度的優(yōu)選外加劑。

表3 免蒸養(yǎng)UHPC立方體抗壓強度Table 3 Cubic compressive strength of UHPC in the normal curing state

兩種類型的減水劑分子結構如圖4所示?？梢钥闯觯料禍p水劑屬于線型聚合物分子,并且分子中只有一種極性基團(磺酸基-SO3)；而聚羧酸系減水劑通過選擇帶有羧基(-COOH)、羥基(-OH)、胺基(-NH2)、聚氧烷基(-O-R)n等多種不飽和單體，容易產(chǎn)生接枝共聚反應，形成具有“梳型”支鏈結構的高分子共聚物。混凝土體系中羧酸基含量越多、“梳型”結構的分子側鏈越長，則混凝土中絮凝結構被破壞，顆粒的分散性越好[14-15]。聚羧酸減水劑的基團多樣性和獨特的“梳型”結構能改善混凝土內部結構，降低孔隙率，提高混凝土強度。

減水劑的減水機理主要體現(xiàn)在顆粒間的互斥作用上，萘系減水劑以靜電斥力作用為主，而聚羧酸減水劑除了靜電斥力作用還有空間位阻作用，對顆粒的分散作用更加充分[16-18]。因此，摻入聚羧酸減水劑可以使水泥、硅灰顆粒相互排斥，釋放出更多自由水，增大顆粒表面與水的接觸，提高水化效率，使混凝土強度提高。

a—萘系減水劑; b—聚羧酸減水劑。圖4 兩種類型的減水劑分子結構示意Fig.4 Molecular structure of the two types of water reducers

2.2 鋼纖維摻量對免蒸養(yǎng)UHPC力學性能的影響

基于立方體抗壓強度試驗結果，對摻聚羧酸減水劑的標養(yǎng)試驗組(UB-PCE)進行軸心抗壓試驗和抗折試驗，研究鋼纖維摻量對免蒸養(yǎng)UHPC力學性能的影響。

2.2.1破壞過程及其形態(tài)

軸心抗壓試件的破壞形態(tài)如圖5所示。在加載初期，試件表面均未觀察到明顯裂縫。隨著荷載增加，摻有鋼纖維的試件表面出現(xiàn)細小的裂縫，并伴有細微的纖維拔出聲音。當荷載接近峰值荷載時，未摻鋼纖維的試件突然斷裂成分離的兩部分，并伴隨巨大的爆裂聲，具有典型的脆性破壞特征；而摻有鋼纖維的試件在加載至峰值荷載的80%～90%時，試件側面出現(xiàn)幾條平行于受力方向的裂縫，并伴隨著嘈雜的撕裂聲音迅速發(fā)展，隨后破壞并失去承載能力。從圖5可以看出：當裂縫尺寸較小時，由于鋼纖維的強度遠高于混凝土基體，鋼纖維與混凝土基體之間黏結力可以起到橋接和銷栓裂縫的作用，阻礙裂縫的發(fā)展，從而在一定程度上提高UHPC材料的韌性。不同鋼纖維體積摻量下的試件抗折破壞特征與抗壓試件相似，鋼纖維對提高UHPC延性作用顯著。

a—鋼纖維0%; b—鋼纖維1%; c—鋼纖維2%。圖5 軸心抗壓試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimens in the axial compressive tests

2.2.2抗壓強度和彈性模量

UB-PCE試驗組的抗壓強度和彈性模量試驗實測結果見表4，每組性能數(shù)據(jù)取其3個試件試驗結果的平均值?？梢?，隨著鋼纖維摻量的增加，免蒸養(yǎng)UHPC的抗壓強度均有不同程度的提高?；鶞试嚰?UB-PCE-0)的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度分別是94.1，92.2 MPa，在鋼纖維體積摻量為1%時分別增加了23.0%和6.6%，在鋼纖維體積摻量為2%時分別增加了30.7%和8.9%。適量摻入鋼纖維可以提高免蒸養(yǎng)UHPC的抗壓強度。但是，鋼纖維體積摻量的增大會降低混凝土的坍落度及和易性，由于鋼纖維占用了部分拌和水，鋼纖維與混凝土基體的連接界面上存在一定的微小空隙，隨著鋼纖維體積摻量的增大，材料內部的缺陷增多，整體強度受到影響。文獻[19-20]的研究結果均表明：鋼纖維摻量在2%內時，UHPC抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加明顯提高，而鋼纖維體積摻量大于3.5%時，由于鋼纖維摻量過大，降低了拌和物的和易性，使UHPC成為干硬性材料，強度反而降低。因此，1%～2%體積摻量的鋼纖維是提高UHPC抗壓強度的較優(yōu)范圍。

通過試驗實測，獲得各試驗組在加荷階段的應變值，按照式(1)計算UHPC的彈性模量：

(1)

式中：EC為混凝土彈性模量；Fa為對應1/3軸心抗壓強度應力時的荷載；F0為0.5 MPa應力時的初始荷載；A為試件承壓面積；L為測量標距；Δn為最后一次從F0加荷到Fa時試件兩次變形的平均值。

由表4所示彈性模量的計算結果可知：鋼纖維體積摻量對免蒸養(yǎng)UHPC彈性模量的影響較小，UB-PCE-2的彈性模量比UB-PCE-0僅提高4.7%。

表4 摻聚羧酸減水劑的免蒸養(yǎng)UHPC基本力學性能Table 4 Mechanical properties of UHPC with polycarboxylic supperplasticizers MPa

2.2.3抗折強度

表4中的抗折強度試驗值表明：免蒸養(yǎng)UHPC的抗折強度隨著鋼纖維摻入大幅度提高，與UB-PCE-0相比，UB-PCE-1和UB-PCE-2的抗折強度分別提高了147.5%和206.8%，其折壓比也分別增加了100.0%和133.3%；鋼纖維體積摻量的增加能夠明顯提高免蒸養(yǎng)UHPC的抗折強度，且其對免蒸養(yǎng)UHPC抗折強度的貢獻大于抗壓強度。

2.3 兩種免蒸養(yǎng)制度下UHPC力學性能比較

為進一步分析標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護兩種免蒸養(yǎng)制度對UHPC力學性能的影響，對摻2.5%聚羧酸減水劑、1%鋼纖維體積摻量的試驗組(U-PCE-1)進行試驗。試驗結果如表5所示?？芍簝煞N養(yǎng)護制度下的UHPC抗壓強度和彈性模量增、縮幅值相差不大，自然養(yǎng)護條件下UHPC的抗折強度比標準養(yǎng)護條件下的略有降低，但仍可滿足工程需要。兩組基于常規(guī)材料的免蒸養(yǎng)制度下UHPC立方體抗壓強度均可達到110 MPa以上，抗折強度均可達到10 MPa，遠高于高強混凝土[21-22]。因此，本文提出的兩種免蒸養(yǎng)UHPC的選材和制備方法均符合UHPC的強度要求，可應用于工程實踐。

表5 兩種免蒸養(yǎng)制度下UHPC基本力學性能Table 5 Mechanical properties of UHPC inthe two normal temperature curing MPa

3 結束語

通過力學性能試驗，提出免蒸養(yǎng)條件下UHPC的選材和制備技術，獲得如下結論：

1)在制備工序上，先將鋼纖維與各干料分次混合均勻，最后加入水和減水劑攪拌至漿體，能夠避免先攪拌至砂漿后投料鋼纖維發(fā)生的結團現(xiàn)象，提高材料的均質性；同時，干料充分攪拌均勻后再混合液體，能夠提高材料間的水化效率，改善免蒸養(yǎng)UHPC的力學性能。

2)對采用等量常規(guī)材料和免蒸養(yǎng)養(yǎng)護制度的UHPC試件，相同鋼纖維體積摻量下，摻聚羧酸減水劑的免蒸養(yǎng)UHPC的立方體抗壓強度遠高于摻等量的萘系減水劑免蒸養(yǎng)UHPC的立方體抗壓強度，提高幅度為12.2%～54.3%，平均提高29.9%。與萘系減水劑相比，聚羧酸減水劑能使免蒸養(yǎng)UHPC具有更高的抗壓強度。

3)相同材料組分和免蒸養(yǎng)養(yǎng)護制度下，未摻鋼纖維的UHPC試件在破壞時具有典型的脆性破壞特征，鋼纖維的摻入對免蒸養(yǎng)UHPC的脆性改善效果顯著。鋼纖維體積摻量在2%內時，免蒸養(yǎng)UHPC的抗壓強度隨鋼纖維體積摻量的增大提高明顯，抗折強度有較大幅度的提高，彈性模量的變化不明顯?？紤]經(jīng)濟成本和鋼纖維對免蒸養(yǎng)UHPC的增強增韌效果，建議鋼纖維體積摻量在1%～2%。

4)標準養(yǎng)護與自然養(yǎng)護條件下，兩種情況的UHPC的抗壓強度和彈性模量相接近，但自然養(yǎng)護下UHPC的抗折強度較標準養(yǎng)護下相對降低，兩種免蒸養(yǎng)條件下UHPC力學性能均可滿足工程需要。自然養(yǎng)護下，采用常規(guī)材料、鋼纖維體積摻量為1%的UHPC立方體抗壓強度可達110 MPa以上，抗折強度可達10 MPa。