含粗骨料補償收縮UHPC的制備與性能研究

王懷才，李北星，楊建波，王麗靜，余圣愛，王劍

（1.湖北長江路橋股份有限公司，湖北 武漢 430077；2.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一種具有超高強度、超高韌性和超高耐久性的新型纖維增強水泥基復合材料[1]。然而，由于UHPC普遍具有超高水泥用量、超低水膠比、高鋼纖維摻量、無粗骨料等特點，導致其一方面材料成本高，拌合工藝復雜且拌合物黏度大、泵送困難等[2]，另一方面，常溫養(yǎng)護下UHPC塑性收縮、自收縮和干燥收縮大[3]，較大的收縮變形帶來了較高的開裂風險，因此UHPC常需要采取蒸養(yǎng)方式制備，能耗高，嚴重制約了UHPC的全面推廣應用[4-5]。為降低UHPC的成本，減小其收縮變形，國內(nèi)外進行了多方面的探討，包括摻加碎石、膨脹劑、飽水輕集料、高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護劑等改性措施，其中以摻碎石和膨脹劑改性為主。Wille K等[6]通過摻入碎石使UHPC獲得了良好的成本效益。李信等[7]的研究表明，摻入碎石后的UHPC流動性有所降低，抗壓和抗彎拉強度低于河砂UHPC，彈性模量高于河砂UHPC。Cwirzen A等[8]的研究表明，摻入碎石后顯著改善了UHPC的收縮率。黃政宇等[9]研究了HCSA膨脹劑對UHPC性能的影響，結(jié)果表明，摻入此類膨脹劑使UHPC的流動度降低，抗壓和抗折強度略微提高，干縮明顯被抑制。付澤東等[10]研究了摻CSA膨脹劑的UHPC性能，結(jié)果顯示，CSA膨脹劑對UHPC工作性能、抗壓及抗折強度的負面影響小，有助于改善UHPC的干縮。劉永強[11]的研究表明，摻10%HCSA膨脹劑的UHPC其干燥收縮相當于未摻膨脹劑UHPC的26.8%。明陽等[12]為抑制UHPC的收縮，摻15%鋼渣粉和5%鈣礬石型復合膨脹劑將HHPC的180 d干縮率降至280×10-6。

湖北省江北高速公路東延線高速公路項目（簡稱江北東高速公路）洪湖1#特大橋設計為工業(yè)化裝配式結(jié)構，采用工字鋼-混凝土組合梁，先簡支后橋面連續(xù)設計。組合梁橋面板分預制和現(xiàn)澆兩部分，預制橋面板設計為C55混凝土，墩頂負彎矩區(qū)濕接縫（橋面連續(xù)后澆段）設計采用120 MPa級UHPC。針對UHPC收縮變形大的問題，以江北東高速公路工地現(xiàn)場的原材料為主，旨在河砂UHPC基礎上摻碎石和膨脹劑進行改性，配制大流動性（擴展度≥550 mm）、高強度（自然養(yǎng)護條件下抗壓強度達到120 MPa以上）、低收縮（90 d干縮變形≤300×10-6）特性的含粗骨料UHPC用于橋面連續(xù)后澆段施工。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O52.5水泥，比表面積342 m2/kg，3、28 d抗壓強度分別為34.1、57.8 MPa；礦粉：S95級，比表面積418 m2/kg，流動度比98%，7、28 d膠砂活性指數(shù)分別為78%、99%；硅灰：比表面積22.4 m2/g，平均粒徑0.2μm。水泥、礦粉和硅灰的主要化學成分見表1。

表1 水泥、礦粉和硅灰的主要化學成分 %

膨脹劑：SY-8高性能鈣礬石型膨脹劑，比表面積為248 m2/kg，水中7 d限制膨脹率為0.026%，轉(zhuǎn)空氣中21 d限制膨脹率為-0.004%。

河砂：Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.5，松堆空隙率41.1%，含泥量0.8%，泥塊含量0.1%。

碎石：石灰?guī)r碎石，粒徑5~10 mm，松堆空隙率40.3%，含泥量0.2%，泥塊含量為0，壓碎值14.4%。

鍍銅鋼纖維：采用2種不同的鍍銅鋼纖維混雜，抗拉強度均為2850 MPa。一種是長度13 mm、直徑0.20 mm的平直型中長鋼纖維，長徑比65；另一種是長度20 mm、直徑0.30 mm的端鉤形長鋼纖維，長徑比67。

外加劑：聚羧酸高性能減水劑母液，固含量40.0%，減水率大于35%。

1.2 UHPC的配合比

表2是在前期膠凝材料體系、粗骨料摻量、鋼纖維尺度優(yōu)化的基礎上，設計的4組UHPC配合比。其中，RS-1、CS-1分別為河砂UHPC、含碎石的UHPC，CS-1中碎石對河砂的替代率為35%；RS-2、CS-2為摻入膨脹劑的河砂UHPC、含碎石UHPC，膨脹劑等質(zhì)量取代礦粉，摻量為5%。4組UHPC的水膠比均為0.16（含外加劑帶入的水），鋼纖維體積摻量為2.0%（其中平直中長鋼纖維為1.5%，端鉤長鋼纖維為0.5%）。

表2 UHPC的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

UHPC拌制與工作性試驗：先將按配比稱量好的膠凝材料各組分與集料投入攪拌機內(nèi)干拌1 min，然后將減水劑與水混合均勻后一同加入攪拌機拌合4 min至流態(tài)，再在攪拌狀態(tài)將鋼纖維人工撒入攪拌機內(nèi)，繼續(xù)攪拌3 min，使鋼纖維分散均勻。UHPC拌合物的擴展度依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

力學性能試驗：抗壓強度采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，彈性模量采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件，抗彎拉強度和彎曲韌性采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件?；炷猎嚰尚秃笤谄浔砻娓采w塑料薄膜靜養(yǎng)48 h拆模，拆模后將試件放入溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室中繼續(xù)養(yǎng)護至7、28 d進行力學性能測試。UHPC的抗壓強度與彈性模量依據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進行測試；UHPC的彎曲韌性依據(jù)CECS 13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》進行測試，測試試驗儀器為MTS Landmark370.50電液伺服疲勞試驗機，控制等撓度加載速率為0.1 mm/min。彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20分別為3δ、5.5δ、10.5δ撓度下對應的荷載-撓度曲線面積與初裂撓度δ時曲線下的面積之比，計算公式詳見CECS 13：2009。

在發(fā)動機空燃比閉環(huán)控制中，空燃比傳感器將實際的尾氣空燃比發(fā)送給發(fā)動機電腦，電腦將這一數(shù)值與理論空燃比進行比較，然后對噴油器的噴油量(噴射時間)加以改變，這一變化量與計算的燃油噴射量的比值就是燃油修正值，以%數(shù)為單位。如果檢測尾氣為濃，電腦就要減少噴油量(縮短噴油時間)，修正值為負數(shù)；如果尾氣為稀，電腦就要增加噴油量(延長噴油時間)，修正值為正數(shù)。對于一列汽缸或是一組空燃比傳感器來說，燃油的修正值有兩個，分別是空燃比反饋值(也叫短期燃油修正SFT)和空燃比學習值(也叫長期燃油修正LFT)。這兩部分修正值相加得出的就是總體修正值。

干燥收縮試驗：依據(jù)GBT 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。采用帶測頭的100 mm×100 mm×515 mm試件，標準養(yǎng)護3 d時測試其初始長度，然后移入溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的干燥收縮室中養(yǎng)護，至規(guī)定齡期測試其變形。

抗氯離子滲透試驗：依據(jù)GB/T 50082—2009，使用快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM法）和電通量法2種方法進行。由于鋼纖維導電影響測試結(jié)果，2種方法中的UHPC試樣中均未摻加鋼纖維，UHPC試件尺寸為Φ100 mm×200 mm，標準養(yǎng)護至21 d后將其切割成Φ100 mm×50 mm待測樣品，繼續(xù)標準養(yǎng)護至28 d進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 碎石與膨脹劑對UHPC工作性能與力學性能的影響（見表3）

表3 碎石與膨脹劑對UHPC基本物理力學性能的影響

2.1.1 對工作性能的影響

由表3可見，與RS-1相比，含碎石的CS-1和摻膨脹劑的RS-2的擴展度均略有減小，雙摻碎石和膨脹劑的CS-2的擴展度最小，表明碎石代替河砂、膨脹劑取代礦粉均降低了UHPC的流動性。碎石等質(zhì)量取代部分河砂后，雖然骨料總比表面積減小，有助于漿體的裹覆，但碎石與鋼纖維之間相互牽扯，且碎石之間的摩阻力大，導致其擴展度小于同等骨膠比的河砂UHPC。膨脹劑的摻入降低UHPC流動性與膨脹劑的需水量比、早期反應活性大于礦粉有關。但總體來說，摻35%碎石和5%膨脹劑的UHPC依然維持著較好的流動性，擴展度可達560 mm。

2.1.2 對抗壓強度的影響

由表3可見，相較于RS-1，摻35%碎石的CS-1配比的7、28 d抗壓強度分別降低了2.5%、6.8%；摻5%膨脹劑的RS-2配比的7、28 d抗壓強度分別提高了4.2%、6.2%；雙摻碎石和膨脹劑的CS-2配比的7、28 d抗壓強度分別降低了1.7%、4.1%，介于CS-1和RS-1之間。碎石的摻入降低UHPC強度，可能與碎石的引入破壞了河砂UHPC的最緊密堆積體系有關。膨脹劑提高UHPC的抗壓強度與早期形成膨脹性水化產(chǎn)物AFt有關，試驗中UHPC試件實際受到四側(cè)模板限制處于受約束狀態(tài)而不能產(chǎn)生變形，AFt結(jié)晶膨脹產(chǎn)生的膨脹能則會使混凝土結(jié)構更加緊密而提高強度[13]，當然如果沒有限制則會在宏觀體積上產(chǎn)生膨脹變形。另外，由于本研究UHPC采用的是標準養(yǎng)護而不是常規(guī)的熱水或蒸汽養(yǎng)護，膠凝材料隨齡期的延長逐步水化，4組配比UHPC的28 d抗壓強度較7 d抗壓強度均有較大提高，增幅在17.2%~25.0%，且摻膨脹劑組的抗壓強度較不摻的高。

2.1.3 對抗彎拉強度的影響

由表3可見，4組配比中，28 d抗彎拉強度最高的是RS-1，其次分別為RS-2、CS-1、CS-2，摻入碎石、膨脹劑均降低了UHPC的28 d抗彎拉強度。相比RS-1的28 d抗彎拉強度，含碎石的CS-1降低了6.1%，摻膨脹劑的RS-2降低了3.0%，雙摻碎石和膨脹劑的CS-2降低了10.3%，這表明碎石和膨脹劑復摻對混凝土抗彎拉強度的不利影響具有疊加效應，相比而言，膨脹劑對抗彎拉強度的影響要小于碎石。由于碎石粒徑大，替代河砂后會對鋼纖的均勻分布產(chǎn)生不良影響，降低鋼纖維的增強增韌效率，且碎石對長度13 mm的鋼纖維的橋接具有一定的阻隔作用，導致?lián)饺氩糠炙槭腢HPC的抗彎拉強度降低。

2.1.4 對靜力受壓彈性模量的影響

混凝土彈性模量主要受其抗壓強度與骨料的彈性模量、粒徑及含量的影響較大。由表3可知，4組配比中28 d彈性模量大小次序是CS-2＞CS-1＞RS-2＞RS-1，與抗壓強度的順序RS-2＞RS-1＞CS-2＞CS-1并不相同，也就是說含碎石的CS-2、CS-1兩組配比的彈性模量較高，這主要歸因于碎石自身較高的硬度和彈性模量，且在UHPC受壓過程中能阻止微裂縫的擴散。另外，膨脹劑的摻入由于提高了混凝土抗壓強度，也對彈性模量有一定的改善作用。

2.2 碎石與膨脹劑對UHPC彎曲韌性的影響（見圖1、表4）

表4 碎石與膨脹劑對UHPC彎曲韌性的影響

圖1 UHPC的荷載-撓度曲線

由圖1可見，4組UHPC的抗彎初裂、抗彎極限強度從大到小依次是RS-1、RS-2、CS-1、CS-2。觀察荷載峰值時的撓度可知，RS-1最大，CS-2最小，但4組配比差異并不大，主要是4組UHPC中鋼纖維摻量相同，骨膠比一致，僅僅是骨料粒徑和膠凝體系存在較小的差異。

彎曲韌性指數(shù)反映了材料彈塑性變形的能力，如混凝土韌性接近理想彈塑性材料，則I5、I10和I20應分別不小于5、10和20[14]。由表4可見，RS-1的彎曲韌性指數(shù)最高，I5與I10均表明其彈塑性變形能力接近理想值，而I20與理想值相差較遠，這是因為隨著撓度的增大，混凝土中的鋼纖維被依次拔出，僅存的鋼纖維不足以維持其彈塑性變形。摻入部分碎石或膨脹劑后，UHPC的彎曲韌性指數(shù)有所降低，但基本在試驗誤差范圍之內(nèi)，即使雙摻35%碎石和5%膨脹劑的CS-2，其I5、I10、I20彎曲韌性指數(shù)也能達到RS-1的92.7%、94.5%和92.1%，差別不大，仍具有較好的韌性。

2.3 碎石與膨脹劑對UHPC干燥收縮的影響

由于鋼纖維的摻入一般會使UHPC的收縮值減小10%~20%[15]，為去除鋼纖維的干擾，且考慮到本研究目的是對比碎石與膨脹劑對干縮的影響，所以干縮試驗中UHPC試樣均不摻鋼纖維，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 碎石與膨脹劑對UHPC干燥收縮的影響

由圖2可知，4組UHPC的干縮在前28 d發(fā)展很快，隨后變緩。RS-1的收縮率最大，隨后是CS-1、RS-2，CS-2的收縮最小。采用35%碎石取代河砂后，由于碎石的彈性模量高，其剛性骨架的限制收縮作用好于河砂，使CS-1的120 d收縮率較RS-1減小了26.4%。由于膨脹劑的補償收縮作用，摻5%膨脹劑的RS-2其120 d收縮較RS-1減小了34.3%。雙摻碎石和膨脹劑的CS-2其28、90、120 d收縮率分別為273×10-6、298×10-6、310×10-6，較RS-1相應齡期降低了42.5%、41.8%、40.3%，表明了碎石的限制收縮與膨脹劑的補償收縮的協(xié)同作用很好地改善了UHPC的收縮應變。

2.4 碎石與膨脹劑對UHPC抗氯離子滲透性的影響（見表5）

表5 碎石與膨脹劑對UHPC抗氯離子滲透性的影響

由表5可見，UHPC的氯離子擴散系數(shù)均極小，為便于區(qū)分，現(xiàn)將單位量級調(diào)整為10-14m2/s。4組UHPC中，RS-2的抗氯離子滲透性最佳，其氯離子擴散系數(shù)僅為1.5×10-14m2/s，電通量為19 C。相比而言，CS-1較RS-1、CS-2較RS-2的抗氯離子滲透變差，這主要緣于小碎石部分代替河砂后會弱化骨料界面過渡區(qū)和粗化孔結(jié)構，從而導致UHPC的氯離子滲透系數(shù)與電通量增大。但所有試樣的電通量均符合GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》規(guī)定的Q≤100 C的技術要求。對比RS-1與RS-2、CS-1與CS-2發(fā)現(xiàn)，摻入膨脹劑的RS-2、CS-2抗氯離子滲透性能進一步提高，這主要是由于膨脹劑水化反應形成的膨脹性水化物AFt起到填充毛細孔隙作用，使得混凝土的微結(jié)構更致密，有利于提高UHPC的抗?jié)B透性能。

3 結(jié)論

（1）以35%小碎石替代河砂后，UHPC的流動性變差，抗壓、抗彎拉強度及彎曲韌性下降，彈性模量提高；以5%膨脹劑替代礦粉后，UHPC的流動性略降，抗壓強度和彈性模量提高，抗彎拉強度和彎曲韌性略降。與不摻膨脹劑的河砂UHPC相比，雙摻35%碎石和5%膨脹劑的UHPC其流動性下降了9.7%，抗壓強度降低了4.1%，抗彎拉強度降低了10.3%，彈性模量提高了6.8%，彎曲韌性指數(shù)I20減小了7.9%?？傮w來說，雙摻35%碎石和5%膨脹劑對UHPC工作性和力學性能的降低程度并不大。

（2）在碎石限制收縮與膨脹劑補償收縮的協(xié)同作用下，UHPC的收縮應變得到極大改善，90 d干縮率降低41.8%。

（3）碎石降低了UHPC的抗氯離子滲透性，而膨脹劑對UHPC的抗氯離子滲透性具有改善作用。

（4）雙摻35%碎石和5%膨脹劑改性制備的含碎石補償收縮UHPC，擴展度為560 mm，28 d抗壓、抗彎拉強度分別達到140 MPa、23.6 MPa，90 d干縮率小于300×10-6，電通量小于100 C，各項性能達到相關設計或標準要求。