蒸汽養(yǎng)護(hù)制度對(duì)超高性能混凝土早期力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響

吳建東 郭麗萍,2,3 曹園章 秦姚毅

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)(3東南大學(xué)先進(jìn)土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)

超高性能混凝土(UHPC)是一種兼具超高強(qiáng)度和高延性的新型土木工程材料[1-2].此外,UHPC還具有良好的新拌混凝土工作性和硬化混凝土高耐久性[3-4]，尤其是抗壓強(qiáng)度高于200 MPa的UHPC具有高抗沖擊能力,使其在軍事工程防護(hù)和核廢料處理等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景,受到了全世界研究者的密切關(guān)注[5].

養(yǎng)護(hù)制度是影響UHPC早期強(qiáng)度發(fā)展的重要因素.熱處理可以加速UHPC內(nèi)部水泥熟料的水化和礦物摻和料的火山灰反應(yīng),通過(guò)增加C-S-H相的含量,使UHPC可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得優(yōu)異的力學(xué)性能[6].目前,針對(duì)UHPC養(yǎng)護(hù)制度的研究主要包括在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20 ℃)、高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)、熱水養(yǎng)護(hù)、干熱養(yǎng)護(hù)和高壓釜養(yǎng)護(hù)等[7-9].此外,UHPC力學(xué)性能的改善研究表明,250～300 ℃熱處理是獲得更高UHPC抗壓強(qiáng)度的最有利養(yǎng)護(hù)條件,其次是蒸壓釜養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),但其效果可能依賴于UHPC的配合比設(shè)計(jì)[10].目前,針對(duì)抗壓強(qiáng)度高于200 MPa的UHPC,仍普遍采用高壓釜養(yǎng)護(hù)方式[11].然而,高壓釜養(yǎng)護(hù)方式導(dǎo)致UHPC生產(chǎn)效率低,且能耗高,嚴(yán)重限制了其商業(yè)化發(fā)展和在實(shí)際工程應(yīng)用中的推廣[12].相比高壓釜養(yǎng)護(hù),常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)一方面可以在短時(shí)間內(nèi)獲得性能優(yōu)良的UHPC,另一方面其能耗和生產(chǎn)成本遠(yuǎn)小于高壓釜養(yǎng)護(hù).目前,在常壓蒸氣養(yǎng)護(hù)的情況下鮮有UHPC早期抗壓強(qiáng)度高于200 MPa的報(bào)道.此外,關(guān)于蒸汽養(yǎng)護(hù)制度的相關(guān)參數(shù)(蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間和溫度)對(duì)UHPC(>200 MPa)早期力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)影響的研究仍十分有限.因此,為了提高UHPC(>200 MPa)性能和降低養(yǎng)護(hù)成本,從而擴(kuò)大UHPC在實(shí)際工程中的應(yīng)用,探究常壓蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間和溫度對(duì)UHPC性能的影響具有重要的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值.本文研究了不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度對(duì)UHPC早期力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響,討論了蒸氣養(yǎng)護(hù)制度與力學(xué)性能改善的關(guān)系,并采用X射線衍射(XRD)、同步熱分析(TG-DTG)、掃描電鏡(SEM)對(duì)水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

原材料包括:P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥和硅灰,相應(yīng)的化學(xué)組成和粒徑分布分別見(jiàn)表1和圖1.采用的石英砂最大粒徑小于0.6 mm,表觀密度為2 630 kg/m3.聚羧酸高效減水劑的固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.25,減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于30%.平直型鍍銅鋼纖維的物理性能如表2所示.拌和水為自來(lái)水.超高性能混凝土的配合比如表3所示,膠凝材料主要為水泥和硅灰,集料為石英砂.

表1 水泥和硅灰的化學(xué)組成 %

表2 鋼纖維的物理性能

圖1 水泥、硅灰和石英砂的粒徑分布

表3 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試件制作流程

試驗(yàn)成型采用JJ-5型水泥砂漿攪拌機(jī),其攪拌步驟如下:

① 將水泥、硅灰和石英砂充分混合3～5 min得到固體混合料,備用.

② 將減水劑和水用玻璃棒混合攪拌2～3 min后倒入攪拌鍋.

③ 將固體混合料慢慢倒入攪拌鍋內(nèi)(邊攪拌邊倒入,即當(dāng)固體攪拌成漿體均勻狀時(shí)再慢慢加入固體粉料,依次循環(huán),直至所有固體粉料加完),當(dāng)粉料完全成為漿體時(shí),繼續(xù)攪拌3～5 min.

④ 多次少量摻入鋼纖維,攪拌3～5 min,使鋼纖維混合均勻.

⑤ 裝模振搗成型,覆膜后帶模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h,拆模備用.

1.3 試驗(yàn)方案

考慮蒸氣養(yǎng)護(hù)溫度和蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間,試件脫模后采用5種養(yǎng)護(hù)制度,分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2) ℃,相對(duì)濕度不小于95%)下養(yǎng)護(hù)7 d,記為M20-7;60 ℃下蒸氣養(yǎng)護(hù)3和7 d,記為M60-3和M60-7;90 ℃下蒸氣養(yǎng)護(hù)3和7 d,記為M90-3和M90-7.蒸氣養(yǎng)護(hù)3 d后的試塊取出后放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至7 d.

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm.

根據(jù)《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(JC/T 2461—2018)進(jìn)行單軸拉伸性能測(cè)試,選用啞鈴形試件,試件尺寸和實(shí)際拉伸測(cè)試見(jiàn)圖2.

圖2 UHPC拉伸試驗(yàn)的啞鈴形試樣尺寸和實(shí)際拉伸測(cè)試圖

將UHPC凈漿試樣中心敲碎,磨成粉末,通過(guò)75 μm篩.篩過(guò)的粉末在60 ℃下的真空干燥箱中持續(xù)干燥24 h.采用德國(guó)Dmax/RB衍射儀(D8 Discover)對(duì)樣品進(jìn)行XRD測(cè)試以分析礦物相.掃描范圍為10°～80°,步長(zhǎng)0.02°,每步0.15 s.此外,采用德國(guó)耐馳同步熱分析儀(STA449F5)對(duì)60 ℃下真空干燥箱中干燥后的粉末(5～10 mg)進(jìn)行TG-DTG測(cè)試,測(cè)量范圍為30～950 ℃,升溫速率為10 ℃/min.

采用掃描電鏡對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè).首先將試樣在60 ℃的真空干燥箱內(nèi)干燥24 h,然后對(duì)試樣噴金180 s后進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

圖3為不同養(yǎng)護(hù)制度對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為125.4和45.1 MPa.經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)的UHPC抗壓強(qiáng)度明顯高于相同齡期下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度,且隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的增加,抗壓強(qiáng)度顯著提高.相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下M20-7的抗壓強(qiáng)度,蒸汽養(yǎng)護(hù)下M60-3、M60-7、M90-3和M90-7的抗壓強(qiáng)度分別提高了57.2%、63.2%、74.3%和80.4%.同時(shí),蒸汽養(yǎng)護(hù)也提高了UHPC的抗折強(qiáng)度,如UHPC在60 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d時(shí),抗折強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件提高了33.1%.然而,UHPC的抗折強(qiáng)度并沒(méi)有隨蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度或時(shí)間的增大而繼續(xù)增大.抗折強(qiáng)度在M60-7試樣中出現(xiàn)最大值,為64.7 MPa.溫度升高至90 ℃,UHPC的抗折強(qiáng)度反而降低,但所有蒸汽養(yǎng)護(hù)下試件的抗折強(qiáng)度維持在(62.2±2.2) MPa.相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),蒸汽養(yǎng)護(hù)可以顯著提高UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度最高可以達(dá)到226.2 MPa,抗折強(qiáng)度也達(dá)到62.4 MPa,但UHPC抗壓強(qiáng)度的提高比抗折強(qiáng)度的提高更明顯.強(qiáng)度提高的原因可以歸結(jié)于蒸壓養(yǎng)護(hù)促進(jìn)了水泥的水化進(jìn)程和硅灰的火山灰反應(yīng),水化產(chǎn)物能夠使UHPC的微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí),從而提高抗壓強(qiáng)度[13].

(a) 抗壓強(qiáng)度

2.2 拉伸性能

圖4為UHPC在不同養(yǎng)護(hù)制度下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可觀察到,所有UHPC展現(xiàn)出輕微的應(yīng)變硬化特性和多縫開(kāi)裂現(xiàn)象,并表現(xiàn)出一定的延性.

(a) M20-7

圖5為UHPC受拉破壞應(yīng)力-應(yīng)變的3個(gè)階段簡(jiǎn)化圖.圖中,F為試件的軸向拉伸荷載;σ、σu、σc分別為拉伸應(yīng)力、極限拉伸應(yīng)力、初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力;ε、εu、εc分別為拉伸應(yīng)變、極限拉伸應(yīng)變、初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)變.由圖可見(jiàn),試件的破壞主要分為3個(gè)階段:彈性階段(Ⅰ)、應(yīng)變硬化階段(Ⅱ)和應(yīng)變軟化階段(Ⅲ).試件的拉應(yīng)力達(dá)到基體的開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)基體開(kāi)裂,開(kāi)裂之前所經(jīng)歷的階段為彈性階段.

圖5 UHPC受拉破壞應(yīng)力-應(yīng)變的3個(gè)階段簡(jiǎn)化圖

基體開(kāi)裂的瞬間,由于試件采用位移控制測(cè)試,試件的拉伸應(yīng)變不變,造成試件的拉伸應(yīng)力瞬間降低,此時(shí)裂縫處的應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移給連接裂縫的纖維.纖維依靠與基體之間的界面黏結(jié)力擔(dān)負(fù)起由于基體開(kāi)裂后而損失的應(yīng)力,并且逐漸恢復(fù)到試件開(kāi)裂前的應(yīng)力.隨著應(yīng)力增加,纖維通過(guò)界面黏結(jié)力將應(yīng)力傳遞給靠近裂縫處的未開(kāi)裂基體中.當(dāng)纖維傳遞給基體的應(yīng)力達(dá)到基體的開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí),基體產(chǎn)生新的裂縫.上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行,直至水泥基體出現(xiàn)若干條微細(xì)裂縫,即為應(yīng)變硬化階段.當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加,裂縫斷面纖維傳遞的應(yīng)力不再使基體產(chǎn)生新的裂縫時(shí),纖維在多縫開(kāi)裂后的基體中承擔(dān)最小應(yīng)力的裂縫處滑移拔出,進(jìn)入應(yīng)變軟化階段.應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線狀彈性部分到應(yīng)變硬化部分的扭結(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值被定義為初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力;在應(yīng)變硬化過(guò)程中達(dá)到的最大應(yīng)力值為極限拉伸應(yīng)力,與此對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值為極限拉伸應(yīng)變.

表4為根據(jù)UHPC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到的初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力、彈性模量、極限拉伸應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)變等關(guān)鍵性能參數(shù).由表可知,蒸汽養(yǎng)護(hù)提高了UHPC的初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力和彈性模量.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)M20-7試件的初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力為9.07 MPa,蒸汽養(yǎng)護(hù)下M60-3、M60-7、M90-3和M90-7分別提高了31.8%、34.2%、35.0%和36.2%.可以發(fā)現(xiàn),所有蒸汽養(yǎng)護(hù)下試樣的初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力分布在11.95～12.35 MPa左右,而蒸汽養(yǎng)護(hù)下試樣的彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加顯著增加,由M20-7試件的50 GPa提高到M90-7試件的77 GPa.UHPC的初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力和彈性模量主要受基體材料影響,而極限拉伸應(yīng)力主要受鋼纖維、基體抗壓強(qiáng)度以及鋼纖維與基體界面相互作用的影響.當(dāng)施加在UHPC的應(yīng)力較低時(shí),纖維與基體之間的界面保持完好的黏結(jié).隨著應(yīng)力的增加,纖維發(fā)生脫黏和拔出現(xiàn)象,阻礙纖維脫黏的應(yīng)力和阻礙拔出的應(yīng)力均為摩擦應(yīng)力.在纖維各項(xiàng)性能一定的情況下,界面摩擦應(yīng)力與基體的密實(shí)程度緊密相關(guān).蒸汽養(yǎng)護(hù)加速了UHPC基體中水泥的水化反應(yīng)和硅灰的火山灰反應(yīng),生成更多的水化產(chǎn)物,從而密實(shí)了界面處的微觀結(jié)構(gòu)[14].

表4 不同養(yǎng)護(hù)制度下UHPC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線力學(xué)性能的表征參數(shù)

M60-7試樣的極限拉伸應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)變?cè)谡羝B(yǎng)護(hù)下出現(xiàn)最大值,分別為15.07 MPa和0.35%,這比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下M20-7試樣的極限拉伸應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)變分別提高了56.7%和191.7%.當(dāng)蒸氣養(yǎng)護(hù)溫度由60 ℃提高到90 ℃,隨著蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,UHPC的極限拉伸應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)變反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì),分別降低至13.81 MPa和0.28%(M90-7).隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的增加,基體中生成了更多的水化產(chǎn)物,且水化產(chǎn)物在高溫下結(jié)晶,表現(xiàn)出更大的脆性,進(jìn)而降低了UHPC的極限拉伸應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)變.

圖6為不同養(yǎng)護(hù)制度下UHPC的拉伸破壞模式.可以觀察到所有UHPC試件均出現(xiàn)不整齊的主裂縫,這是由于纖維的存在促使基體由脆性斷裂的整齊斷面轉(zhuǎn)變?yōu)檠有詳嗔训姆钦R斷面.M20-7和M90-7試樣均出現(xiàn)一條主裂縫,且主裂縫周邊的微細(xì)裂縫并不明顯.而M60-3、M60-7和M90-3試樣除了主裂縫外,在主裂縫周邊可以明顯觀察到其余的微細(xì)裂縫,展示出多縫開(kāi)裂模式,這也是UHPC具有輕微延性的主要特征.

圖6 不同養(yǎng)護(hù)制度下UHPC的拉伸破壞模式

2.3 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)力關(guān)系

UHPC抗折強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)力分別與抗壓強(qiáng)度的比值如圖7所示.抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值可以用來(lái)表示混凝土材料的脆性,其比值越小則意味著混凝土材料的脆性越大[15].由圖7(a)可以觀察到,M20-7試樣的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值最大,這說(shuō)明經(jīng)過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)之后的UHPC顯示出更大的脆性,這一結(jié)論與Hiremath等[11]的研究結(jié)果相同.此外,隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的增加,該比值先增加后降低,在M60-7時(shí)達(dá)到最大值.在養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃的情況下,蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加促進(jìn)了水泥的水化和硅灰的火山灰反應(yīng),從而增強(qiáng)了漿體和骨料之間的界面過(guò)渡區(qū)以及基體與纖維之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度,這一增強(qiáng)效果對(duì)抗折強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)力的增益大于抗壓強(qiáng)度,因此抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值增加.而繼續(xù)增加養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間使得水化產(chǎn)物的結(jié)晶程度進(jìn)一步提高,脆性變大,比值降低.圖7(b)中的UHPC極限拉伸應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值變化趨勢(shì)及原因也與抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比值相似.

(a) 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值

2.4 物相分析

UHPC漿體在不同養(yǎng)護(hù)制度下的X射線衍射如圖8所示.在20和60 ℃養(yǎng)護(hù)的試樣中可以觀察到鈣礬石(AFt),而在90 ℃蒸氣養(yǎng)護(hù)溫度下,AFt晶體的峰值明顯下降,這主要是與AFt晶體在溫度超過(guò)70 ℃時(shí)的分解有關(guān)[16].此外,極低的水膠比導(dǎo)致UHPC中仍存在大量的未水化水泥熟料(C2S、C3S和C4AF).與蒸汽養(yǎng)護(hù)試樣相比,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的UHPC(M20-7)中含有更多的氫氧化鈣和未水化水泥熟料,而經(jīng)過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)后UHPC漿體中的氫氧化鈣含量明顯降低.降低的原因是由于高溫激發(fā)了硅灰的火山灰活性,促進(jìn)了其與氫氧化鈣的二次水化反應(yīng),氫氧化鈣被大量消耗,同時(shí)新的水化硅酸鈣不斷生成,使得經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)后UHPC的強(qiáng)度提高.與此同時(shí),隨著養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,UHPC漿體中未水化的水泥熟料峰值逐漸減小,說(shuō)明蒸汽養(yǎng)護(hù)也加速了水泥熟料的水化反應(yīng),且養(yǎng)護(hù)溫度越高,時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)水泥熟料水化反應(yīng)的促進(jìn)作用越明顯.水泥水化反應(yīng)又生成了新的氫氧化鈣,而各組UHPC漿體中氫氧化鈣的峰相似,說(shuō)明M90-7試樣UHPC中被二次水化反應(yīng)消耗的氫氧化鈣更多,即蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度越高,時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)硅灰的二次水化反應(yīng)促進(jìn)作用也越明顯.此外,在M20-7和M60-3試樣的曲線上觀察到碳酸鈣(CaCO3)微弱的峰,其為UHPC漿體中的氫氧化鈣與環(huán)境中的CO2反應(yīng)得到的產(chǎn)物,由于氫氧化鈣的含量隨著養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的增加而降低,此峰也逐漸變得不明顯.

圖8 UHPC漿體在不同養(yǎng)護(hù)制度下的XRD測(cè)試圖譜

2.5 同步熱分析

圖9為不同養(yǎng)護(hù)條件下UHPC的熱重分析(TG-DTG)曲線.由圖9(a)可以看出,隨著測(cè)試溫度逐漸升高,UHPC內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng),這些變化和反應(yīng)往往伴隨著質(zhì)量的變化,各組樣品的質(zhì)量逐漸下降.DTG曲線(見(jiàn)圖9(b))反應(yīng)了UHPC在升溫過(guò)程中不同階段發(fā)生的變化,不同物理變化和化學(xué)反應(yīng)分別對(duì)應(yīng)著不同的分解峰.

(a) TG

不同養(yǎng)護(hù)制度下UHPC試樣在30～200 ℃的質(zhì)量損失主要是由試樣內(nèi)部自由水和物理結(jié)合水以及C-S-H中的化學(xué)結(jié)合水組成.M20-7試樣在30～200 ℃的分解峰顯著小于蒸汽養(yǎng)護(hù)下試樣M60-3、M60-7、M90-3和M90-7的分解峰,并且隨著蒸氣養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),試樣M60-3、M60-7、M90-3和M90-7的分解峰越大.這是由于蒸汽養(yǎng)護(hù)提高了基體內(nèi)部自由水、物理吸附水以及C-S-H含量,使其分解峰增大.200～400 ℃之間的分解峰與M-S-H水化硅酸鎂)的脫水有關(guān)[17].在400～500 ℃,試樣質(zhì)量損失與氫氧化鈣的脫羥基有關(guān),M20-7試樣表現(xiàn)出明顯的分解峰,根據(jù)2.4節(jié)分析,經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)后UHPC中的氫氧化鈣含量明顯降低.因此,在對(duì)應(yīng)各組UHPC的DTG曲線中未能觀察到此分解峰.當(dāng)溫度升高到600～700 ℃之間時(shí),對(duì)應(yīng)的分解峰為CaCO3的分解.CaCO3是由試樣中的氫氧化鈣在制樣過(guò)程中經(jīng)過(guò)碳化所產(chǎn)生的,可以反映試樣中氫氧化鈣的含量.其中M20-7試樣的碳酸鈣分解峰最為明顯,M60-3試樣次之,這與XRD的測(cè)試結(jié)果相吻合.部分蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中形成的C-S-H凝膠在300 ℃以下轉(zhuǎn)變?yōu)榫w,生成了托勃莫來(lái)石或硬硅鈣石晶體[16].這些晶體在800 ℃之后逐步脫去結(jié)構(gòu)水,產(chǎn)生了一定的質(zhì)量損失.相比蒸氣養(yǎng)護(hù)的各組UHPC試件,M20-7試樣在800 ℃之后的曲線更為平坦,這說(shuō)明相比蒸汽養(yǎng)護(hù),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下水泥水化和硅灰二次水化反應(yīng)的發(fā)生更為緩慢,生成的水化硅酸鈣的量更少.

2.6 掃描電鏡

圖10顯示了UHPC在不同養(yǎng)護(hù)制度下的微觀形貌特征.由于取樣過(guò)程中不可避免地使用錘擊,造成一些鋼纖維表面的基體被剝離.從圖10(a)、(d)、(g)、(j)、(m)中可以看出,不同養(yǎng)護(hù)制度下的鋼纖維均被其周圍的基體緊密包圍,這也是鋼纖維在UHPC中起到加固和橋聯(lián)基體作用的根本原因.然而,與蒸汽養(yǎng)護(hù)的試件相比,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的基體中可以觀察到更多的孔洞,且孔洞比蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下的要大(見(jiàn)圖10(a)),這也是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)UHPC力學(xué)性能低于蒸汽養(yǎng)護(hù)的原因.由于UHPC的低水膠比、水泥水化反應(yīng)以及硅灰的火山灰反應(yīng),UHPC基體呈現(xiàn)出密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu).圖10(b)、(e)、(h)、(k)、(n)中的骨料周邊全部被密實(shí)的基體環(huán)繞,且黏結(jié)性良好.在標(biāo)準(zhǔn)固化條件下,盡管基體比較密實(shí),仍可以觀察到基體呈現(xiàn)出溝壑且略有蓬松狀態(tài)(見(jiàn)圖10(c)).而在蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下的UHPC基體,基體斷面明顯比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的要密實(shí).在取樣過(guò)程中,基體斷面的相對(duì)平整性也展現(xiàn)出絕對(duì)的脆性均質(zhì)化.這仍然是由于溫度的提高加速了水泥的水化反應(yīng)和硅灰的火山灰反應(yīng),生成更多的C-S-H凝膠,填充基體孔隙,提高了基體強(qiáng)度.

圖10 不同養(yǎng)護(hù)條件下UHPC的微觀形貌圖

3 結(jié)論

1) 與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比,UHPC的抗壓強(qiáng)度和初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力隨蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的增加而增加,且90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d時(shí),抗壓強(qiáng)度和初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力分別達(dá)到226.2和12.35 MPa,比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣提高了80.4%和36.2%;蒸汽養(yǎng)護(hù)也提高了UHPC的抗折強(qiáng)度,與抗壓強(qiáng)度不同,UHPC的抗折強(qiáng)度在60 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)取得最大值62.4 MPa.

2) UHPC的初始開(kāi)裂拉伸應(yīng)力和彈性模量隨蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的增加而提高;而極限拉伸應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且在60 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)達(dá)到最大,分別為15.07 MPa和0.35%.

3) 蒸汽養(yǎng)護(hù)能促進(jìn)水泥水化反應(yīng)和硅灰的二次水化反應(yīng),生成更多的C-S-H凝膠,密實(shí)微觀結(jié)構(gòu),使UHPC漿體與骨料和鋼纖維界面接觸更加緊密,有利于力學(xué)性能的提高.