用于濕接縫連接的UHPC 收縮控制研究

郭紹霖

[上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065]

0 引 言

隨著城市化進程的加快、城市人口的增加和生活用水量的增加，產(chǎn)生的污水也在逐漸增加，我國污水處理廠進入大發(fā)展階段，污水處理廠數(shù)量大幅增加，污水處理能力也日益提升。但在其上部結(jié)構(gòu)建造過程中，仍存在著大量的現(xiàn)場鋼筋焊接、綁扎以及混凝土現(xiàn)澆工作，施工效率和裝配化程度有待進一步提高。

超高性能混凝土（UHPC）是一種具有超高力學性能和超高耐久性的新型水泥基材料。UHPC 基于“最緊密堆積原理”設(shè)計原理，通過現(xiàn)代外加劑技術(shù)，將磨細石英砂、水泥、硅灰等各種超細顆粒原材料組成均勻致密的整體，并通過均勻分部的超細鋼纖維，使其具備極佳的抗?jié)B、耐腐蝕、抗凍融等耐久性，同時具備了拉伸應(yīng)變強化和高延展性的特點。在國外，UHPC 已廣泛應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件的連接[1]。國內(nèi)關(guān)于UHPC 濕接縫的受力有一定的研究[2-4]，但主要集中于裝配式橋梁行業(yè)中，在水務(wù)工程中的應(yīng)用研究較少。

本文結(jié)合上海竹園污水處理廠四期工程，分析UHPC 收縮特性，以優(yōu)化原材料配比為出發(fā)點，從源頭上控制UHPC 材料的收縮，確保UHPC 濕接縫澆筑的施工質(zhì)量，做到超長距離濕接縫澆筑的零裂縫。

1 工程概況

竹園污水處理廠四期工程是上海市重大工程項目及蘇州河環(huán)境綜合整治四期工程的重要組成部分。工程位于浦東新區(qū)華東路以東、外高橋船廠西側(cè)，建設(shè)內(nèi)容包括新建規(guī)模120 m3/d 的污水處理廠、規(guī)模120 ton（干基）/d 的污泥處理中心以及總長約5 km的進出水總管等，工程建成后，竹園污水處理廠總處理規(guī)模將位列亞洲第一。本工程1.3 標中的50 萬t AAO 生物反應(yīng)池部分結(jié)構(gòu)為預(yù)制混凝土構(gòu)件，包括缺氧區(qū)的隔墻、頂板梁（含局部電纜溝）、頂板、好氧區(qū)的部分隔墻（帶空氣渠道和除臭渠道）。采用預(yù)制裝配式構(gòu)件施工的區(qū)域共4 個，單個區(qū)域長43.85 m，寬78.56 m，面積約3 445 m2，總面積約14 000 m2，見圖1。其中預(yù)制隔墻與底板、預(yù)制隔墻與預(yù)制板、預(yù)制隔墻與預(yù)制梁之間采用UHPC 濕接縫進行連接，總量約1 100 m3，預(yù)制墻板與底板的UHPC 濕接縫連接見圖2。

圖1 生物反應(yīng)池預(yù)制拼裝區(qū)域示意圖

圖2 預(yù)制隔墻與底板的UHP C 濕接縫連接

2 UHPC 收縮性能研究

2.1 UHP C 收縮機理

混凝土的收縮變形包括干燥收縮、自收縮、化學減縮、溫度下降引起的冷縮、塑性收縮以及因碳化而引起的碳化收縮。收縮是引起混凝土開裂的主要原因之一，與普通和高性能混凝土相似，一般認為UHPC收縮主要由自收縮和干燥收縮組成。與普通混凝土和高性能混凝土不同的是，UHPC 的自收縮占總收縮的比例較大，干燥收縮則較小，自收縮占總收縮的75%～90%之間。

由于UHPC 具有著非常低的水膠比（0.14～0.2）、膠凝材料使用量多、礦物摻合料的摻量大、使用聚羧酸高效減水劑等特點，所以UHPC 在凝結(jié)硬化過程中和凝結(jié)硬化后都會產(chǎn)生較大的收縮，從而使得UHPC 早期開裂更加嚴重[5]。摻入一定量的SAP[6]或聚丙烯酸酯[7]，均能對UHPC 的收縮性能起到一定的改善作用。纖維能有效的抑制UHPC 的收縮變形。使用粉煤灰和礦粉等摻合料替代一定比例的硅粉，對UHPC 早期收縮有一定的抑制作用[8]。熱養(yǎng)護能夠提高UHPC 的強度和減小其干燥收縮[9]。

控制UHPC 收縮變形的措施主要是通過降低收縮變形的產(chǎn)生、摻入產(chǎn)生膨脹性物質(zhì)補償收縮和限制收縮變形的發(fā)展?？紤]到不同方法對UHPC 收縮變形的控制效果及對宏觀力學性能的影響，本文主要研究摻合料和膨脹劑對收縮變形的影響。

2.2 UHP C 收縮變形控制試驗

2.2.1 試驗原材料

UHPC 的主要組成材料包括：膠凝材料、骨料、拌合水、外加劑和鋼纖維等。

（1）膠凝材料

水泥（PC）為安徽銅陵海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·II52.5 硅酸鹽水泥，比表面積為369 m2/kg。粉煤灰（FA）為I 級粉煤灰，比表面積為450 m2/kg。礦粉（GGBS）為S95 礦粉，比表面積為420 m2/kg。硅灰（SF）由上海艾肯公司提供，型號940，外形為灰色粉末，平均粒徑為0.5 μm，比表面積為20 500 m2/kg。膨脹劑（EA） 為唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的CSA 高效膨脹劑II 型。

（2）骨料

骨料由上海博彤化工提供的優(yōu)先石英砂（QS）。為了使得骨料體系的堆積密實度盡量接近于最大值，選用三種不同級配的石英砂進行復(fù)配，粗、中、細三種砂子粒徑分別為20～40 目、40～80 目和80～120 目，混合比例為3∶5∶2。

（3）外加劑

減水劑（SP）為巴斯夫Melflux 4930 F 聚羧酸粉末減水劑。

（4）鋼纖維

鋼纖維（SRF）為上海真強纖維有限公司的端鉤型鍍銅鋼纖維，長度14 mm，直徑0.22 mm。

2.2.2 試驗方法

早期自收縮變形測試參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）中的非接觸式變形測量方法進行，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，最后取三個試件的平均值作為結(jié)果，測試照片見圖3。待試件測試24 h 后記錄數(shù)據(jù)，而后進行拆模，將試件放入混凝土干燥收縮測試裝置中進行后續(xù)測試。通過該種方法可以有效的評估在最不利的狀況下UHPC 從初凝到后期干燥的條件下所發(fā)生的所有變形。

圖3 早期自收縮及干燥收縮測試

2.3 試驗結(jié)果與討論

試驗配合比見表1，各組分對UHPC 收縮變形的影響規(guī)律見圖4。

圖4 礦物摻合料對UHP C 收縮變形的影響（單位：μm/m）

表1 UHP C 試驗配合比

2.3.1 膨脹劑對UHP C 收縮的影響

10%的膨脹劑取代水泥可以使UHPC 的收縮變形量降低40%。這是由于所用膨脹劑屬于鈣礬石類，膨脹是由于鈣礬石的晶體長大而產(chǎn)生晶體壓力所致的。水膠比越大，礦物摻和料越多，材料內(nèi)部孔隙越粗大，鈣礬石晶體尺寸就越大。大量針棒狀鈣礬石晶體雜亂地填充在孔隙中，對硬化漿體的膨脹貢獻不大；相反，水膠比越低，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，鈣礬石結(jié)晶尺寸就越小，多為凝膠顆粒狀，它們的吸水腫脹是是低水膠比條件下補償收縮膠凝材料的主要膨脹驅(qū)動力。因此，膨脹劑對UHPC 的收縮起到了一定的補償作用。

2.3.2 礦粉對UHP C 收縮的影響

10%的礦粉替代水泥，會導(dǎo)致UHPC 的收縮變形量顯著增長。這是由于礦粉發(fā)生水化反應(yīng)的化學收縮大于水泥水化反應(yīng)的化學收縮，同時由于礦粉火山灰活性和水化程度要大于粉煤灰，這大大加快了密封條件下水分消耗的速度，加快了內(nèi)部干燥過程，提高了毛細管臨界半徑降低的速度，促進了毛細管負壓的增長和作用面積系數(shù)的加大，從而加劇了膠凝體系的自干燥及自干燥引起的自收縮。

2.3.3 粉煤灰對UHP C 收縮的影響

10%的粉煤灰取代水泥可以使UHPC 的收縮變形量降低12%。這是由于粉煤灰參與水化反應(yīng)的速度和程度遠低于水泥,其火山灰活性需要水泥的水化產(chǎn)物才能激發(fā),在早期粉煤灰使膠凝體系的水化發(fā)展變得相對緩慢，UHPC 內(nèi)部的自干燥現(xiàn)象將會被緩解，從而抑制了UHPC 的自收縮變形?？紤]到粉煤灰顆粒的彈性模量高于水泥顆粒，在水泥漿體內(nèi)起著限制漿體收縮的作用，這將促使粉煤灰減少混凝土的收縮變形。

15%的粉煤灰取代10%的水泥和5%的硅灰可以使UHPC 的收縮變形降低36%。這是因為，硅灰對UHPC 的早期自收縮發(fā)展有著極為顯著的影響，隨著硅灰摻量增加自干燥現(xiàn)象加劇，UHPC 的自收縮變形量將會大幅增加。而粉煤灰取代部分硅灰，UHPC 中的硅灰摻量降低，故而其收縮變形量顯著降低。其改善效果與膨脹劑基本相同。

綜合上述結(jié)果，在UHPC 中摻入一定的粉煤灰和膨脹劑可以有效降低其收縮開裂的風險。因此，本文選擇采用粉煤灰和膨脹劑雙摻控制收縮。

最終優(yōu)化配比見表2。優(yōu)化后UHPC 的體積變形發(fā)展規(guī)律見圖5。測試時間為拆模后至干燥空氣中28 d。

表2 優(yōu)化UHP C 配合比

圖5 優(yōu)化后的UHP C 收縮變形

由圖5 可以看出，優(yōu)化后的UHPC 具有優(yōu)良的體積穩(wěn)定性。這是由于膠凝材料中含有一定量的膨脹劑，在早期水化過程中生成一定量具有膨脹特性的鈣礬石，故而在早期UHPC 呈現(xiàn)膨脹，膨脹量在165 μm/m 左右。隨著水化的進行，水被大量消耗，產(chǎn)生較大的自干燥現(xiàn)象，從而引起一定的自收縮發(fā)生。由于是暴露在干燥環(huán)境中，水分蒸發(fā)也會造成一定的干縮變形。自收縮和干縮的疊加，導(dǎo)致隨后的UHPC 的體積變形呈現(xiàn)收縮的態(tài)勢，UHPC 總收縮變形量小于60 μm/m。UHPC 優(yōu)良的體積穩(wěn)定性，能顯著降低收縮開裂的風險。

3 結(jié) 語

針對竹園污水處理廠四期工程AAO 生物反應(yīng)池預(yù)制拼裝首次采用UHPC 進行濕接縫連接，研究了各組成材料對UHPC 收縮性能的影響，并通過粉煤灰和膨脹劑雙摻，有效降低的UHPC 的收縮變形，所得結(jié)論如下：

（1）10%的膨脹劑取代水泥可以使UHPC 的收縮變形量降低40%；

（2）礦粉的加入，會顯著增加UHPC 的收縮變形；

（3）10%的粉煤灰取代水泥可以使UHPC 的收縮變形量降低12%，15%的粉煤灰取代10%的水泥和5%的硅灰可以使UHPC 的收縮變形降低36%；

（4）粉煤灰和膨脹劑雙摻時，通過兩者的協(xié)同作用，UHPC 能夠獲得優(yōu)良的體積穩(wěn)定性。

因此，在現(xiàn)場施工中，采用優(yōu)化后的UHPC 配合比，同時結(jié)合合適的裝備和施工工藝，顯著降低收縮開裂的風險，提高預(yù)制隔墻與底板的UHPC 濕接縫連接質(zhì)量，極大地促進了項目質(zhì)量管理工作整體水平。