硬石膏對(duì)超高性能混凝土性能的影響及機(jī)理研究

吳文選，鄒偉，李磊，成良民，劉子源，雷中梨，紀(jì)憲坤

（1.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083；2.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083）

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）以其高強(qiáng)度、負(fù)荷能力大、彎拉韌性突出和耐久性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，能滿足混凝土工程輕量化、高層化、大跨化及高耐久的要求，近年來(lái)逐步成為混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[1-4]。UHPC水膠比低、膠材用量大，收縮率比普通混凝土高，其中自收縮占總收縮的比例較大，干燥收縮則較小[5]。這對(duì)UHPC成型制作階段的開裂有重要影響，且隨著水化的持續(xù)進(jìn)行，自收縮仍然有較大的發(fā)展。因此，如何降低UHPC的自收縮，提高UHPC的體積穩(wěn)定性是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

UHPC應(yīng)用較廣泛的工程領(lǐng)域包括橋面鋪裝、橋梁濕接縫、大跨度人行天橋等[3]，但這些工程中的UHPC均服役于無(wú)氯鹽的環(huán)境。鑒于UHPC在核電、海上采油平臺(tái)、跨海大橋等特種工程領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景，有必要對(duì)UHPC的耐久性能進(jìn)行研究，包括探索材料配合比對(duì)UHPC耐久性能的影響規(guī)律，尋找合適的耐久性能評(píng)價(jià)方法等。

本文采用波紋管法、GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)研究》中的接觸法、電通量法、RCM法及JC/T 1086—2008《水泥氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法》中的NEL法分別研究了硬石膏摻量對(duì)UHPC體積穩(wěn)定性和耐久性能的影響規(guī)律，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了討論分析。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比電通量、RCM和NEL三種方法的測(cè)試結(jié)果，分析其適用性，為研究硬石膏摻量對(duì)UHPC耐久性能的影響提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

水泥（C）：武漢華新P·O 52.5水泥，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能見(jiàn)表2；高活性摻合料（HA）：主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；硬石膏（SG）：含山恒泰無(wú)水石膏粉，一級(jí)天然硬石膏粉，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；拌合水（W）：自來(lái)水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求；砂（S）：連續(xù)級(jí)配河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，最大粒徑不超過(guò)2 mm；鋼纖維（SF）：贛州大業(yè)，直徑0.2 mm，長(zhǎng)度13 mm；減水劑（WR）：兆佳，粉狀聚羧酸減水劑，減水率20%；功能助劑（FU）：自制，具體組成為4份消泡劑、5份收縮調(diào)控劑、5份調(diào)凝劑、6份黏度改性劑。

表1 水泥、高活性摻合料和硬石膏的主要化學(xué)成分%

表2 水泥的物理力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

采用硬石膏等質(zhì)量取代水泥，摻量分別為0、2%、4%、6%、8%，鋼纖維按質(zhì)量百分比為9%外摻，UHPC配合比見(jiàn)表3。

表3 UHPC的配合比

UHPC基體攪拌均勻后即成型電通量、RCM和NEL試驗(yàn)試件，摻入鋼纖維繼續(xù)攪拌均勻后測(cè)試坍落擴(kuò)展度，同時(shí)成型波紋管試件、混凝土收縮試件和抗壓強(qiáng)度試件。

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試坍落擴(kuò)展度；按照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1、7、28 d以及90℃蒸養(yǎng)2 d試件的抗壓強(qiáng)度。按照T/CBMF 96—2020《超高性能混凝土預(yù)混料》（波紋管法）和GB/T 50082—2009中的接觸法進(jìn)行體積穩(wěn)定性試驗(yàn)；按照GB/T 50082—2009進(jìn)行電通量法和RCM法耐久性能試驗(yàn)；按照J(rèn)C/T 1086—2008中的NEL法進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硬石膏摻量對(duì)UHPC工作性能及力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表4）

表4 硬石膏摻量對(duì)UHPC工作性能和力學(xué)性能的影響

由表4可見(jiàn)，硬石膏摻量為4%以內(nèi)時(shí)，UHPC的擴(kuò)展度變化不大，當(dāng)其摻量超過(guò)6%后擴(kuò)展度稍有增大。這說(shuō)明硬石膏內(nèi)摻取代水泥對(duì)UHPC工作性能無(wú)明顯影響。隨硬石膏摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度先提高后降低；硬石膏摻量4%時(shí)，UHPC標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度最高，為140.4 MPa；當(dāng)硬石膏摻量超過(guò)4%后，UHPC抗壓強(qiáng)度開始呈輕微下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槭啻龠M(jìn)了鈣礬石的生成，改善了水泥石結(jié)構(gòu)，在一定摻量范圍內(nèi)UHPC的抗壓強(qiáng)度隨硬石膏摻量增加而提高[6]，對(duì)超高性能混凝土體系強(qiáng)度的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用?？傮w而言，硬石膏摻量為0～6%時(shí)，UHPC的抗壓強(qiáng)度總體波動(dòng)不大。另外，對(duì)于同一批成型的UHPC試塊，90℃蒸養(yǎng)2 d的抗壓強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度高8.7～17.2 MPa。這是因?yàn)闊狃B(yǎng)護(hù)一方面能加快水泥水化進(jìn)程，另一方面能提高活性摻合料火山灰反應(yīng)進(jìn)程，改善界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)度[7]。

2.2 硬石膏摻量對(duì)UHPC體積穩(wěn)定性的影響

硬石膏摻量對(duì)UHPC體積穩(wěn)定性的影響如圖1～圖3所示，圖1、圖2為波紋管法試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為7 d左右，圖3為接觸法試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)埋入混凝土的釘頭測(cè)試UHPC在無(wú)約束狀態(tài)下長(zhǎng)齡期的收縮。

圖1為試驗(yàn)開始后20 h內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，t1為初凝前的塑性階段，t2為初凝至終凝的凝結(jié)階段，t3為終凝后的硬化階段。由圖1可以看出：（1）不同階段變形量存在明顯差別，塑性階段變形量最大，凝結(jié)階段次之，硬化階段最小，這符合混凝土早期變形基本規(guī)律。通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)組平均變形-時(shí)間（εt）曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基準(zhǔn)組SG-0及SG-1、SG-2、SG-3、SG-4試驗(yàn)組曲線拐點(diǎn)基本一致，初步判定UHPC初凝時(shí)間為4.5 h，終凝時(shí)間為8.0 h。（2）在塑性階段前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較大的波動(dòng)幅度，這是由于波紋管試件剛放入測(cè)試支架時(shí)，在測(cè)試初期變形不規(guī)律導(dǎo)致的。

由圖2可以看出，SG-0、SG-1、SG-2、SG-3、SG-4的7 d平均收縮率分別為469.4 με、322.8 με、188.3 με、145.2 με、153.9 με。隨著硬石膏摻量增加，UHPC收縮率逐漸減小。當(dāng)硬石膏摻量為6%時(shí)，7 d收縮率最低，僅為145.2 με，與基準(zhǔn)組相比減小了69%。繼續(xù)增加硬石膏摻量，UHPC收縮應(yīng)變不會(huì)繼續(xù)減小，說(shuō)明硬石膏在一定摻量范圍內(nèi)能明顯降低UHPC的自收縮。硬石膏對(duì)UHPC自收縮的影響有2個(gè)方面：一方面是早期膨脹量，由于UHPC自收縮較大，且在早期迅速發(fā)展，需要較大的膨脹量才能有效補(bǔ)償U(kuò)HPC的自收縮[8]。硬石膏在混凝土補(bǔ)償收縮方面相比膨脹劑盡管膨脹量有限，但仍然具有較明顯的補(bǔ)償效果，圖2中基準(zhǔn)組和試驗(yàn)組0～0.5 d收縮-時(shí)間曲線對(duì)比驗(yàn)證了其補(bǔ)償效果。另一方面是體積安定性。膨脹劑的摻入盡管能最大限度補(bǔ)償混凝土自收縮，但摻量過(guò)多可能會(huì)導(dǎo)致水泥基材料體積安定性不良，特別是在熱養(yǎng)護(hù)條件下更容易引起安定性問(wèn)題。而硬石膏的摻入引發(fā)水泥基材料（包括UHPC）安定性問(wèn)題的概率較低[9]。

圖3為不同硬石膏摻量條件下UHPC硬化階段（t3）后期收縮率隨時(shí)間變化曲線，以6 d齡期作為起點(diǎn)，初始收縮率分別對(duì)應(yīng)圖2中各試驗(yàn)組6 d齡期實(shí)際收縮率。從圖3可以看出：（1）SG-0、SG-1、SG-2、SG-3、SG-4 120 d平均收縮率分別為646.6 με、521 με、406.8 με、382.0 με、384.0 με。當(dāng)硬石膏摻量為6%時(shí)，120 d收縮率最低，較基準(zhǔn)組減小了40.9%。（2）各試驗(yàn)組從6 d齡期到120 d齡期的收縮率相近，均為200 με左右。這說(shuō)明硬石膏對(duì)UHPC收縮的抑制效果主要集中在早齡期，長(zhǎng)齡期的抑制效果較弱，這也驗(yàn)證了硬石膏對(duì)UHPC早齡期自收縮具有較明顯的補(bǔ)償效果且對(duì)UHPC后期安定性影響較小的觀點(diǎn)。

2.3 硬石膏摻量對(duì)UHPC耐久性能的影響

分別采用RCM法、NEL法和電通量法測(cè)試不同硬石膏摻量時(shí)UHPC的抗氯離子侵蝕性能，以此評(píng)價(jià)UHPC的耐久性能，結(jié)果如表5所示。

表5 硬石膏摻量對(duì)UHPC耐久性能的影響

RCM法試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為96 h，是普通混凝土試驗(yàn)時(shí)間的2倍左右，試驗(yàn)結(jié)束后劈開試塊測(cè)試氯離子滲透深度。由表5可知，隨著硬石膏摻量的增加，氯離子滲透深度逐漸減小，6%摻量時(shí)滲透深度僅為0.97 mm，對(duì)應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為3.9×10-14m2/s。這說(shuō)明硬石膏在一定摻量范圍內(nèi)能明顯降低UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，提高UHPC基體密實(shí)性。NEL法測(cè)得氯離子擴(kuò)散系數(shù)與RCM法測(cè)得值相比偏大，但數(shù)據(jù)變化總體趨勢(shì)一致。另外，在電通量法測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬石膏摻量大于4%以后電通量均為0，說(shuō)明當(dāng)UHPC基體密實(shí)度達(dá)到一定程度后，電通量法測(cè)試精度不能滿足測(cè)試需求。綜上所述，RCM法氯離子顯色深度在4 mm以內(nèi)，誤差較大；電通量法測(cè)試結(jié)果均在100 C以內(nèi)，難以進(jìn)行更加細(xì)致的區(qū)分；NEL法測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)果基本吻合，可以作為評(píng)價(jià)UHPC基體滲透性能測(cè)試的首選方法[10]。

2.4 機(jī)理分析

圖4、圖5分別為基準(zhǔn)組和SG-3試驗(yàn)組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的SEM照片。

由圖4可見(jiàn)，基準(zhǔn)組UHPC的水化產(chǎn)物較多，水化程度也較高，但水泥石與骨料的界面過(guò)渡區(qū)存在微裂縫，這種微裂縫可能會(huì)對(duì)UHPC的滲透性和耐久性能產(chǎn)生一定的損害[7，11-12]。因此，UHPC微觀結(jié)構(gòu)的改善需側(cè)重于不同材料界面質(zhì)量的改善，包括膠凝材料與骨料、纖維之間界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）密實(shí)度與強(qiáng)度的提高。

由圖5可見(jiàn)，摻6%硬石膏時(shí)UHPC的微觀結(jié)構(gòu)較密實(shí)，未見(jiàn)明顯的裂縫，界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）密實(shí)度高。這可能是因?yàn)橛彩嘣赨HPC水泥水化早期與膠凝材料中的C3A反應(yīng)生成鈣礬石填充了水泥顆粒間隙和界面過(guò)渡區(qū)。另一方面，硬石膏的摻量決定了鈣礬石生成總量和鈣礬石穩(wěn)定性[13]，6%摻量硬石膏基本能滿足UHPC膠凝體系對(duì)鈣礬石生成和其穩(wěn)定性保持的需要。綜上所述，硬石膏摻量在4%～6%時(shí)，UHPC力學(xué)性能、收縮調(diào)控性能和抗氯離子侵蝕性能均保持良好的平衡，能實(shí)現(xiàn)UHPC低收縮、高耐久的需求。

3 結(jié)論

（1）硬石膏內(nèi)摻取代水泥對(duì)UHPC的工作性能影響不大，摻量為0～6%時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度總體波動(dòng)不大。

（2）硬石膏對(duì)UHPC早齡期自收縮具有較明顯的補(bǔ)償效果，且對(duì)UHPC后期安定性影響較小。

（3）硬石膏摻量為6%時(shí)，UHPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯減小，基體密實(shí)度增大，此時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)較基準(zhǔn)組更致密，未見(jiàn)明顯的裂縫，界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）密實(shí)度更高。

（4）硬石膏摻量為4%～6%時(shí)，UHPC的力學(xué)性能、收縮調(diào)控性能和抗氯離子侵蝕性能均保持良好的平衡，能實(shí)現(xiàn)UHPC低收縮、高耐久的需求。