養(yǎng)護溫度對UHPC力學(xué)性能的影響

侯慶剛 喬大瑋 胡鳳嬌 蔣雪妮 張愛勤 王日升

摘要：為分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（20 ℃）、高溫養(yǎng)護（70 ℃）對超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）力學(xué)性能的影響規(guī)律，在不同養(yǎng)護方式與養(yǎng)護齡期（3、7、28 d）下對不同配合比制備的UHPC進行抗壓、抗折、抗拉及彈性模量試驗，測試UHPC的力學(xué)性能。結(jié)果表明：高溫養(yǎng)護能有效改善UHPC的力學(xué)性能，抗壓強度增長均勻，抗折強度增幅顯著，養(yǎng)護7 d時UHPC的抗壓、抗折強度的增幅均最大，養(yǎng)護28 d時UHPC的抗壓與抗折強度增大緩慢；UHPC抗拉強度及彈性模量的增大規(guī)律基本一致，養(yǎng)護7 d時達到最大抗拉強度與彈性模量，養(yǎng)護28 d時，抗拉強度與彈性模量不再增大或略有下降。選擇在（70±2）℃進行高溫養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為7 d。

關(guān)鍵詞：UHPC；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護；高溫養(yǎng)護；強度；彈性模量

中圖分類號：U416.216;U414文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0042-05

引用格式：侯慶剛，喬大瑋，胡鳳嬌，等.養(yǎng)護溫度對UHPC力學(xué)性能的影響［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（2）：42-46.

HOU Qinggang， QIAO Dawei， HU Fengjiao， et al.The influence of maintenance temperature on the mechanical properties of UHPC［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：42-46.

0?引言

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是近年備受關(guān)注的新型水泥基工程材料[1-3]，與傳統(tǒng)混凝土相比，具有較好的力學(xué)性能和耐久性。在制備UHPC過程中減小了水膠比，不使用粗骨料，增大水泥用量，成本相應(yīng)增大。為降低UHPC的制備成本，常將粉煤灰、礦渣粉、爐渣等工業(yè)摻合料引入膠凝材料體系，代替部分水泥或硅灰[4-5]。

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，UHPC中的水泥、硅灰常因缺水難以參與水化反應(yīng)，只充當(dāng)填充材料，限制了UHPC力學(xué)性能的發(fā)展，高溫養(yǎng)護可加速水泥熟料的水化和火山灰反應(yīng)，使UHPC在較短時間內(nèi)獲得優(yōu)異的力學(xué)性能[6]。熱養(yǎng)護能加速UHPC的水化過程，比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下制備的試件具有更高的早期抗拉壓強度和更致密的微觀結(jié)構(gòu)[7-8]；高溫高濕的養(yǎng)護環(huán)境有助于水泥二次水化，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，對UHPC力學(xué)性能的改善效果優(yōu)于干熱養(yǎng)護[9]；采用40、60 ℃熱水養(yǎng)護，養(yǎng)護28 d的UHPC試件的抗壓強度為160、180 MPa[10]，采用80 ℃熱水養(yǎng)護，養(yǎng)護28 d的UHPC試件的抗折強度增大8%～15%[11]；經(jīng)85 ℃蒸養(yǎng)3 d的UHPC的抗壓、抗折強度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護90 d的UHPC分別增大33.3%、3.23%[12]；熱養(yǎng)護能顯著提高UHPC的早期抗拉壓強度，但不利于后期抗拉壓強度的發(fā)展，在150 ℃干熱養(yǎng)護條件下，養(yǎng)護120 d的UHPC的抗壓強度減小3%[13-15]；試件經(jīng)250 ℃干熱養(yǎng)護后接觸水分，后期抗拉壓強度明顯減小，在90 ℃蒸養(yǎng)條件下，是否接觸水分對試件的強度和微觀結(jié)構(gòu)的影響均較小[16]；高溫養(yǎng)護升溫速率不宜大于20 ℃/h，升溫速率過大易導(dǎo)致試件內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生微裂縫[17]。關(guān)于養(yǎng)護溫度對UHPC性能的影響尚未有統(tǒng)一的定論。

本文通過制備不同配合比的UHPC，對UHPC進行抗拉、抗折、抗壓強度和彈性模量試驗，分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和高溫養(yǎng)護對UHPC力學(xué)性能的影響，研究不同養(yǎng)護溫度對UHPC力學(xué)性能影響的變化規(guī)律，以此確定UHPC工業(yè)化的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)措施。

1?試驗材料與配合比

1.1?UHPC原材料

以P.O 42.5普通硅酸鹽水泥為原材料，對其進行化學(xué)分析和物理、力學(xué)性能檢測，主要成分MgO、SO3、CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.26%（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為不大于6.00%）、2.37%（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為不大于3.50%）、60.31%、5.14%、3.02%、20.13%。硅酸鈣礦物（CaO和SiO2）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.44%，滿足不小于66.00%的標(biāo)準(zhǔn)要求，CaO與SiO2的質(zhì)量比為2.99，滿足不小于2.00的要求[18]。

P.O 42.5普通硅酸鹽水泥的主要物理及力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.6%，密度為2.62 g/cm3。由表1可知，P.O 42.5普通硅酸鹽水泥的物理與力學(xué)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求[18]。

UHPC的細(xì)集料為工業(yè)級石英砂，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.8%；選取粒徑分別為0.63～1.25 mm（粗砂）、0.315～0.63 mm（中砂）進行二級摻配，推薦粗砂與中砂的質(zhì)量比為70∶30。

以減水率為30%的固態(tài)粉末狀聚羧酸減水劑為UHPC的外加劑。采用長12～16 mm、直徑為0.18～0.22 mm、抗拉強度為2 080 MPa的平直形短鋼纖維。

1.2?試驗配合比

以強度等級UHPC100為目標(biāo)，以低水膠比、各組分用量規(guī)定和要求為設(shè)計原則進行UHPC配合比試驗研究[19-20]。設(shè)計2組UHPC試驗配合比如表2所示。

2?制備工藝與養(yǎng)護方法

采用振動攪拌機將稱量好的水泥、減水劑、摻合料干拌1 min，加入水，在攪拌鍋內(nèi)慢攪3 min，加入鋼纖維、石英砂后快攪1 min，停拌30 s，再快攪1 min。拌制后，采用分層震動法將UHPC試件振實成型。將漿體倒入模具，滿1/3處停止傾倒，將模具放置在振動臺上，振跳25次后沿試模內(nèi)壁進行插搗，再倒入剩余漿體，重復(fù)此步驟至漿體填滿模具，刮除模具表面多余拌合物并抹平，用濕塑料薄膜覆蓋試件表面，置于室內(nèi)24 h后拆模，進行試件養(yǎng)護。

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、高溫養(yǎng)護2種養(yǎng)護方式。基礎(chǔ)養(yǎng)護方法為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱，將養(yǎng)護溫度調(diào)至（20±2）℃，試件拆模后放入養(yǎng)護箱，表面浸沒水中，養(yǎng)護齡期分別為3、7、28 d，定期更換水槽內(nèi)的水確保水質(zhì)的清潔程度。對比養(yǎng)護方式為高溫養(yǎng)護，即將試件放置在恒溫水浴中，保持升溫速度小于12 ℃/h，升溫至70 ℃后，保證恒溫箱內(nèi)溫度為（70±2）℃，分別養(yǎng)護3、7、28 d，完成養(yǎng)護后進行抗壓、抗折、抗拉等力學(xué)性能試驗。

3?力學(xué)試驗與結(jié)果分析

3.1?抗壓強度與抗折強度

按照文獻[21]要求進行試件的抗壓、抗折強度試驗。采用長、寬、高分別為160、40、40 mm的小梁試件，由每3個試件的平均抗壓、抗折強度確定最終破壞荷載。各組試件養(yǎng)護3、7、28 d的抗壓強度、抗折強度如表3所示，技術(shù)要求抗壓強度不小于100 MPa，抗折強度不小于12 MPa[19]。

由表3可知：試件分別經(jīng)過高溫養(yǎng)護與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護3、7、28 d后的抗壓強度、抗折強度均隨養(yǎng)護齡期的增加而增大；與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件相比，高溫養(yǎng)護A1、A2組試件的抗壓強度分別增大9.8%～12.6%、8.9%～12.1%，高溫養(yǎng)護后抗壓強度的增幅較均勻；高溫養(yǎng)護3、7、28 d試件的抗折強度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件的增大較顯著，A1試件分別增大13.2%、24.7%、18.3%，A2試件分別增大10.6%、13.8%、14.4%；A2試件在2種養(yǎng)護條件下的抗壓與抗折強度均比A1試件大，A2-b組試件養(yǎng)護3、7、28 d的抗壓強度、抗折強度比A1-a組試件均有大幅增大，分別增大27.9%～52.4%、37.4%～41.1%；2種養(yǎng)護條件下，A1、A2試件養(yǎng)護7 d的抗壓強度與抗折強度均高于UHPC的標(biāo)準(zhǔn)要求[22]。推薦A1、A2試件的最佳養(yǎng)護條件為高溫養(yǎng)護7 d；若能嚴(yán)格控制高溫養(yǎng)護條件，從經(jīng)濟因素考慮選擇A2組，并適當(dāng)考慮養(yǎng)護齡期為3 d。

高溫養(yǎng)護能提高水泥的早期水化速度，同時礦物摻合料中具有反應(yīng)活性的成分能與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成大量C-S-H凝膠體，增大UHPC的早期密實度。礦物摻合料與高溫養(yǎng)護的共同作用大大改善UHPC的力學(xué)性能。UHPC的早期水化產(chǎn)物可強化其與鋼纖維的黏結(jié)力，在高溫養(yǎng)護環(huán)境中，A1-b與A2-b試件的抗折強度增幅比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境下試件大。

3.2?抗拉強度

參照文獻[22]要求進行抗拉強度試驗，試驗機為MTS-810材料動態(tài)測試系統(tǒng)，采用工字形試件，加工試模的結(jié)構(gòu)如圖1所示，各組試件養(yǎng)護3、7、28 d的抗拉強度如表4所示。

由表4可知：在高溫養(yǎng)護條件下，A1組試件在養(yǎng)護3、7、28 d時的抗拉強度隨養(yǎng)護齡期的增加而先增大后緩慢減小，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，UHPC的抗拉強度隨齡期的增加而線性增大；A2組試件在2種養(yǎng)護條件下的抗拉強度均隨齡期增加而增大。2種養(yǎng)護條件下，A1、A2組試件養(yǎng)護7 d的抗拉強度均滿足

UHPC不小于5.0 MPa的技術(shù)要求[22]，高溫養(yǎng)護環(huán)境下，UHPC的抗拉性能明顯更優(yōu)，2組配比試件的抗拉強度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件分別提高49.1%、16.2%；高溫養(yǎng)護條件下，A1養(yǎng)護28 d的抗拉強度比養(yǎng)護7 d略小，A2養(yǎng)護7 d的抗拉強度與養(yǎng)護28 d相差不大，為0.3 MPa，高溫養(yǎng)護環(huán)境對提高后期抗拉強度的效果不大。高溫養(yǎng)護7 d為最優(yōu)養(yǎng)護齡期。依據(jù)抗拉強度技術(shù)要求，A2組在高溫養(yǎng)護條件下也可考慮選擇養(yǎng)護齡期為3 d。

高溫養(yǎng)護有助于水泥及摻合料水化產(chǎn)物的結(jié)晶生長，使其更緊密、均勻地分布在混凝土中，增大UHPC的致密性和均勻性，提高抗拉強度。高溫養(yǎng)護條件下，水泥水化產(chǎn)物-鈣礬石在混凝土表面聚集形成通道，混凝土界面過渡區(qū)出現(xiàn)明顯的孔隙和微裂縫，隨養(yǎng)護時間的延長而增長。UHPC養(yǎng)護28 d的抗拉強度增大速度緩慢，隨齡期繼續(xù)增加，后期抗拉強度增幅減小。

3.3?彈性模量

依據(jù)文獻[23]進行靜力受壓彈性模量試驗，采用TYE-2000B型壓力試驗機，試件長、寬、高分別為100、100、300 mm。各組試件養(yǎng)護3、7、28 d的彈性模量如表5所示。

由表5可知：1）UHPC的彈性模量受養(yǎng)護條件影響產(chǎn)生的變化規(guī)律，與抗拉強度的變化規(guī)律基本一致。在2種養(yǎng)護條件下，A1、A2組試件的彈性模量均隨養(yǎng)護齡期的延長而增大，養(yǎng)護超過7 d時，2組試件的彈性模量均滿足UHPC彈性模量不小于40.0 GPa的要求[22]。2）高溫養(yǎng)護環(huán)境下，A1組試件養(yǎng)護齡期為7、28 d的彈性模量相差不大；A2組試件的彈性模量始終保持線性增大，高溫養(yǎng)護28 d時，UHPC的彈性模量最大。高溫養(yǎng)護條件下，UHPC中的低密度C-S-H凝膠減少，高密度C-S-H凝膠比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下明顯增多，養(yǎng)護28 d的UHPC中低、高密度C-S-H凝膠的壓痕模量分別提高約4.0%、12.9%[24]，間接增大了UHPC的彈性模量。3）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下，A1、A2組試件的彈性模量后期增幅均較大，養(yǎng)護28 d試件的彈性模量與高溫養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d試件的彈性模量相當(dāng)；高溫養(yǎng)護使養(yǎng)護7 d試件的彈性模量迅速增大，后期增速較緩。

4?結(jié)論

1）研究UHPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護與高溫養(yǎng)護條件下的抗壓、抗折、抗拉強度和彈性模量，2種養(yǎng)護條件下，UHPC的抗壓強度與抗折強度均隨養(yǎng)護齡期的增加而增大，高溫養(yǎng)護UHPC的抗壓、抗折強度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的試件均有明顯增大。

2）UHPC的抗拉強度與彈性模量受養(yǎng)護條件影響的變化規(guī)律基本一致，均為高溫養(yǎng)護條件下無礦物摻合料的A1試件的抗拉強度與彈性模量隨養(yǎng)護齡期增加而先增大后緩慢減小，A2組線性增大；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，2組試件的抗拉強度與彈性模量隨養(yǎng)護齡期增加而線性增大。

3）2種養(yǎng)護方式均有利于提高UHPC的力學(xué)性能，工廠化生產(chǎn)選擇高溫養(yǎng)護（70±2）℃，最佳養(yǎng)護齡期為7 d。UHPC現(xiàn)場施工盡可能采用較高溫度養(yǎng)護至28 d。

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The influence of maintenance temperature on the mechanical

properties of UHPC

HOU Qinggang1， QIAO Dawei1， HU Fengjiao1， JIANG Xueni2，

ZHANG Aiqin2， WANG Risheng2

1. Weihai Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Weihai 264200， China;

2. School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357，China

Abstract：To analyze the influence of standard maintenance （20 ℃） and high-temperature maintenance （70 ℃） on the mechanical properties of ultra-high performance concrete （UHPC）， compressive tests， rupture tests， tensile strength tests， and elastic modulus tests are conducted on UHPC samples with different mix proportions under different maintenance methods and maintenance ages （3， 7， 28 days）. The results indicate that high-temperature maintenance effectively improves the mechanical properties of UHPC. The increase in compressive strength is uniform， with a significant increase in rupture strength. The greatest increase in compressive and rupture strength of UHPC is observed at 7 days of maintenance， while the increase of that is slower at 28 days. The trends for the increase in tensile strength and elastic modulus of UHPC are consistent， reaching their peak at 7 days of maintenance， and stabilizing or slightly decreasing at 28 days of maintenance. The maintenance temperature is （70±2） ℃， with a maintenance age of 7 days.

Keywords：UHPC; standard maintenance;high temperature maintenance; strength; elastic modulus

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2022-11-22

基金項目：山東省交通運輸科技計劃項目（2023B90）

第一作者簡介：侯慶剛（1979—），男，遼寧莊河人，高級工程師，主要研究方向為道路與橋梁設(shè)計，E-mail：19861835974@139.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.006