免蒸养超高性能混凝土力学性能的试验*

吴 琛 陈柯丹 林上顺 丁 峰 李道松

(1.福建工程学院福建省土木工程新技术与信息化重点实验室, 福州 350118； 2.福建工大岩土工程研究所有限公司, 福州 350118； 3.福建省交通工程造价站, 福州 350001)

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型水泥基复合材料，最早由Larrard等提出[1]。近年来，UHPC已经在新桥建造、旧桥加固中得到广泛的应用，并已成为国内外桥梁工程领域的研究热点[2]。为使UHPC具备良好的力学性能，目前大多采用高温和蒸压等养护措施，对制备条件有较高的要求，限制了其在工程中的应用范围。

国内外学者对免蒸养UHPC进行了一系列研究。Wille等在不采用热养护特殊工艺的条件下，采用低热水泥和超细硅灰，制备出流动性良好、性能优异的UHPC[3]；文献[4-6]在(20±2) ℃的标准养护条件下，通过添加铁矿石残渣取代部分天然骨料进行UHPC制备，或在胶凝材料中掺入超细辅助性胶凝材料来提高UHPC抗压强度；周红梅等通过在搅拌过程中加入泡沫剂、可分散乳胶剂等外加剂来改善UHPC的密实度、黏结性，并提高其强度[7]。上述研究主要通过调整材料成分实现免蒸养UHPC良好的力学性能，本文则基于常规材料，研究免蒸养UHPC制备方法及其力学性能，使其具备低成本、易取材、普适性强的特征。

已有研究表明：优化孔结构、掺入纤维是提高UHPC强度的基本原理和主要方法[8]。添加高效减水剂能够实现低水胶比，改善混凝土内部结构，降低孔隙率，从而提高混凝土强度。钢纤维在UHPC中能够起到桥接和销栓裂缝的作用，阻碍破坏过程中裂缝的发展，提高UHPC强度和韧性。因此，减水剂类型和钢纤维掺量是影响UHPC力学性能的重要因素。本研究通过优化常规材料组分制备免蒸养UHPC,经力学试验，分析减水剂类型对抗压强度的影响、钢纤维体积掺量对破坏形态的影响,对比标准养护和自然养护两种免蒸养条件下UHPC力学性能的差异，为其在工程中的推广应用打下基础。

1 试验概况

1.1 原材料

试验原材料包括水泥、硅灰、石英砂、钢纤维、高效减水剂和水，均为UHPC制备中的常规材料，取材难度低。水泥选用符合国家标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[9]的P·O 42.5R水泥，表观密度为2 600 kg/m3；硅灰的平均粒径为0.1～0.3 μm，比表面积为24 000 m2/kg；石英砂粒径为0.5～1.0 mm,无粗骨料；钢纤维采用长度为13 mm、直径为0.2 mm的直纤维，抗拉强度大于2 850 MPa；为研究减水剂类型对免蒸养UHPC性能的影响，采用了减水率为18%～28%的萘系减水剂(FDN)和减水率大于25%的聚羧酸减水剂(PCE)。水泥和活性材料的化学成分见表1。

表1 胶凝及骨架材料的化学成分Table 1 Chemical composition of cementitious materials and quartz sand %

1.2 配合比设计

硅灰作为最常见的活性材料之一，在UHPC制备中发挥着改善混凝土密实度、加速混凝土基体水化速度的重要作用。但是，硅灰掺量过大时，反而使水化反应放热过多而产生裂缝，降低混凝土强度。相关研究发现最佳硅灰掺量约为水泥的30%[10-11]。

设计各试验组配合比中的硅灰与水泥比均为0.3。根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[12]的要求，水胶比不应大于0.22，考虑到萘系减水剂和聚羧酸减水剂的减水率不同，对掺用萘系减水剂的试验组设计水胶比为0.20，掺用聚羧酸减水剂的试验组水胶比为0.18，掺量均为2.5%。对不同水胶比的试验组分别采用钢纤维体积掺量为0%、1%和2%。以“U养护制度-减水剂-钢纤维掺量”来表示UHPC试验组，例如：UB-FDN-0为掺用萘系减水剂、不掺钢纤维，在标准养护下的UHPC试验组；UN-PCE-1为掺用聚羧酸减水剂、钢纤维体积掺量为1%、在自然养护制度下的UHPC试验组。详见表2。

表2 UHPC配合比Table 2 Proportions of UHPC mix

1.3 试件制作和试验方法

浇筑尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体用于UHPC立方体抗压强度；浇筑尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体用于轴心抗压强度和弹性模量试验。浇筑尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体用于抗折强度试验。

与普通混凝土相比，UHPC通过掺入钢纤维提高其强度和韧性。在传统制备工艺中，通常先将其他材料混合至浆体，最后投入钢纤维进行搅拌，在搅拌过程中容易发生结团现象，影响材料的均质性，导致UHPC性能降低。本试验改进拌制顺序，先将钢纤维与各干料分次混合，再加入液体。由于试验选用直径较小的直纤维，与部分骨料在前期进行干拌能够使各组分材料充分混合，避免在砂浆中投料搅拌钢纤维的结团现象；全部干料搅拌均匀后再混合水和高性能减水剂，能够充分发挥材料间的水化作用。

采用60 L双轴强制式搅拌机制备UHPC。将按照配合比称量好的石英砂和钢纤维投入搅拌机干拌2 min，然后投入水泥和硅灰干拌3 min，使全部干料搅拌至混合均匀。再将高效减水剂与水充分混合，将一半质量的混合液加入搅拌机搅拌5 min，最后将剩余的混合液加入直至搅拌为浆体。

将UHPC拌和物一次入模，放在高频振动台上振动至试件成型。成型混凝土放置24 h后拆模，将标准养护试件送入标准养护室(温度(20±2) ℃、相对湿度95%)养护28 d，自然养护试件置于室外(福州10月份室外气候：平均温度24 ℃、相对湿度36%)洒水养护28 d。

根据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》[13]和GB/T 31387—2015[12]，抗压强度和弹性模量试验采用3 000 kN的WANCE微机控制油电混合伺服压力试验机，按图1所示装置加载。立方体抗压强度和轴心抗压强度试验采用应力控制的加载制度，加载速率为1.2 MPa/s。为测得混凝土弹性模量，沿高度中轴线在棱柱体两侧对称粘混凝土应变片，加载制度见图2。抗折强度采用1 000 kN的SANA微机控制电液伺服拉压试验机，采用应力控制，加载速率为0.08 MPa/s，试验加载方式如图3所示。所有试验均以3个试件为一组，试验结果取3个试件结果的平均值。

图1 抗压试验加载装置Fig.1 The loading device of compression tests

F0为0.5 MPa应力时的初始荷载; Fa为对应1/3轴心抗压强度应力时的荷载。图2 弹性模量加载制度Fig.2 Loading procedures of elastic modulus tests

图3 抗折试验加载方式 mmFig.3 The loading mode of bending tests

2 试验结果与分析

2.1 减水剂种类对免蒸养UHPC抗压强度的影响

采用标准养护制度的6组UHPC试件立方体抗压强度实测结果如表3所示。相同钢纤维体积掺量下，采用聚羧酸减水剂制备的UHPC立方体抗压强度明显高于使用萘系减水剂的试件。其中，UB-PCE-0、UB-PCE-1和UB-PCE-2的立方体抗压强度分别比使用萘系减水剂试件提高了54.3%、23.2%和12.2%。因此，聚羧酸减水剂可作为增强免蒸养UHPC抗压强度的优选外加剂。

表3 免蒸养UHPC立方体抗压强度Table 3 Cubic compressive strength of UHPC in the normal curing state

两种类型的减水剂分子结构如图4所示。可以看出，萘系减水剂属于线型聚合物分子,并且分子中只有一种极性基团(磺酸基-SO3)；而聚羧酸系减水剂通过选择带有羧基(-COOH)、羟基(-OH)、胺基(-NH2)、聚氧烷基(-O-R)n等多种不饱和单体，容易产生接枝共聚反应，形成具有“梳型”支链结构的高分子共聚物。混凝土体系中羧酸基含量越多、“梳型”结构的分子侧链越长，则混凝土中絮凝结构被破坏，颗粒的分散性越好[14-15]。聚羧酸减水剂的基团多样性和独特的“梳型”结构能改善混凝土内部结构，降低孔隙率，提高混凝土强度。

减水剂的减水机理主要体现在颗粒间的互斥作用上，萘系减水剂以静电斥力作用为主，而聚羧酸减水剂除了静电斥力作用还有空间位阻作用，对颗粒的分散作用更加充分[16-18]。因此，掺入聚羧酸减水剂可以使水泥、硅灰颗粒相互排斥，释放出更多自由水，增大颗粒表面与水的接触，提高水化效率，使混凝土强度提高。

a—萘系减水剂; b—聚羧酸减水剂。图4 两种类型的减水剂分子结构示意Fig.4 Molecular structure of the two types of water reducers

2.2 钢纤维掺量对免蒸养UHPC力学性能的影响

基于立方体抗压强度试验结果，对掺聚羧酸减水剂的标养试验组(UB-PCE)进行轴心抗压试验和抗折试验，研究钢纤维掺量对免蒸养UHPC力学性能的影响。

2.2.1破坏过程及其形态

轴心抗压试件的破坏形态如图5所示。在加载初期，试件表面均未观察到明显裂缝。随着荷载增加，掺有钢纤维的试件表面出现细小的裂缝，并伴有细微的纤维拔出声音。当荷载接近峰值荷载时，未掺钢纤维的试件突然断裂成分离的两部分，并伴随巨大的爆裂声，具有典型的脆性破坏特征；而掺有钢纤维的试件在加载至峰值荷载的80%～90%时，试件侧面出现几条平行于受力方向的裂缝，并伴随着嘈杂的撕裂声音迅速发展，随后破坏并失去承载能力。从图5可以看出：当裂缝尺寸较小时，由于钢纤维的强度远高于混凝土基体，钢纤维与混凝土基体之间黏结力可以起到桥接和销栓裂缝的作用，阻碍裂缝的发展，从而在一定程度上提高UHPC材料的韧性。不同钢纤维体积掺量下的试件抗折破坏特征与抗压试件相似，钢纤维对提高UHPC延性作用显著。

a—钢纤维0%; b—钢纤维1%; c—钢纤维2%。图5 轴心抗压试件破坏形态Fig.5 Failure modes of specimens in the axial compressive tests

2.2.2抗压强度和弹性模量

UB-PCE试验组的抗压强度和弹性模量试验实测结果见表4，每组性能数据取其3个试件试验结果的平均值。可见，随着钢纤维掺量的增加，免蒸养UHPC的抗压强度均有不同程度的提高。基准试件(UB-PCE-0)的立方体抗压强度和轴心抗压强度分别是94.1，92.2 MPa，在钢纤维体积掺量为1%时分别增加了23.0%和6.6%，在钢纤维体积掺量为2%时分别增加了30.7%和8.9%。适量掺入钢纤维可以提高免蒸养UHPC的抗压强度。但是，钢纤维体积掺量的增大会降低混凝土的坍落度及和易性，由于钢纤维占用了部分拌和水，钢纤维与混凝土基体的连接界面上存在一定的微小空隙，随着钢纤维体积掺量的增大，材料内部的缺陷增多，整体强度受到影响。文献[19-20]的研究结果均表明：钢纤维掺量在2%内时，UHPC抗压强度随钢纤维掺量的增加明显提高，而钢纤维体积掺量大于3.5%时，由于钢纤维掺量过大，降低了拌和物的和易性，使UHPC成为干硬性材料，强度反而降低。因此，1%～2%体积掺量的钢纤维是提高UHPC抗压强度的较优范围。

通过试验实测，获得各试验组在加荷阶段的应变值，按照式(1)计算UHPC的弹性模量：

(1)

式中：EC为混凝土弹性模量；Fa为对应1/3轴心抗压强度应力时的荷载；F0为0.5 MPa应力时的初始荷载；A为试件承压面积；L为测量标距；Δn为最后一次从F0加荷到Fa时试件两次变形的平均值。

由表4所示弹性模量的计算结果可知：钢纤维体积掺量对免蒸养UHPC弹性模量的影响较小，UB-PCE-2的弹性模量比UB-PCE-0仅提高4.7%。

表4 掺聚羧酸减水剂的免蒸养UHPC基本力学性能Table 4 Mechanical properties of UHPC with polycarboxylic supperplasticizers MPa

2.2.3抗折强度

表4中的抗折强度试验值表明：免蒸养UHPC的抗折强度随着钢纤维掺入大幅度提高，与UB-PCE-0相比，UB-PCE-1和UB-PCE-2的抗折强度分别提高了147.5%和206.8%，其折压比也分别增加了100.0%和133.3%；钢纤维体积掺量的增加能够明显提高免蒸养UHPC的抗折强度，且其对免蒸养UHPC抗折强度的贡献大于抗压强度。

2.3 两种免蒸养制度下UHPC力学性能比较

为进一步分析标准养护和自然养护两种免蒸养制度对UHPC力学性能的影响，对掺2.5%聚羧酸减水剂、1%钢纤维体积掺量的试验组(U-PCE-1)进行试验。试验结果如表5所示。可知：两种养护制度下的UHPC抗压强度和弹性模量增、缩幅值相差不大，自然养护条件下UHPC的抗折强度比标准养护条件下的略有降低，但仍可满足工程需要。两组基于常规材料的免蒸养制度下UHPC立方体抗压强度均可达到110 MPa以上，抗折强度均可达到10 MPa，远高于高强混凝土[21-22]。因此，本文提出的两种免蒸养UHPC的选材和制备方法均符合UHPC的强度要求，可应用于工程实践。

表5 两种免蒸养制度下UHPC基本力学性能Table 5 Mechanical properties of UHPC inthe two normal temperature curing MPa

3 结束语

通过力学性能试验，提出免蒸养条件下UHPC的选材和制备技术，获得如下结论：

1)在制备工序上，先将钢纤维与各干料分次混合均匀，最后加入水和减水剂搅拌至浆体，能够避免先搅拌至砂浆后投料钢纤维发生的结团现象，提高材料的均质性；同时，干料充分搅拌均匀后再混合液体，能够提高材料间的水化效率，改善免蒸养UHPC的力学性能。

2)对采用等量常规材料和免蒸养养护制度的UHPC试件，相同钢纤维体积掺量下，掺聚羧酸减水剂的免蒸养UHPC的立方体抗压强度远高于掺等量的萘系减水剂免蒸养UHPC的立方体抗压强度，提高幅度为12.2%～54.3%，平均提高29.9%。与萘系减水剂相比，聚羧酸减水剂能使免蒸养UHPC具有更高的抗压强度。

3)相同材料组分和免蒸养养护制度下，未掺钢纤维的UHPC试件在破坏时具有典型的脆性破坏特征，钢纤维的掺入对免蒸养UHPC的脆性改善效果显著。钢纤维体积掺量在2%内时，免蒸养UHPC的抗压强度随钢纤维体积掺量的增大提高明显，抗折强度有较大幅度的提高，弹性模量的变化不明显。考虑经济成本和钢纤维对免蒸养UHPC的增强增韧效果，建议钢纤维体积掺量在1%～2%。

4)标准养护与自然养护条件下，两种情况的UHPC的抗压强度和弹性模量相接近，但自然养护下UHPC的抗折强度较标准养护下相对降低，两种免蒸养条件下UHPC力学性能均可满足工程需要。自然养护下，采用常规材料、钢纤维体积掺量为1%的UHPC立方体抗压强度可达110 MPa以上，抗折强度可达10 MPa。