常温养护UHPC井盖的制备

2021-07-01杨建辉张菁燕叶云飞

商品混凝土 2021年6期

杨建辉，张菁燕，叶云飞

（1. 常州绿马特建筑科技有限公司，江苏常州 213163；（2. 常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏常州 213001）

超高性能混凝土（简称 UHPC），是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现了工程材料性能的大跨越。UHPC 的抗压强度可高达 230MP 及以上，与 Q235 钢相近；另外，UHPC 中的特种纤维为其提供了高抗拉强度、类金属的拉伸应变强化、高延性、多点分布微裂纹开展以及高抗爆、抗侵彻等特性[1]，被称为“液体钢”，而且它可以弥补钢材的缺点——无锈蚀性及高耐久性，具备极佳的抗渗、抗冻融、耐腐蚀、耐高温、抗冲磨等耐久性。

据调查，目前 C250 级和 D400 级 UHPC 井盖所用UHPC 都需要蒸养[2]，能耗及投资较大。本文将制备一种 D400 级常温养护 UHPC 井盖，通过添加高活性晶化剂，UHPC 采用常温养护方式，无需蒸养，避免了对蒸养空间与温湿度的严格要求而带来的成本问题，节约能源与空间投资，设备投资小、生产工艺简单，整体生产成本大大降低，并且大大拓宽了应用范围。

1 常温养护 UHPC 制备

1.1 原材料

（1）水泥：江苏镇江嘉新京阳水泥厂公司生产，52.5 级普通硅酸盐水泥。

（2）粉煤灰：常州火电厂生产，Ⅰ 级粉煤灰。

（3）磨细高炉矿渣：常州中天钢铁集团有限公司生产，S95 级矿粉。

（4）硅灰：上海山鹰环保有限公司生产，灰白色粉末，为球状体粒子。

（5）高效减水剂：聚羧酸减水剂，江苏尼高科技有限公司生产，固含量 50%，减水率 30% 以上。

（6）石英砂：安徽滁州石英砂公司生产，粒径20～40 目。

（7）钢纤维：苏州龙宇钢纤维有限公司生产，镀铜钢纤维，平直型，直径 0.2mm，长度 13～16mm。

（8）高活性晶化剂：自制，是一种新型基于分子活化技术的添加剂，常温养护条件下能使 UHPC 胶凝体系发挥出最大功效，形成高度致密的无机质基体，极大增强了 UHPC 的物理力学性能和耐久性，从而起到免蒸养的作用。

1.2 试验测试方法

（1）抗压强度的测试方法

根据 GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》的方法，试件尺寸为 100mm×100mm×100mm，拆模后将试件放入标准养护室，测试 7d 和 28d 的抗压强度，不乘以尺寸换算系数。

（2）劈裂抗拉强度的测试方法

根据 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法，试件尺寸为 100mm×100mm×100mm，拆模后将试件放入标准养护室，测试 7d 和28d 的劈裂抗拉强度，不乘以尺寸换算系数。

（3）工作性能的测试方法

根据 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法进行。

1.3 配合比设计

基于最紧密堆积级配理论，经大量试验，确立了基准 UHPC 配合比，然后添加不同含量的高活性晶化剂和钢纤维。本试验以水泥用量（以重量计）为基准，设为 1，其中钢纤维掺量按体积计算，具体见表 1。

表 1 UHPC 配合比

2 试验结果与讨论

UHPC 性能试验结果见表 2。

表 2 UHPC 性能结果

活性晶化剂能大幅度提高 28d 抗压强度和 7d、28d劈裂抗拉强度，但对流动度有影响，会在一定程度上降低流动度。另外，掺加 1% 的高活性晶化剂还会大幅度降低 7d 抗压强度，这对常温养护型 UHPC 是极为有利的。因为，UHPC 是一种高胶凝材料、极低水胶比的体系，大部分胶凝材料实际上并不参加反应，以填料形式存在，起到密实填充增强的作用。如果早期强度发展过快，说明水化反应速度快，会大量消耗水，前期水消耗完了，会导致后期水量不足水化反应难以为继。由表 2 可知，基准配合比 UHPC 的 28d 抗压强度只比7d 的高了 11.2MPa。而掺加 1% 的高活性晶化剂（2#）后，28d 抗压强度比 7d 高 47.6MPa，且 28d 强度比基准组高了 18.1%。同时 28d 劈裂抗拉强度比基准组提升33.8%，说明韧性得到极大增强。

提高高活性晶化剂掺量到 3%（3#），会大幅度降低扩展度，且对 7d、28d 抗压强度和劈裂抗拉强度提升不大，增大掺量也会增大成本。因此，固定其掺量为水泥量的 1%，将钢纤维体积掺量由 2% 提高到 3%（4#），扩展度急剧下降到 690mm，相比 2#，下降了105mm，且对 7d、28d 抗压强度和劈裂抗拉强度提升不明显，为降低成本，固定其体积掺量为 2%。

3 常温养护 UHPC 井盖的制备

将适量水泥、石英砂、粉煤灰、矿粉、硅灰投入搅拌设备里面搅拌均匀，一般 3min 左右，同时将减水剂加入到计量好的水里面搅拌均匀，然后将减水剂和水混合液重量的一半加入到搅拌设备里，搅拌 3min 成流态，再边搅拌边加入计量好的钢纤维，加完全部钢纤维后继续搅拌 2min 左右，得到符合井盖生产要求的UHPC 拌合物。

将焊接好钢筋的井盖模具放在平坦处，然后将UHPC 拌合物倒入模具中让其自流平，无需振捣，省工省力。一般蒸养型 UHPC 井盖坍落扩展度不高，需要振捣。

待搅拌设备里 UHPC 拌合物全部浇筑完后，用农用喷雾器向 UHPC 井盖表面喷雾状水，形成一层均匀的水膜层，然后覆盖一层混凝土养护膜，视气温及温湿度情况，覆完养护膜后需要再补喷一次水雾，养护 3d，3d 后拆模，得到 D400 级 UHPC 井盖。

这里需要注意的是，搅拌设备里 UHPC 拌合物全部浇筑完后，若不继续搅拌 UHPC，要立即清洗设备，防止 UHPC 拌合物黏在设备内壁越积越多，因 UHPC 硬化后强度极高，很难清理，会导致设备报废。UHPC 井盖成品如图 1 所示。

4 UHPC 井盖成品性能测试

4.1 测试方法

按照 GB 26537—2011《钢纤维混凝土检查井盖》对 D400 等级井盖的要求，利用承载能力试验装置用测力仪进行测试（图 2），测试破坏荷载和裂缝荷载，裂缝荷载系指井盖加载时表面裂缝达到 0.2mm 时的试验荷载值。

图 1 UHPC 井盖

图 2 承载能力试验示意图

4.2 测试结果

经测试，本常温养护 UHPC 井盖裂缝荷载达到227kN，大于标准要求的 200kN 要求，破坏荷载达到485kN，大于标准要求的 400kN 要求。性能合格。

5 经济、社会效益分析

相比蒸养型 UHPC 井盖，添加占水泥质量 1% 的高活性晶化剂后，每方常温养护型 UHPC 成本增加 179.7元，经过市场调研，蒸养型 UHPC 蒸养成本分摊到每方 UHPC 上大概是 200～220 元，这方面每立方节约20.3～40.3 元之间。但是，使用常温养护型 UHPC 可节约蒸养设备投资，一套蒸养设备投资大概 60～80 万元。所以，采用常温养护型 UHPC 制备井盖具备明显的性价比优势。

以主干道上大量使用的 750mm 直径的井盖为例，经过核算，一套 UHPC 井盖（包括井座）的所有生产成本加材料成本是 321.4 元，市场上此类型合格的一套球墨铸铁井盖售价在 750 元及以上，假如一套 UHPC井盖售价为 650 元，具备性价比优势。

UHPC 断裂能为 20000～40000J/m2，这一数值比铸铁还高。铸铁井盖承受超过其破坏荷载的力时，会产生爆炸式破坏，裂成碎片，容易伤到行人或车辆，并会使检查井露出来，形成一个危险源。常温养护 UHPC 井盖即使承受超过其破坏荷载的力时，只会开裂而不会裂成碎片，而且其承载能力并没有损失太多，仍可以暂时使用，就像玻璃中的安全玻璃一样。

另外，UHPC 最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。国外根据理论分析、暴露试验以及实际工程检验结果对 UHPC 结构寿命进行测试，预测其在腐蚀环境中（如海洋环境）可超过 200 年以上；在非腐蚀环境（如城市建筑）可达 1000 年。而相对保守的日本指南则认为，在正常环境下，UHPC 结构的设计工作寿命为 100 年[3]。根据理论和试验研究结果，基本上可以确定：UHPC 没有冻融循环、碱—骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题[4]。一般铸铁井盖的使用年限为 50 年，UHPC 井盖的使用年限为 100 年，可以看出，UHPC 井盖的周期使用成本更低。