低水化热高抗裂性高性能混凝土研究

（通号工程局集团建设工程有限公司，湖南长沙 410000）

超高性能混凝土(UHPC)的抗压强度可达150MPa～810MPa，是常规混凝土的3～16倍。掺入钢纤维后，超高性能混凝土的延性和能量吸收率比普通高性能混凝土提高了300倍。超高性能混凝土对二氧化碳、氯化物和硫酸盐几乎是不透水的。其卓越的耐用性导致长期使用寿命与减少维修。增强的耐磨性提供了延长桥梁甲板和工业地板的使用寿命，同时增强的耐腐蚀性提供了对恶劣或恶劣气候条件地区的保护。在成品中大量的未水化水泥提供了在裂化条件下的自愈合潜力。由于超高性能混凝土结构的超高抗压强度，在相同的荷载作用下，超高性能混凝土结构的重量仅为传统混凝土结构的1/3或1/2。这种减轻重量的方法有利于生产更细长的结构，增加高层建筑的可用面积，降低总成本。消除钢筋减少劳动力成本，并提供更大的建筑自由，允许几乎无限的结构成员形状和形式的建筑师和设计师。

1.超高性能混凝土水化性能概述

超高性能混凝土中胶凝材料的水化作用与普通混凝土相似。首先，硅酸盐水泥水合物形成水合硅酸钙和氢氧化钙，然后矿物掺合物(如硅灰)与氢氧化钙反应形成水合硅酸钙(C-S-H)。结果表明，超高性能混凝土中结晶相的含量明显高于普通混凝土中的非晶相含量。这种差异是由于硅灰和粉煤灰含量相对较高引起的火山灰反应。第二水化日后，钙镁石的消耗量明显增加，28d后，钙镁石的消耗量明显低于普通混凝土，说明火山灰反应尚未完成。事实上，即使在超高性能混凝土中28d后 x 射线也没有检测到方解石，这可以解释为这个标本中没有相当大的碳酸化作用。第一和第二水化日内钙矾石含量的变化表明，钙矾石有可能转化为单硫酸盐相，并且有大量的铝酸盐可能进入 x 射线非晶态 C-S-H 相。

2.超高性能混凝土的性能分析

首先，强度是水泥基材料的重要性能之一。超高性能混凝土的压缩强度、拉伸强度和弯曲强度分别为200MPa～800MPa、25MPa～150MPa和30MPa～141MPa，取决于成分、浇注和养护条件。正如预期的那样，施加预凝固压力可以提高超高性能混凝土的强度。超高性能混凝土与纤维的结合强度在4.8MPa～5.5MPa，随着硅灰含量增加到30% 而增加。硅灰对拉出能的增强作用远远大于粘结强度。与无硅灰的基体相比，有30% 硅灰的基体的拔出能提高近100%。从含有大量硅灰的基体中拔出的纤维显示出显著不同的微观结构[1]。超高性能混凝土中钢纤维的拔出行为受基体强度和纤维结构(光滑、平端或弯曲)的影响。最大拉出载荷和总拉出能量都随着基体强度的增加而增加。超高性能混凝土标准室温养护28d后，在高压釜养护24h内即可达到强度要求。经过24h的蒸汽养护，与28d的标准养护相比，大约可以得到15MPa～30MPa 的抗压强度。8H的高压釜硫化使超高性能混凝土的抗压强度超过200MPa。蒸压养护混凝土的抗压强度高于室温水养护试件。然而，高压釜蒸汽养护超过8h会导致抗压强度减少。超高性能混凝土在蒸汽养护6d和12d后的抗压强度明显高于标准养护28d后的水养护。根据粉煤灰含量的不同，蒸汽养护后的超高性能混凝土的强度约为蒸压养护后的超高性能混凝土的89%～126%。在180℃条件下，高压釜养护3H，压缩强度和弯曲强度分别达到200MPa和30MPa。蒸汽和高压釜养护可以降低超高性能混凝土的断裂模数，而蒸汽养护可以显著降低断裂模数。

其次，对于超高混凝土结构的应力和应变关系，是最基本的本构关系，也是混凝土结构非线性分析的必要条件。然而，超高性能混凝土的单轴压应力—应变本构关系的研究还很有限。超高性能混凝土在单轴压缩下的破坏模式与钢纤维混凝土相似。超高性能混凝土的峰值应变随着混凝土强度的增加而显著增加。极限应力与峰值应力相一致，极限应变与峰值应变相一致。在一定的水胶比下，峰值应变随钢纤维含量的增加而增大。当水胶比过高(高达0.24)时，钢纤维含量的增加对试样的韧性影响不大。当水胶比较高时，纤维表面容易形成水膜，导致纤维表面多孔性增强。实验结果表明，超高性能混凝土应力—应变曲线上升分支的弹性比例极限约为超高性能混凝土内部致密均匀结构峰值应力的83%～95%，大于OC(40%～50%)。结果表明，13mm 钢纤维超高性能混凝土的极限应变大于6mm 钢纤维超高性能混凝土的极限应变。超高性能混凝土由于掺入了钢纤维，在达到峰值荷载后仍具有较高的抗弯承载力。使用高炉矿渣还增加了最大弯曲载荷，这归因于基体和纤维之间的结合强度的改善。所有混合料的最大载荷位移在0.42mm～0.49mm，略低于掺渣混合料。

再次，混凝土的韧性是延性和强度的综合。常用的评价混凝土韧性的方法有韧性指数法 ASTM C1018、挠曲韧性系数法 JSCE SF4和 RILEM TC 162-TDF。国家标准CECS 13-2009中的弯曲韧性指数法与美国材料试验协会(ASTM) C1018规定的方法相似。由于钢纤维的抗裂性，钢纤维的含量对超高性能混凝土的韧性有显著的影响。当钢纤维体积分数为3%时，韧性指数(ηC30)提高了80% 以上。两种钢纤维混纺(2% 13mm+1% 6mm)时，极限应变与峰值应变之比最小，或试样的韧性最好。由于基体与纤维之间的结合强度提高，矿物掺合料在所有养护制度中都能提高韧性，标准室温养护提高了18%～46%，蒸汽养护提高了24%～44%，蒸压养护提高了23%～39%。另一个影响超高性能混凝土韧性的因素是养护制度。超高性能混凝土在不同养护制度下的韧性依次为：标准养护>高压釜养护>蒸汽养护，结果表明，三维织物能显著提高水泥基复合材料的韧性，其韧性是短纤维的200倍。正如预期的那样，预凝固压力可以显著提高 UHPC 的韧性[2]。

最后，对于耐冲击性，超高性能混凝土没有钢纤维是非常脆弱的。掺入钢纤维可以提高劈裂抗拉强度和抗弯强度，降低脆性。掺入2%和5% 的钢纤维，其劈裂强度分别为21.9MPa 和31.6MPa。纤维超高性能混凝土的断裂能比OC高4倍。在冲击载荷作用下，随着超高性能混凝土强度的增加，目标试样的穿透深度和弹坑直径总体呈下降抗压强度。然而，这种趋势是非线性的。钢纤维含量的增加减小了弹坑直径和裂纹的扩展，但是对穿透深度没有显著的影响。花岗岩粗集料的存在阻碍了裂纹的扩展，似乎有利于抗冲击性能。热养护并没有显著改变混凝土的抗冲击性。

3.结语

高性能混凝土中粘结剂的水化过程与有机碳中的相似。当超高性能混凝土在90℃以下固化时，胶凝材料水化产生的平均 C-S-H 链长增加。当固化温度提高到250℃时，C-S-H 会脱水形成硬硅钙石。然而，在较低的动态平衡气压下，可以完全抑制结晶水合产物的形成。超高性能混凝土的孔隙率很低，特别是在热固化后。

超高性能混凝土的压缩强度、拉伸强度和弯曲强度可分别达到200MPa～800MPa、25MPa～150MPa和30MPa～141MPa。预凝固压力和热固化可以提高超高性能混凝土的抗压强度。超高性能混凝土在单轴压缩下的破坏模式与钢纤维钢筋混凝土相似。然而，超高性能混凝土的应力—应变曲线上升支路的弹性比例极限大于OC。预凝压力、热养护和掺入矿物掺合料可以提高超高性能混凝土的韧性。最高韧性是在标准室温养护28d后达到的，蒸汽养护的韧性最低。掺加矿物掺合料可提高标准室温养护后的韧性。超高性能混凝土没有钢纤维是非常脆弱的。掺入钢纤维可以提高超高性能混凝土的屈服劈裂强度。