煮沸吸水-热干养护对超高性能混凝土强度和收缩率的影响

2022-05-25孙义牛陈方博吴霞刘锦

常州工学院学报 2022年2期

孙义牛，陈方博，吴霞，刘锦

(沙索(中国)化学有限公司，江苏南京 210047)

超高性能混凝土(UHPC)是近年来最具创新性的水泥基工程材料，它通常由水泥、活性掺和料和各种外加剂组成，具有超高的力学性能和耐久性能，在公路桥梁、维修加固、外墙装饰板等领域有着广阔的应用前景。抗折抗压强度和自由收缩率是UHPC综合性能的重要指标，相关研究者采用各种方法来提升UHPC的综合性能。王冲等[1]采用了常规材料(水泥、活性掺和料、骨料和外加剂等)和普通工艺(自然养护或蒸汽养护)制备出了150～200 MPa的UHPC。目前国内外已知抗压强度最高的UHPC是法国拉法基公司在1994年研发，通过在成型阶段采用热蒸压工艺，使UHPC试块的抗压强度最高可达673 MPa[2]，但是该工艺只能在实验室中完成，无法实用化。

养护方法和养护过程对UHPC的性能影响十分明显。高小建等[3]发现微波养护可以加速水化反应，提升UHPC的早期强度。欧阳利军等[4]发现采用洒水-干热(105 ℃)组合养护和热水-干热组合养护的立方体试块分别在348、370 ℃的高温作用下发生爆裂，且这两种组合养护方式下的试块抗压强度相较于单一洒水养护和单一热水养护方式的试块分别降低36.73%和14.56%。尚亚杰[5]发现UHPC试块采用热水-干热组合养护后，抗压强度可以达到209.7 MPa,劈裂抗拉强度达到10.1 MPa。刘莹[6]发现热水-干热组合养护通过加速水泥水化和火山灰反应，提高了UHPC微观结构的密实度,进而改善了UHPC的力学性能。牛旭婧等[7]发现热水-干热组合养护是一种新的抑制爆裂方法。总体来说，目前国内对养护方法的研究多集中在水养、蒸养等方式，对其他种类的养护方式和组合养护方式研究不多。本文为了提升UHPC的抗压抗折强度和抗收缩性能，首先对脱模后试块进行煮沸吸水，后进行热干养护，研究这种养护方式对UHPC的力学强度和收缩性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料

实验用原材料的名称、厂家和规格见表1，金隅P·II 52.5R水泥的物性见表2，钢纤维和PVA纤维的物性见表3。

表1 实验所用的原材料

表2 北京金隅P·II 52.5R水泥物性

表3 钢纤维和PVA纤维的物性

1.2 搅拌和养护方法

按照表4和表5进行配料，后将预混料、减水剂和水投入到强制式搅拌机中，搅拌10 min，后倒入纤维，搅拌5 min，保证纤维分散均匀。试块成型后，在室温20 ℃下，覆膜养护24 h后脱模。No.1与No.3采用常规蒸汽养护(85 ℃)养护48 h，No.2与No.4先进行煮沸吸水处理30 min，后进行热干养护(180 ℃)24 h。

表4 预混料配合比 g

表5 UHPC配合比 g

1.3 测试项目和测试方法

测试项目、试块尺寸和参考标准见表6。

表6 测试项目和测试方法

1.4 未水化水泥比例和空隙率表征

1.4.1 EPMA表征样块制作

养护结束后，按照图1所示，沿着与三联模接触的底面截取25 mm×25 mm×5 mm小块。接着在小块表面涂抹树脂、打磨表面，最后在其表面进行碳气相沉积，EPMA表征用样块制作完成。

图1 EPMA分析用试块示意图(单位：mm)

1.4.2 EPMA分析

用EPMA(型号：岛津EPMA-1720)放大到5 mm级别，观察测试样块的表层(距表面1 mm处)与内部(距表面15～20 mm处)的反射图像。反射图像的灰度代表不同的物质，利用灰度之间的差异，可以计算出未水化水泥的比例和空隙率。

2 实验结果与分析

2.1 抗折抗压强度

抗折抗压强度结果见表7。No.1与No.2都采用了钢纤维，No.2养护后的抗折强度比No.1增加了22%，抗压强度则增加了57%。No.3与No.4都采用了PVA纤维，No.4养护后的抗折强度比No.3增加了38%，抗压强度则提升了38%。从上述分析可知，相比于常规蒸汽养护，试块脱模后采用煮沸吸水和热干养护可以显著提升抗折与抗压强度。

表7 抗折抗压强度结果

2.2 收缩性

自由收缩率结果见表8。脱模后养护中，No.2的自由收缩率比No.1降低了84%，No.4的自由收缩率比No.3降低了95%。养护结束后，No.2的总自由收缩率比No.1低61%，No.4比No.3低40%。从上述分析可知，相比于常规蒸汽养护，试块脱模后采用煮沸吸水和热干养护可以显著降低自由收缩率。

表8 自由收缩率结果 (×10-6)

2.3 未水化水泥比例和空隙率

No.1～No.4的EPMA的电子反射图像，如图2所示。

(a)No.1 (b)No.2

根据EPMA反射图像计算出硬化后未水化水泥比例和空隙率见表9，比较No.1与No.2、No.3与No.4，可以看出，试块经过煮沸和热干养护后，表层和内部的未水化水泥比例和空隙相比普通蒸汽养护都明显降低，这是由于脱模后首先进行了煮沸吸水，试块的表层和内部都充分吸水，后在热干养护中未水化水泥进一步水化反应，水化产物填埋空隙，因此未水化水泥和空隙率都明显降低，抗折与抗压强度大幅度提升，收缩率明显降低。