低温环境下UHPC的性能研究及工程应用

黄有强，陈露一，李信，张志豪，郑丽

（1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034；2.中铁桥研科技有限公司，湖北 武汉 430034；3.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是21世纪最具创新性的新型建筑工程材料。目前，关于UHPC的性能研究越来越广泛，应用技术也越来越成熟。牛旭婧等[1]研究了养护制度对UHPC性能的影响，结果表明，热水-干热组合养护可显著提高UHPC的力学性能，UHPC内部生成了更加致密的C-S-H凝胶和少量托勃莫来石、硬硅钙石晶体。朋改非等[2]研究了UHPC的抗高温爆裂性能，结果表明，含粗骨料超高性能混凝土的抗高温爆裂性能优于活性粉末混凝土。王俊颜等[3]研究了UHPC的应变强化性能、裂缝控制机理，结果表明，UHPC具有高抗拉强度和“类金属”拉伸应变强化性能，在强化段区间内通过多点微裂纹均布开展的形式来平衡等量变形，表现出优异的裂缝宽度控制能力。王思雨等[4]开展了UHPC材料低环境负荷制备、功能设计与调控，结果表明，钢渣粉的掺入可改善UHPC的工作性能，且对抗压强度和抗氯离子渗透性能影响不大。黄有强等[5]研究了UHPC在硫酸盐溶液中浸泡养护、冻融循环、干湿循环、冻融-干湿循环耦合作用下的性能变化规律，结果表明，UHPC具有优异的抗硫酸盐侵蚀性能。张志豪等[6]通过加速劣化试验方法研究了UHPC在模拟海洋侵蚀环境下的力学和耐久性能，结果表明，海水养护对UHPC影响不大，干湿循环作用下UHPC表面露出的钢纤维锈蚀，但内部结构无损伤，钢纤维与基体结合紧密。中铁桥研科技有限公司的研究人员[7-11]开展了太原摄乐桥、蒙华铁路洞庭湖大桥、军山长江公路大桥、沪通长江大桥主航道桥、宜昌长江公路大桥等多项UHPC的应用与实践。

随着UHPC的应用范围越来越广泛，其应用环境也越来越复杂，但现有文献关于UHPC低温性能的研究较少。我国幅员辽阔，北方地区最低月平均气温低于0℃的月份可能达到3个月或更久，UHPC应用过程中不可避免会遇到此类低温环境，研究低温环境下UHPC的性能发展规律对UHPC的应用实践具有重要意义。本文研究了UHPC在凝结硬化和强度发展的关键时期，在标养后低温养护或低温养护后标养的低温作用下的强度发展规律；研究了UHPC硬化后的长期抗冻性能；介绍了UHPC实际工程应用中的低温防护措施及应用效果，可为UHPC的实践应用提供技术参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：娲石水泥集团有限公司，P·Ⅱ52.5水泥，标准稠度用水量25%，初、终凝时间分别为210、300 min，28 d抗折、抗压强度分别为9.4、54.9 MPa，主要化学成分见表1。

（2）核心料：出于配方保密和现场施工方便的要求，采用由中铁桥研科技有限公司自主研发的HX120型核心料，核心料中包含多种矿物掺合料和化学添加剂，其中粉体聚羧酸高性能减水剂掺量为胶凝材料质量的1.2%～1.5%。核心料细度（45μm方孔筛筛余）8.5%，含水量0.1%，需水量比68%，7d抗压强度比185%，主要化学成分见表1。

表1 水泥和核心料的主要化学成分 %

（3）石英砂：蕲春某厂家生产的机制高品质石英砂，SiO2含量98.9%，由20～40目、40～70目2种粒径按4∶6的质量比混合使用，混合后的石英砂细度模数为2.3。

（4）钢纤维：山东某公司生产的镀铜钢纤维，规格为Ф0.2 mm×13 mm，抗拉强度2800 MPa，形状合格率98%。

（5）水：自来水。

1.2 UHPC的配合比

本研究总结了国内外技术人员的UHPC设计方法，提出了基于响应面分析法和最紧密堆积理论的UHPC配合比设计方法[12-13]，其中UC120的配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（核心料）∶m（石英砂）∶m（钢纤维）∶m（水）=800∶300∶1000∶200∶200。

1.3 试验方法

1.3.1 低温环境模拟

在GB/T50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》、JGJ/T 3310—2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》和TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中均提到：冻融环境按当地最冷月平均气温划分为微冻地区（-3℃≤t≤2.5℃）、寒冷地区（-8℃＜t＜-3℃）和严寒地区（t≤-8℃）。根据气温划分条件，结合实际应用情况，试验温度分别取5、0、-5、-10℃。

低温养护试验用来研究UHPC在凝结硬化和强度发展的关键时期的耐低温性能。低温养护环境通过低温试验箱来实现，低温试验箱温控精度为±2℃。低温试验分2种情形：一种是试件成型后在标准养护条件[温度（20±2）℃，相对湿度＞95%]下养护至特定龄期后进行低温试验，这种情况下的试验温度分别取5、0、-5、-10℃；另一种是试件成型后直接放入低温环境中养护至特定龄期后取出拆模再进行标准养护，这种情况下的试验温度分别取5、0、-5℃。采用100 mm×100 mm×100 mm试件，经过低温养护后进行抗压强度测试，计算强度耐蚀系数（试验组与标准养护的空白组抗压强度比值）。同时，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试UHPC硬化后的长期抗冻性能。

1.3.2 低温冻融循环试验

农业植保是现代农业生产中的必然环节，但是传统的农业植保方式已经不能满足农业生产需求，而在小型无人机设备的使用下，能够对各区域进行规范化作业，弥补人工植保、机械植保的不足。同时，要想更好地展现无人机设备在农业植保中的地位，则需不断优化无人机结构、提高无人机质量、优化植保手段等，为农业生产创造有利条件。

低温冻融循环试验参照GB/T 50082—2009中快冻法进行。采用100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm试件，将试件置于标准养护室养护至7 d后开始试验[5]，试验环境分为空气（不加任何溶液）、清水，测试1000个循环。因UHPC性能优异，每100个循环测试1次动弹性模量和质量，计算相对动弹性模量和质量损失率；每200个循环测试1次抗压强度，计算强度耐蚀系数。

2 结果与分析

2.1 标养后低温养护试验

UHPC成型后分别标养至1、3、7 d后进行5、0、-5、-10℃低温养护试验，同时进行持续标养和持续低温养护试验，养护总龄期为120 d，测试各龄期试件的抗压强度，计算强度耐蚀系数，结果如图1～图4所示。

由图1～图4可知，持续标养至28 d时UHPC的抗压强度为143.5MPa；5℃低温环境下，UHPC持续低温养护及标养1、3、7 d后低温养护至28 d抗压强度分别能达到112.9、116.8、121.3、129.0 MPa，强度耐蚀系数分别为78.7%、81.4%、84.5%、89.9%。0℃低温环境下，UHPC持续低温养护及标养1、3、7 d后低温养护至28 d抗压强度分别能达到103.8、107.9、117.1、126.9 MPa，强度耐蚀系数分别为70.9%、73.7%、79.9%、86.6%。-5℃低温环境下，UHPC持续低温养护及标养1、3、7 d后低温养护至28 d抗压强度分别能达到23.2、99.1、112.8、121.4 MPa，强度耐蚀系数分别为16.2%、69.1%、78.6%、84.6%。-10℃低温环境下，UHPC标养1、3、7 d后低温养护至28 d抗压强度分别能达到86.2、114.0、123.5 MPa，强度耐蚀系数分别为59.7%、78.9%、85.5%。

试验结果表明，UHPC在经过短时间（7d以内）的标养后，置于5℃或0℃的低温下养护，强度仍能持续发展，28 d后逐渐趋于稳定；置于-5℃或-10℃低温下养护，强度发展缓慢甚至停止增长；低温养护对各龄期强度发展均有一定的影响，且温度越低影响越大。因此，在UHPC的工程应用过程中应避免在日最低气温-5℃以下的环境条件施工，否则必须采取保温养护措施，在20℃养护温度下养护7 d以上，则可以保证UHPC的抗压强度达到标养抗压强度的85%以上。

2.2 低温养护后标养试验

UHPC成型后放入低温试验箱分别养护至1、3、7 d后进行标养，同时进行持续标养和持续低温养护试验，养护总龄期为120 d，测试各龄期试件的抗压强度，计算强度耐蚀系数，结果如图5～图7所示。

由图5～图7可知，UHPC在5℃环境下持续低温养护及低温养护1、3、7 d后标养至28d抗压强度分别能达到112.9、139.5、135.2、130.4 MPa，强度耐蚀系数分别为78.7%、97.2%、94.2%、90.9%。UHPC在0℃环境下持续低温养护及低温养护1、3、7 d后标养至28 d抗压强度分别能达到103.8、135.2、131.2、128.5 MPa，强度耐蚀系数分别为70.9%、92.3%、89.6%、87.7%。UHPC在-5℃环境下持续低温养护及低温养护1、3、7 d后标养至28 d抗压强度分别能达到23.2、130.9、121.3、108.5 MPa，强度耐蚀系数分别为16.2%、91.2%、84.5%、75.6%。

试验结果表明，UHPC在经过短时间（7 d以内）的5℃或0℃低温养护后再进行标养，强度能持续发展并逐步赶上标养试件强度，28 d强度耐蚀系数都在90%左右，60 d强度耐蚀系数能达到100%左右。而经过-5℃低温养护后再进行标养，UHPC试件强度虽能持续发展，但随着龄期延长，低温养护产生的影响并不能完全消失，低温养护3、7 d后标养至120 d强度耐蚀系数分别只有95.5%、91.5%，低温作用时间越长，强度耐蚀系数越低。因此，在UHPC的工程应用过程中应避免在日最低气温-5℃以下的环境条件施工，UHPC浇筑或强度发展过程中，若遇到短时间的-5℃及以上的低温作用，UHPC的强度仍能持续发展，长龄期强度可以达到标养强度。

2.3 低温冻融循环试验

UHPC拆模后标养至7 d开始进行低温冻融循环试验，相对动弹性模量、质量损失率、抗压强度以及强度耐蚀系数的变化如图8、图9所示。

由图8、图9可知，随着冻融循环次数增加，UHPC在空气和清水中的相对动弹性模量整体呈增大趋势，质量基本无损失；抗压强度先提高后降低，在400次冻融循环时达到最高，由于标准养护抗压强度持续提高，强度耐蚀系数逐渐减小。UHPC经过1000次冻融循环后，在空气和清水中相对动弹性模量分别增大至105.7%、106.5%，抗压强度分别达到132.5、133.7 MPa，强度耐蚀系数分别降至85.2%、86.0%，试件表面完好，无破损。UHPC在空气和清水中冻融循环后的性能差异不大，在清水环境中的性能略好于在空气中的。GB/T 50476—2019中对设计使用寿命100年的混凝土结构抗冻耐久性指数的要求是DF300≥80%且质量损失率≤5%，UHPC抗冻性能完全满足设计要求。

混凝土在饱水状态下受冻融循环作用时，孔隙水在结冰和融化过程中会产生体积膨胀和收缩，从而在混凝土内部形成交变作用的应力，混凝土在这种内应力的长期作用下会出现微裂缝，进而形成结构损伤，最终导致剥蚀破坏[14]。UHPC在空气和清水中冻融循环后的性能差异不大，这表明UHPC结构致密，环境中的水分很难进入结构内部而对混凝土结构产生冻胀破坏，相反清水环境中水分还有助于UHPC水化进程的持续进行。

3 工程应用

3.1 冬季施工措施

根据JTG/T3650—2020《公路桥涵施工技术规范》的规定，当室外昼夜日平均气温连续5d稳定低于5℃时，混凝土工程应采取冬季施工措施。

在UHPC的工程应用过程中，可通过对原材料储存与拌合、UHPC运输与浇筑、UHPC早期养护等多方面采取加热或保温措施，来保证UHPC在低温环境中的施工质量。UHPC原材料储存与拌合方面，可将UHPC预混料堆放在厂房或暖棚内，用热风进行加热，将UHPC预混料温度提升到10℃以上；UHPC拌合过程中，UHPC拌合水可采用加热棒加热，拌合水温不超过60℃，UHPC出机温度不低于10℃。UHPC运输与浇筑过程中，混凝土罐车应有保温措施，UHPC入模温度不低于5℃。UHPC早期养护过程中，可以采用蓄热法或加热法养护，蓄热法养护温度不低于10℃，加热法养护温度不低于8℃，养护时间以UHPC抗压强度达到设计强度的75%的时间为准。

3.2 工程应用实践

（1）太原市摄乐桥：采用独塔空间扭索面斜拉桥结构形式，跨径布置为（30+150+150+30）m，斜拉索布置形成空间曲面。主桥钢桥面采用60mmUC135+40mmSMA10+40mmSMA13的铺装结构，铺装面积11 150 m2。UHPC浇筑时间为2016年10月23日～2016年11月17日。

（2）延崇高速太子城1号桥：该桥左幅为三塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布置为（50+100+100+50）m，右幅为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布置为（25+60+120+60+25）m。钢箱梁桥面采用50 mmUC120+30 mmSMA10的铺装结构，铺装面积7830 m2。UHPC浇筑时间为2019年9月19日～2019年10月8日。

（3）廊坊光明道立交桥：主桥为连续钢桁梁桥，跨径布置为（118+268+118）m变高度钢桁梁。主桥钢桥面采用50mm UC120+30mmSMA10的铺装结构，铺装面积10879 m2。UHPC浇筑时间为2021年11月4日～2021年11月27日。

3个项目中UHPC在低温环境下的养护措施及养护效果如表2所示。

表2 UHPC在低温环境下的应用及养护措施

4 结论

（1）UHPC在经过短时间（7 d以内）的标养后，置于5℃或0℃的低温下养护，强度仍能持续发展，28 d后逐渐趋于稳定；置于-5℃或-10℃低温下养护，强度发展缓慢甚至停止增长；低温养护对各龄期强度发展均有一定的影响，且温度越低影响越大。

（2）UHPC在经过短时间（7 d以内）的5℃或0℃低温养护后再进行标养，UHPC强度能持续发展并逐步赶上标养试件强度，28 d强度耐蚀系数都在90%左右，60 d强度耐蚀系数能达到100%左右。而经过-5℃低温养护后再进行标养，UHPC试件强度虽能持续发展，但低温养护产生的影响并不能完全消失，低温养护3、7 d后标养至120 d强度耐蚀系数分别只有95.5%、91.5%，低温作用时间越长强度耐蚀系数越低。

（3）UHPC经过1000次冻融循环后，在空气和清水中相对动弹性模量分别增大至105.7%、106.5%，抗压强度分别达到132.5、133.7 MPa，强度耐蚀系数分别降至85.2%、86.0%，试件表面完好，无破损。UHPC在空气和清水中冻融循环后的性能差异不大，清水环境中性能略好于空气中。

（4）在UHPC的工程应用过程中，可通过对原材料储存与拌合、UHPC运输与浇筑、UHPC早期养护等多方面采取加热或保温措施，来保证UHPC在低温环境中的施工质量。通过采取必要的加热或保温措施，太原市摄乐桥、延崇高速太子城1号桥及廊坊光明道立交桥的同条件养护试件强度均能达到标养试件的80%以上，均满足设计要求。