中热及低热水泥配制超高性能混凝土的研究

郑丽，陈露一，石俊华，龚玉杰，李承福

（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）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一种纤维增强水泥基复合材料，结合了高性能混凝土和纤维复合材料的性能特点，具有超高的强度、耐久性和韧性。相较于普通混凝土，UHPC中胶凝材料用量大，在水化早期会释放出更多的热量，此时混凝土尚处于塑性阶段，抗裂性能较差，若热量不能尽快散发出去，混凝土内部便容易产生温度裂缝，甚至造成表面开裂的现象。因此，UHPC常应用于钢桥面板铺装或局部修补加固等薄壁、小体积结构中，在大体积混凝土结构中应用较少[1-4]。

采用低热硅酸盐水泥或增大矿物掺合料掺量，从而控制混凝土胶凝材料水化放热量，减少温度裂缝，是配制大体积混凝土的有效途径[5-7]。低热硅酸盐水泥（简称低热水泥）具有水化热低、需水量小、体积稳定性好、抗硫铝酸盐侵蚀能力强、后期强度高等特点[8-10]。目前针对低热水泥的研究主要集中在配制大体积普通混凝土方面。因此，本文采用中热硅酸盐水泥（简称中热水泥）、低热水泥替代普通硅酸盐水泥（简称普硅水泥）制备UHPC，对中热水泥、低热水泥、大掺量矿物掺合料制备的UHPC水化放热、力学性能和体积稳定性进行研究，为配制大体积UHPC的研究提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：嘉华特种水泥股份有限公司生产的42.5级低热硅酸盐水泥及42.5级中热硅酸盐水泥，娲石水泥集团有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥，3种水泥的物理力学性能见表1，主要矿物组成见表2。

表1 水泥的物理力学性能

表2 水泥的主要矿物组成 %

（2）核心料：自主研发，HX120型，由多种矿物掺合料、高效减水剂以及其他功能助剂预混制成，其中矿物掺合料占比约为85%，各材料均采用粉状，核心料的需水量比为68%，含水量为0.1%，主要化学成分如表3所示。

表3 核心料的主要化学成分 %

（3）石英砂：黄冈某公司生产的水洗烘干石英砂，SiO2含量98.2%，由20～40目、40～70目2种粒径按4∶6的质量比配合使用，混合后石英砂的细度模数为2.2。

（4）钢纤维：山东某公司产镀铜钢纤维，规格为Φ0.2 mm×13 mm，抗拉强度2800 MPa，形状合格率98%。

（5）水：自来水。

1.2 混凝土配合比

按照表4配合比，分别采用低热水泥、中热水泥、普硅水泥配制UHPC，编号分别为UHPC-L、UHPC-M、UHPC-W；编号UHPC-MA在UHPC-W配合比基础上减少了水泥用量，增加了核心料与细骨料用量，提高了配合比中矿物掺合料掺量，作为大掺量矿物掺合料混凝土对照组；4组混凝土扩展度按（600±10）mm控制，将试块置于标准养护室养护至规定龄期后进行性能测试。

表4 超高性能混凝土的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

因低热水泥凝结时间较长，所有混凝土试件在实验室[温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%]覆膜养护2 d后再拆模移入标准养护室[温度（20±2）℃、相对湿度≥95%]中，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》和GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》对4组混凝土的力学性能进行测试，其中抗压强度试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，劈裂试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，测试结果不乘尺寸换算系数。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》中自收缩和干燥收缩试验方法对体积稳定性进行测试，自收缩从初凝开始测试7 d（168 h），干燥收缩试件拆模后包裹保鲜膜，置于温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的实验室内干燥养护7 d后拆除保鲜膜开始测试，测试至84 d。按照GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》对混凝土胶材组分进行水化热测试。同时为了进一步了解低热水泥水化过程中对UHPC其内部温度的影响特点，按照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》对UHPC-L和UHPC-W两组混凝土进行绝热温升测试。

2 结果与分析

2.1 UHPC的力学性能对比

分别采用低热水泥、中热水泥、普硅水泥、高矿物掺合料配制UHPC的抗压及劈裂抗拉强度如图1、图2所示。

图1 不同水泥配制UHPC的抗压强度

图2 不同水泥配制UHPC的劈裂抗拉强度

由图1可知，养护早期4组UHPC的抗压强度发展迅速，14 d后抗压强度增长较为平缓。UHPC-W组混凝土各龄期抗压强度最高，其28、56 d抗压强度分别为144.0、149.5 MPa；其他3组UHPC抗压强度相差不大，相较于UHPC-W组混凝土早期强度发展较慢，养护至14 d龄期时，抗压强度才增长至120 MPa左右，养护到56 d龄期时，3组UHPC的抗压强度由高到低分别为UHPC-MA>UHPC-L>UHPC-M，56 d抗压强度分别为142.8、138.0、136.3 MPa。

由图2可知，4组UHPC劈裂抗拉强度与养护龄期呈正相关性，与抗压强度相似，混凝土在养护早期劈裂抗拉强度发展迅速，14 d后劈裂抗拉强度增长较为缓慢。UHPC-W组混凝土各龄期劈裂抗拉强度最高，28 d劈裂抗拉强度达到23.4 MPa。UHPC-M组、UHPC-L组混凝土的28 d劈裂抗拉强度分别为17.8、19.2 MPa，低于UHPC-MA组（19.7 MPa）。

由于普硅水泥、中热水泥、低热水泥因组成成分不同，其水化速度也不相同，普硅水泥中水化速率快的C3S和C3A矿物组分含量多，水化早期形成的C-S-H胶凝多，强度发展快，而中、低热水泥中C2S矿物组分含量较多，具有早期水化速率慢，后期强度增长率高的特点。因此，在养护的前3 d龄期，UHPC-W组混凝土强度增长率更大，而UHPC-M、UHPC-L组混凝土养护至14 d龄期时抗压强度才超过120 MPa，劈裂抗拉强度超过15 MPa。UHPC-MA组混凝土中，水泥用量减少、矿物掺合料用量增加，混凝土水化速率降低，因此基体早期强度增长变慢，后期随着水泥进一步发生水化反应、矿物掺合料的火山灰反应加剧以及细小颗粒的填充效应，使混凝土基体结构更加密实，抗压强度和劈裂抗拉强度增长高于UHPC-M和UHPC-L组。

总的来说，中、低热水泥配制UHPC或降低水泥用量都会使UHPC的抗压强度和劈裂抗拉强度降低，其中低热水泥或降低水泥用量配制UHPC对混凝土力学性能的影响程度相近，中热水泥配制UHPC对混凝土力学性能的降低最显著。

2.2 UHPC的收缩性能对比

分别采用低热水泥、中热水泥、普硅水泥、高矿物掺合料配制UHPC的自收缩如图3所示，干燥收缩如图4所示。

图3 不同水泥配制UHPC的自收缩

由图3可知，初凝至10 h，4组UHPC的自收缩增长迅速，其中UHPC-W组混凝土的自收缩最大，UHPC-L组混凝土的自收缩最小。4组UHPC的自收缩达到最大值后均有小幅回落，然后又呈现缓慢增长的趋势，至168 h时，UHPC-L、UHPC-M、UHPC-MA、UHPC-W的自收缩分别增长至309×10-6、499×10-6、769×10-6、771×10-6，UHPC-W与UHPC-MA组的自收缩相近，高于另外2组，UHPC-L组混凝土的自收缩最小，仅为UHPC-W组自收缩的40%。

UHPC自收缩经时曲线仍符合普通混凝土两阶段发展规律。在第一阶段自收缩快速发展阶段（初凝后～24 h），相对于UHPC-L组与UHPC-M组，UHPC-W组混凝土在水化早期混凝土水化更迅速且放热量大，基体内自干燥以及孔隙内相对湿度下降较快，收缩量增长快且大，因此在此阶段UHPC-W组混凝土的自收缩较高。在第二阶段自收缩稳定发展阶段（24～168 h），胶凝材料水化仍持续进行，自干燥作用依旧存在。但因UHPC的强度开始迅速提高，对于混凝土体积变形的约束增强，所以自收缩的增长速率远远小于第一阶段。随龄期延长，自收缩的增幅越来越小，在140 h后趋于稳定。UHPC中水泥用量远高于普通混凝土，且水胶比低，仅部分水泥参与水化，未参与水化部分以最紧密堆积的方式填充于基体中[11]。UHPC-MA组混凝土虽然部分水泥被矿物掺合料和细砂替代，水泥用量减少，早期水化速率降低，但UHPC中参与水化反应的水泥用量充足，随着水化反应时间的延长，矿物掺合料火山灰反应加剧，基体中Ca（OH）2浓度降低，促使了矿物熟料进一步水化反应，混凝土自收缩变形增大，因此在养护后期，UHPC-MA组混凝土自收缩逐渐接近UHPC-W组。

由图4可知，4组UHPC的干燥收缩变化趋势相似，均是早龄期增长较快，到28 d龄期时基本趋于稳定，UHPC-M组混凝土的干燥收缩最大，然后依次是UHPC-L组、UHPC-W组和UHPC-MA组，28 d干燥收缩值分别为445×10-6、405×10-6、326×10-6、316×10-6；而从28d龄期延长到84 d龄期，4组混凝土的干燥收缩分别增长了7.9%、9.9%、9.8%、7.9%。

图4 不同水泥配制UHPC的干燥收缩

从上述结果可知：UHPC的长龄期干燥收缩会在较短时间内趋于稳定，这主要和其自身的材料组成和结构有关[12-14]，UHPC早期水化反应较快，使得混凝土内部快速形成致密的结构体系，在标准养护7 d后，混凝土内部的结构已经相当致密，使其在干燥状态下的失水变得较为困难，在干燥状态下的失水也仅仅只能让其表层结构中毛细孔中的水分散失，因此就使得混凝土在干燥状态下的收缩可较快稳定。由于水泥中的熟料成分不同，中、低热水泥相较于普硅水泥水化反应缓慢且持续时间长，基体强度相对较低且孔隙率大，混凝土在干燥状态下更容易产生收缩形变，因此，UHPC-L组和UHPC-M组混凝土在各龄期的干燥收缩高于UHPC-W组、UHPC-MA组。

将混凝土的168 h自收缩与84 d干燥收缩相加后得到UHPC的总收缩，由小到大依次为UHPC-L组＜UHPC-M组＜UHPC-MA组＜UHPC-W组，总收缩分别为754×10-6、979×10-6、1110×10-6、1129×10-6。通过收缩试验可知，采用中、低热水泥配制UHPC可以显著减小混凝土的自收缩，但会增大混凝土的干燥收缩，相较于普硅水泥，中、低热水泥配制的UHPC总收缩减小，其中低热水泥配制的UHPC总收缩最小，比普硅水泥配制的UHPC减小了33%。降低UHPC水泥用量可以在一定程度上减小混凝土的自收缩与干燥收缩，但改善效果较弱，总收缩与普硅水泥组UHPC相差不大。

2.3 不同水泥配制UHPC胶凝体系热学性能对比

4组UHPC胶凝材料的水化放热曲线如图5所示。

图5 不同水泥配制UHPC的水化热对比

由图5可知，4组UHPC胶凝材料的单位质量放热量由大到小依次为UHPC-W组＞UHPC-MA组＞UHPC-M组＞UHPC-L组，同时UHPC-W组混凝土最先到达单位质量放热最大功率，UHPC-L组混凝土放热功率最低且最晚到达最大功率。由此可知，采用中、低热水泥或者增大矿物掺合料用量减少水泥用量配制UHPC，可以延缓混凝土的水化反应速率，同时降低单位质量胶凝材料的放热量，其中，低热水泥在降低UHPC水化热方面效果最显著。提高矿物掺合料掺量、降低水泥用量配制UHPC对混凝土降低水化热的效果与采用中热水泥配制UHPC的效果相当。

为了进一步了解低热水泥配制UHPC对胶凝体系水化热的影响，对UHPC-L组和UHPC-W组进行绝热温升对比试验，测试水泥水化过程中混凝土的绝热温升变化，结果如图6所示。

图6 低热水泥与普硅水泥配制UHPC的绝热温升对比

由图6可知，2组混凝土的绝热温升变化趋势相同，早期混凝土中心温度上升缓慢，随后迅速增长至最高值，最后趋于稳定。采用低热水泥配制的UHPC-L组混凝土绝热温升温峰出现在入模52 h，达到73℃，出现温峰时间较普硅水泥UHPC-W组混凝土明显延长，这是因低热水泥中以C2S为主导矿物设计，C2S单矿物水化热约为同龄期C3S水化放热量的40%[15]，有效延缓了水泥的早期水化放热速率，对降低混凝土绝热温升有积极作用。但随着越来越多的胶凝材料参与水化反应，放热量增加，混凝土内部温度逐渐升高到普硅水泥UHPC-W组最高温度，因此，单纯地采用低热水泥配制UHPC来降低混凝土绝热温升效果有限。

3 结论

（1）采用普硅水泥配制的UHPC力学性能最好，28 d抗压及劈裂抗拉强度分别为144.0、23.4 MPa；采用中、低热水泥配制的UHPC力学性能低于大掺合料组UHPC，56 d抗压强度分别为136.3、138.0 MPa，28 d劈裂抗拉强度分别为17.8、19.2 MPa，其中采用低热水泥配制的UHPC力学性能优于采用中热水泥配制的UHPC。

（2）采用中、低热水泥配制UHPC可以降低混凝土的自收缩，但会增大混凝土的干燥收缩，相较于普硅水泥，采用中、低热水泥配制的UHPC自收缩和干燥收缩的收缩总量是减小的，且低热水泥的效果优于中热水泥，低热水泥配制的UHPC总收缩量比普硅水泥组降低了33%。增大矿物掺合料掺量配制UHPC能降低混凝土的早期自收缩量，在降低长龄期干燥收缩方面效果不太明显。

（3）采用中、低热水泥配制UHPC可以降低混凝土的水化速率，同时延缓到达最大水化速率的时间，对减少单位质量胶凝材料的放热量效果明显，中、低热水泥在降低UHPC水化热方面相差不大。提高矿物掺合料掺量配制UHPC能有效降低混凝土的水化放热量，但效果弱于中、低热水泥。

（4）低热水泥配制UHPC可以延缓绝热温升峰出现的时间及早期水化放热速率，但养护2 d后，混凝土内部温升并未降低，与普硅水泥配制的UHPC温升相同，单纯地采用低热水泥配制UHPC来降低混凝土绝热温升效果有限。