超高性能混凝土的制备、性能研究与工程应用

2021-08-06陈逸群

建筑施工 2021年3期

陈逸群

1. 上海建工建材科技集团股份有限公司上海 200086；

2. 上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心上海 201114

随着工程建设的发展，常规混凝土结构自重大、抗拉强度低、易开裂、耐久性低等弱点，在工程结构向大型化和高耐久性方向发展的现实下凸显了出来。在一些大跨度空间结构、薄壁结构、超高层建筑等重大或特种工程领域的应用需求下，超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）已成为国内外学者及工程领域专家关注的热点。

UHPC一般采用水泥、硅灰、高性能减水剂、骨料、纤维以及超低水胶比来实现超高强度和超高韧性。由于存在成本偏高、工艺较复杂、收缩较大以及缺乏完备规范等问题，使得UHPC在工程应用方面仍然受到限制[1-3]。同时，随着工业化进程的加快，基建工程中模具的周转压力增大，但将UHPC应用于混凝土模壳体系的研究鲜有见到。本文针对以上问题开展了常规生产工艺下UHPC的制备技术与性能研究，依托工程应用探索了UHPC模壳的应用前景。

1 试验原材料及测试方法

1.1 原材料及试样的制备

为研究水泥品种对UHPC力学性能的影响，本试验选用了P·Ⅱ 52.5的海螺水泥和小野田水泥。硅灰选用符合DG/T J08-503—2000《高强泵送混凝土生产和施工规程》相关要求的埃肯硅灰。矿粉选用符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》相关要求的S95级矿粉。钢纤维为直径0.18 mm、长度14 mm、抗拉强度2 950 MPa的端钩形钢纤维。外加剂选用符合GB 8076—2016《混凝土外加剂规范》及JC 473—2001《混凝土泵送剂》相关规定的聚羧酸高性能减水剂（ACE8308），减水率大于30%。中砂选用符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》相关要求的级配良好、细度模数约为2.4的天然中砂，含泥量不大于1.0%，泥块含量不大于0.5%。

本研究采用的配合比如表1所示。制备时，先将水泥、硅灰、掺合料、河砂混合干拌1 min形成干混料；再将减水剂和水加入干混料中，搅拌5 min以获得匀质浆体；接着在1 min内加入钢纤维，再搅拌3 min。搅拌结束后，立即进行扩展度和倒锥时间测试，同时浇筑抗压强度试件，1 d后拆模并放入水槽中养护至相应龄期。

表1 UHPC试验配合比

1.2 测试方法

1.2.1 工作性能与力学性能测试

UHPC制备原理是实现纳米级到毫米级材料的最紧密堆积，为提高均质性，一般不使用粗骨料。其扩展度和倒锥时间测试参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。UHPC力学性能测试参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。

1.2.2 早期收缩测试

UHPC早龄期收缩变形采用非接触式混凝土收缩变形测定仪进行测定，测试方法参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，装置如图1所示。

图1 非接触式收缩测定仪

1.2.3 流变性能测试

UHPC的流变性能采用丹麦ICAR混凝土流变仪进行测试。ICAR流变仪可以通过应力增长测试或流变曲线测量混凝土的触变性。试验中采集到的扭矩T和转速N数据需要分别转换成剪切应力τ与剪切速率γ，绘制流变曲线，然后通过数据拟合建立经验流变模型，从而自动计算宾汉姆流变参数，即屈服应力和塑性黏度。ICAR流变仪应力增长测试和流变曲线测试原理如图2所示。

图2 ICAR流变仪测试

2 UHPC性能测试与影响因素分析

表2为固定水胶比和用水量下水泥品种、掺合料和纤维掺量对UHPC工作性能与力学性能的影响。

表2 UHPC的工作性能和力学性能测试

加入适量的掺合料可节约水泥和硅灰，降低成本，并能够改善UHPC的和易性、保水性及外观特征。由表2可知，随着纤维掺量的提高，UHPC的扩展度减小，倒锥时间呈先增后减的趋势。比较抗压强度可以看出在纤维体积掺量小于3%时，UHPC的抗压强度随纤维掺量的提高而增大，这是由于适量的纤维掺量能够阻止基体内微裂缝的产生并抑制了宏观裂缝的发展，从而提高了抗压强度。对比不同龄期强度可知，UHPC早期强度发展特别快，3 d抗压强度最低达到75 MPa左右。

UHPC后期强度增长缓慢的主要原因有两方面，一是由于其UHPC的水胶比仅为0.16，在水化后期，体系内已经没有足够的自由水供水泥水化生成C-S-H凝胶；另一方面是在标准养护环境下，硅灰与水化产物Ca(OH)2所发生的火山灰反应不如加热养护等环境下充分[4]。对比C-2和C-4可知，采用小野田水泥的工作性能与力学性能均优于海螺水泥，这主要与不同品种水泥的化学组成和细度等因素有关。对比C-4和C-5两组试样，采用矿粉部分替代硅灰有利于改善常规养护制度下UHPC的力学性能。UHPC材料中水泥、矿渣粉和硅灰的颗粒大小各不相同，三者按一定比例进行混合，能够形成具有梯度粒径的胶凝材料，这在很大程度上改善了UHPC材料的微结构，提高了混凝土的密实度，优化了混凝土的力学性能。

3 UHPC在模壳体系中的工程应用及性能表征

3.1 工程概况

上海浦东国际机场T3航站楼项目建筑占地面积约68万 m2，总建筑面积约307万 m2。本工程的部分板、次梁和柱模壳为预制构件。预制柱采用圆形直立柱，立柱模板采用预制技术制作成柱模壳，充当圆形直立柱的保护层，再在柱模壳内部绑扎钢筋笼，钢筋笼上的钢筋外表皮与柱模壳内表面接触，最后再往柱模壳内浇筑混凝土。预制柱模壳采用高强UHPC混凝土技术，强度等级≥100 MPa，混凝土采用立式浇筑工艺，高性能混凝土一次性浇筑完成。柱模壳结构高4 500 mm、外径1 400 mm、内径1 330 mm、壁厚35 mm。

在前期试验的基础上，综合考虑UHPC的工作性能、力学性能及成本3个因素，选定C-5作为UHPC预制板的试验配比。中试过程中，通过测定UHPC的流变参数研究常规生产工艺下矿物掺合料与纤维的使用对基体流变性能的影响，为UHPC性能的优化提供依据。同时，采用非接触式收缩测定仪研究了UHPC的体积稳定性，为UHPC的工程应用提供指导。

3.2 流变性能测试

表3为C-5的经时工作性能与流变性能测试结果。由表3可知，UHPC的工作性经时损失较为明显，宜控制UHPC模板的制备时间。随着时间的延长，UHPC的倒锥时间和扩展度达到500 mm的时间（T500）也明显增大。对比流变参数结果可知，UHPC的屈服应力和塑性黏度均较大，这是由基体的流变性能和纤维共同作用的结果。较低的水胶比导致UHPC中颗粒表面水膜层较小、颗粒间作用强，此外较高的减水剂用量导致了间隙液中残余减水剂浓度高，间隙液黏度大，因此，UHPC基体黏度较高。此外，由于UHPC的固体颗粒浓度较高、颗粒间作用力强、纤维易搭接，因而导致流动阻力增大，即屈服应力和塑性黏度增大[5]。在UHPC模壳制备过程中需要改进振动方式，同时辅以消泡组分的引入，可使得UHPC材料更为密实，成形模壳更为美观。

表3 C-5的经时工作性能与流变性能测试

3.3 非接触式收缩测试

由UHPC的早期收缩变形曲线（图3）可知，在UHPC加水2 h内，由于水泥水化产生较大的水化热，导致UHPC发生热膨胀，虽然水化也产生较大的化学收缩，但此时膨胀效应要大于收缩效应，所以测试结果表现为膨胀，最大膨胀率为189.2×10－6。2 h后，收缩曲线发生突变，由膨胀转为收缩，这说明此时基体开始产生较大的收缩，收缩效应开始超过由于水化放热造成的膨胀效应。当龄期为1 d时，UHPC的收缩率为1 282.5×10－6，龄期为3 d时，收缩率为1 465.8×10－6。由此可见，1 d内收缩率占早期收缩率的87.5%。UHPC试件成形初期是水化反应发生最为剧烈的时候，塑性收缩主要发生在混凝土凝结前，化学收缩主要发生在混凝土形成骨架以前，自干燥收缩主要发生在混凝土形成骨架之后。从平均收缩率来看，0～1 d的平均收缩率为53.4×10－6h－1，1～2 d的平均收缩率为4.6×10－6h－1，2～3 d的平均收缩率为3.0×10－6h－1，所以UHPC的早期收缩增长速率呈下降趋势。综合UHPC的收缩测试结果来看，UHPC模壳制备过程中需要注重前期养护，避免早期的收缩开裂[6]。