超高性能混凝土UHPC力学性能及应用介绍

刘四洋

西卡（中国）有限公司江苏苏州215121

摘要：目前，我国的科学技术发展十分迅速，介绍了超高性能混凝土(UHPC)的研究背景和发展历程，UHPC在国内外的实际工程应用。对超高性能混凝土的配制原理、材料性能以及制备工艺进行概述，简单介绍了在UHPC领域进行的尝试和探索，并针对现阶段UHPC应用的局限性，提出了一些建设性的方案，最后对UHPC的发展前景进行了展望。

关键词：UHPC；制备工艺；工程应用；材料特性

1UHPC的发展历程

超高性能混凝土（UltraHighPerformanceConcrete,UHPC）是一种新型的水泥基材料。其原材料主要由水泥、超细颗粒、细骨料、纤维和高效减水剂组成。通过掺加超细活性颗粒和高效减水剂，达到提高材料密实性和低水胶比的目的，从而改善混凝土材料的性能。对新型水泥基材料的研究可以追溯到上个世纪，早在70年代，通过使用超细磨水泥以及真空搅拌技术制造出低空隙率，抗压强度达到240MPa的水泥石。

2制备UHPC的材料及工艺

2.1原材料及配合比设计

配合比设计见表1，本实验设计两种UHPC基体:A、B组为同一灰色基体，D组为白色基体。灰色基体分别添加2.5%、5%体积掺量钢纤维，白色基体添加3%体积掺量耐碱玻璃纤维，制作三种等级的UHPC。A、B组所用原材料分别为525#普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂(≦2.36mm)、镀铜微丝钢纤维(长度在12－14mm之间，直径在0.15－0.20mm之间，抗拉强度大于2850MPa)。D组所用原材料分别为525#白水泥、硅灰、磨细石英粉、石英砂(≦2.36mm)、耐碱玻璃纤维(长度12mm，长径比58，单丝直径14－19μm，抗拉强度1700MPa，弹性模量72GPa)。三组减水剂均为聚羧酸型高效减水剂，减水率大于30%。

表1配合比设计

2.2UHPC制备工艺

2.2.1搅拌

UHPC的搅拌需要注意的问题是如何保证钢纤维的均匀分布，搅拌或投料方法不当会导致纤维结团，影响UHPC的生产。不同的搅拌方法和投料顺序对于UHPC的工作性能有一定的影响。搅拌方法一般是先添加水泥、砂和硅灰，搅拌均匀后再加入均匀混合的减水剂和水，将浆体搅拌均匀后再均匀撒入钢纤维。欧洲有关研究项目的试验研究提出了较为合理的UHPC投料顺序与搅拌方法。搅拌机应选择高效强制式搅拌机，若对UHPC性能有较高的要求，可以选择使用真空搅拌机，减少UHPC中气泡的体积，改善UHPC的力学性能。

2.2.2养护制度

养护是UHPC制备的一个重要环节，对UHPC的性能有很大的影响。进行养护是为了让混凝土中水泥水化作用充分进行，提高混凝土的强度。UHPC适合采用蒸压养护。高温养护相比标准养护更能促进UHPC的水化反应和火山灰反应，生成更多的C-S-H凝胶，减少钙矾石和Ca(OH)2的体积，优化了孔结构，改善了界面结构，加强了各个界面的粘结强度。整体的力学性能得到了显著提升。UHPC中水泥水化生成C-S-H和Ca(OH)2，Ca(OH)2对于水泥浆和骨料的粘结是不利的，硅灰等超细活性矿物掺合料与水泥水化产物发生火山灰反应，消耗UHPC中的Ca(OH)2，形成C-S-H凝胶。在进一步提高养护温度后，活性矿物超细粉的火山灰活性得到一定的提高，C-S-H链延长。钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙，体积变小。当养护温度达到250℃左右时，不定型的C-S-H凝胶会大量脱水转化成托贝莫来石，最终混凝土内部会形成硬硅钙石。硬硅钙石和结晶物的形成与材料的强度发展有关。采用低压蒸压技术可以抑制结晶物的形成。对不同养护条件的UHPC收缩进行了试验和研究，试验表明在标准养护下的UHPC早期收缩较大，在65天的标准养护后得到收缩值为1490με。通过50℃热养护的UHPC收缩值远远小于标准养护。究其原因，就是因为热养护后的空隙率降低，空隙大部分被水化产物填充，水分难以蒸发，显著减少了收缩的产生。

2.3收缩变形

水泥基材料会出现收缩变形的问题，超高性能混凝土也不例外，引起收缩的原因是多方面的。收缩类型包括自收缩、化学收缩、干燥收缩、塑性收缩、温度收缩和碳化收缩。关于自收缩的定义，国内外学者各有不同的意见，尚未达成统一。日本混凝土协会JCI提出自收缩的定义，认为混凝土初凝后水泥水化过程的表观体积变化，而并不包括温度变化、外部荷载和自身物质变化产生的变化，国内则通常认为自收缩即是自干燥收缩。普通混凝土的水胶比普遍较高，水泥水化时有足够的水分进行反应，且毛细孔中的水分趋于饱和，避免了毛细管产生较大的负压，自收缩较小。UHPC的水胶比相较于普通混凝土更低，通过水化反应后造成毛细管中水分不饱和，形成毛细孔负压导致自收缩的产生。同时，硅灰的掺入导致毛细管的直径减少，造成毛细管压力变大，自收缩随之变大。塑性收缩是指混凝土在凝结之前表面失水速率大于内部泌水速率，导致毛细管中产生负压，对混凝土浆体产生应力，进而发生塑性收缩。掺入纤维对抵抗早期塑性收缩有一定的作用。化学收缩则是水泥水化得到水化产物，其体积小于水化反应物所产生的收缩。以C3S的水化为例：C3S+5.2H=C1.7SH3.9+1.3CH，经过水化反应后，其体积减少了6.6%，材料发生收缩。干燥收缩分为两种情况，一是指水泥基材料的外部湿度低于内部湿度，内部水分蒸发产生收缩；二是水分向外部迁移，在毛细孔形成负压，产生收缩。UHPC的水胶比低，且结构致密，所以发生的干燥收缩比较小。温度收缩是指水泥基材料在硬化早期，内外温差过大引起的收缩。UHPC的水泥用量大，所产生的水化热也相应变大。可以通过用其他材料代替水泥减少水化热的产生，也可在浇筑时流通冷水降低温度升高。例如，在广州西塔工程中为了防止混凝土因温度应力开裂，采用了预拌加冰控温技术，在搅拌机中加入人工称量好的冰以降低水化热。碳化收缩是水泥基材料中的水化产物Ca(OH)2与空气中的二氧化碳和水发生反应，导致Ca(OH)2的浓度降低，同时反应产生自由水，在外部湿度下降的情况下就会使反应产生的自由水蒸发，导致凝胶颗粒的表面张力增加而让水泥石处于压缩状态，产生碳化收缩。UHPC具有致密的微观结构，有很好的抗碳化效果。但若在UHPC中大量掺入粉煤灰，粉煤灰会与Ca(OH)2发生反应，造成碳化。所以粉煤灰等矿物掺合料的掺量要在合适的区间之内，这是在研究UHPC材料配合比时需要注意的问题。

3对UHPC的展望

（1）进行大量的试验，根据强度层次的不同，开发出合理的配方比。（2）研究自收缩的机理，通过研发外加剂或改进生产工艺以减少UHPC的自收缩。（3）参考现行的混凝土检测标准，结合UHPC的特性，完善UHPC的检测体系。减少检测中UHPC试件与实际力学性能的差异。（4）整合院校、科研单位，充分利用学校的教学资源，科研单位的研发力量，并完善用户的反馈机制，形成产学研用四位一体的合作体系。对UHPC进行更深入的研究并进行技术创新，提高UHPC的力学性能，拓宽UHPC的广泛应用。

结语

（1）与空白组UHPC的抗压强度相比，各类型钢纤维增韧UHPC的抗压强度均有所提高，但附着橡胶颗粒的再生钢纤维略微降低了超高性能混凝土的抗压强度。（2）附着橡胶颗粒的再生钢纤维显著提高了UHPC的劈裂抗拉强度、断裂能和静弹性模量，提高幅度显著高于其他类型的钢纤维，尤其是断裂能。

参考文献：

[1]黄继起,黄政宇.超高性能混凝土胶凝材料组成的研究[J].三峡大学学报(自然科学版),2011,33(3):47-50.

[2]沈雅雯.高效减水剂对预拌混凝土早期收缩变形的影响研究[D].厦门:厦门大学,2014.