常温养护超高性能混凝土受压性能研究

周美丽 陈冰雁 陈 昊 侯 炜，*

（1.厦门工学院建筑与土木工程学院，厦门361021；2.华侨大学土木工程学院，厦门361021）

0 引 言

随着我国经济的飞速发展和城市化进程的不断加快，超长、超高、超大跨度、超大体积的现代建筑物正在不断涌现，这也对混凝土材料的性能提出了更高的要求。超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）以其高强度、高弹模以及良好的变形能力等诸多优势被越来越多的学者所关注［1-2］。

目前，国内外学者对UHPC 力学性能的研究主要集中在强度、韧性以及动态冲击性能等几个方面。强度是超高性能混凝土最重要的指标之一，与普通混凝土相比，由于超高性能混凝土所采用的多元复合技术，能够有效增强胶凝材料与集料之间的界面过渡区，对材料的强度有显著提升，而原材料、浇筑方式、养护方式等因素的差异都会对强度产生不同程度的影响［3-5］。有研究人员研究了不同养护方式对UHPC 力学性能的影响，与标准养护相比，蒸汽养护和蒸压养护可以显著提高UHPC 的抗压强度，这是因为蒸汽养护加速了火山灰反应，提高了水化程度，使孔隙率得到了进一步的降低。

在现有的技术条件下，UHPC 材料的制备技术已日益成熟，但要得到大面积的推广使用却依然还有一些问题需要解决。一方面UHPC 的养护条件较为严苛，通常需要高温蒸压养护［6-7］，因此大部分构件只能在工厂中预制完成；另一方面，掺入纤维后的混凝土成本将大大提高。这些不足都在一定程度上限制了UHPC 在实际工程中的应用和推广；而如何能够进一步提高材料的适用性和经济性，将是未来UHPC 能否得到广泛应用的关键。因此，以工程使用要求为目标，从经济性和可行性方面进行考虑，在标准养护的条件下控制纤维掺量在经济范围内，同时保证UHPC 的力学性能在不出现明显降低的情况下，提升材料的适用性和经济性，具有极大的现实意义。

本文在常温养护条件下，通过改变水胶比、纤维种类以及纤维掺量，研究不同变量对UHPC 抗压强度的影响，分析不同形状和长度的纤维对UHPC 的增强机理和破坏过程的影响，在保证超高性能混凝土能够振捣成型的情况下，确定纤维的合理掺量。

1 UHPC材料配制

1.1 原材料和配合比

在本试验中所用到的原材料主要有水泥、硅灰、矿渣、粉煤灰、砂、高效减水剂等（图1），以及两种不同类型的钢纤维。

图1 基体原材料Fig.1 Raw materials

（1）水泥：本试验采用华润水泥（龙岩曹溪）有限公司生产的P.O52.5 普通硅酸盐水泥。为尽量降低水泥的水化热并保证足够的强度和耐久性，配制UHPC 需要选用矿物组分合理、细度适宜的42.5或更高标号的硅酸盐水泥。这是由于高标号的水泥一般颗粒粒径较小，比表面积较大，具有较高的化学活性，能够使水化反应得到充分发挥，减少界面过渡区的缺陷。

（2）硅灰：本试验采用泉州市威林特实业有限公司生产的超细活性硅灰。检测含硅量为96%，细度为325目。硅灰是UHPC 原材料组分中重要的组成部分。硅灰在UHPC 中起到的作用首先是与不同粒径颗粒形成级配效应，填充之间的孔隙，减小内部的孔隙率；其次球形硅灰在水泥颗粒间所起的“滚珠”效应能一定程度提高新拌混凝土的流动性；同时硅灰具有很强的火山灰效应，能够与水化生成的发生二次水化反应，有利于形成致密的内部结构。

（3）矿渣：本试验采用S95 等级高炉矿渣，其28 天活性指数大于95%。超活性矿渣粉的特点主要是超细和高活性。粒化矿渣可部分取代替硅灰、超细水泥等胶凝材料，可以显著改善UHPC 的工作性能、力学性能及耐久性能。

（4）粉煤灰：本试验采用厦门市嵩能粉煤灰开发有限公司生产的一级粉煤灰，细度约为200目。粉煤灰通常与粒化高炉矿渣、硅灰或者钢粉结合组成二元、三元或者四元体系。粉煤灰的加入可以降低水泥的用量，减少水化放热，有效抑制由于温度应力所引起混凝土表面的开裂，但粉煤灰对于UHPC 早起强度的形成会起到一定的抑制作用。

（5）砂：本试验采用晋江西峰天然石英砂公司生产的30～50目天然石英砂。砂的质量主要影响混凝土的用水量，级配良好的砂有利于改善新拌混凝土的工作性，提高混凝土的强度、耐久性。

（6）减水剂：本试验减水剂采用厦门科之杰新材料集团S01D 型号高效减水剂。高效减水剂的掺入可以提高混凝土拌合物的稳定性和匀质性，大大提高水泥浆体的流动性，同时可以大幅减少混凝土的用水量。

（7）钢纤维：本试验采用上海真强纤维有限公司生产的钢纤维，如图2 所示。分别为端勾形钢纤维（Hooked steel fiber，HF）和平直形短钢纤维（Short steel fiber，SF），各种类纤维的参数如表1所示。

图2 钢纤维类型Fig.2 Types of steel fiber

表1 钢纤维参数Table 1 Parameters of steel fiber

1.2 配合比设计

本试验UHPC 基础配合比如表2 所示。首先通过调整水胶比，初步设计基体配方，分别选取0.16 和0.18 两种水胶比，单独掺入不同体积分数的纤维，研究不同水胶比对UHPC 受压强度的影响，设计变量如表3 所示。考虑到纤维掺量过低时对UHPC 的强度和韧性提升程度有限，因此，在本试验中纤维的最低掺量为2%，在此基础上纤维掺量每次增加1%，直至无法满足流动性要求。在进行单掺试验后，优选最佳的水胶比和纤维掺量，进行混杂纤维UHPC 的配制，从而探索通过最经济有效的方式来获得较好的力学性能，纤维掺量设计见表4。考虑到不同水胶比和纤维掺量下混凝土的流动性有较大的差异，因此，在配制过程中，分别根据不同的水胶比和纤维掺量加入不同掺量的减水剂，减水剂掺量（减水剂质量占胶凝材料的百分比）调整范围从1.5%～2.5%。

表2 基体配合比Table 2 Mix proportion

表3 试验参数变量Table 3 Test parameters

表4 纤维掺量Table 4 Mixing ratio of steel fiber

1.3 搅拌工艺

由于掺入了大量的矿物掺和料且水胶比很低，因此，选择合理的制备技术对UHPC 的工作性能和力学性能有着较大的影响。目前比较普遍的搅拌工艺有两种：一种是先干后湿，即先加入砂和钢纤维，接着加入水泥、高效减水剂，随后加入胶凝材料，最后再注入水；另一种是先湿后干，即先加入水泥、高效减水剂，接着加入胶凝材料，随后缓慢注入水，最后再撒入钢纤维。但这两种方法都将减水剂和水分开加入，很难使减水剂在胶凝材料间均匀分布，不利于胶凝材料的分散。因此，本试验中采用一种新型搅拌工艺，试验中采用的搅拌机为QJ-20型水泥砂浆搅拌机，搅拌速率分别为低（45 r/min）、中（90 r/min）、高（150 r/min），搅拌流程如下：①将胶凝材料（水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣）和砂一同倒入搅拌机中，开动搅拌机，用中速搅拌2 min。②将称量好的水和减水剂在容器中混合均匀，缓慢加入正在搅拌中的砂胶混合物中，高速搅拌3 min，保证胶凝材料和外加剂充分分散和混合均匀。③将称量好的纤维缓慢加入搅拌中的砂胶拌合物，纤维全部加入后慢速搅拌2 min使纤维分散均匀。

1.4 浇注和养护方法

将搅拌好均匀的新拌混凝土倒入立方体试模试模内并放置在振动台上震动3 min左右，使浆体密实，然后将试样放置于室内，静置24 h 后拆模，并将其放置于水中养护至规定龄期后进行力学性能试验。立方体试件分别养护7 天、14 天和28 天进行受压性能试验。

1.5 测试方法

受压性能试验在200 t 万能压力机上。在进行立方体受压试验时，首先将将试件直立放置在试验机的下压板上，试件中心与压力机下压板对中，延浇筑的垂直方向施加压力，采用应力控制，以0.9 MPa/s的加载速率连续加载至试件破坏。

2 受压强度影响因素分析

2.1 水胶比

在试验搅拌过程中可以明显发现随着水胶比的增大，UHPC 新拌浆体的流动性也越大。当水胶比低至0.14 时，新拌UHPC 浆体流动性太低导致很难浇模成型，所以本次试验以水胶比0.16 和水胶比0.18 为对比，制配素UHPC 混凝土和端钩形长钢纤维掺量分别为2%、3%和4%的试件，并根据新拌混凝土的流动性能对减水剂的掺量进行了调整，保证试件成型。14 天的试验有效数据共有12组，如表5所示。

图3 为单掺钢纤维时水胶比对抗压强度的影响图。可以看出，不论是掺入平直型短钢纤维（以下简称短钢纤维）还是端勾型长钢纤维（以下简称长钢纤维）的UHPC，随着水胶比的降低，其抗压强度均有了明显的提升。掺入2%、3%和4%的短钢纤维的UHPC，在0.16 水胶比下的抗压强度分别比0.18 水胶比下的抗压强度提高了25.3%、9.9%、8.6%；对掺入2%、3%和4%的长钢纤维UHPC，在0.16 水胶比下的抗拉强度分别比0.18水胶比下的抗拉强度分别提高了1.7%、13.3%，3.9%。

表5 不同水胶比下UHPC抗压强度（14天）试验结果Table 5 Test results under different water-binder ratio

2.2 纤维类型

图4 为不同纤维类型对UHPC 抗压强度的影响。由图4 可知，不论是在水胶比0.16 还是水胶比0.18 的情况下，长纤维对UHPC 抗压强度的增强作用都要比短纤维好。直线型钢纤维与混凝土基体之间的黏结作用主要依靠两者之间的黏结力和摩擦力，而端钩型钢纤维由于外形的改变还大大提高了其机械咬合力。根据文献［8］的研究，端钩型比直线型钢纤维与混凝土之间的黏结强度提高了26.5%，纤维拔出能耗提高了107%，同时，纤维拔出后，黏结应力也较直线形平缓许多。这种钢纤维与混凝土之间的黏结作用影响了混凝土内部的约束，端钩型钢纤维的强黏结作用提高了混凝土受压时的横向约束，因此提高了UHPC 的抗压强度。

图3 不同水胶比下单掺钢纤维抗压强度对比Fig.3 Compressive strength under different water-binder ratio

图4 不同纤维类型对抗压强度影响Fig.4 Effects of steel fiber types

2.3 纤维掺量

钢纤维的掺入有效改善了素混凝土的脆性破坏。图5 为素混凝土和掺入钢纤维的UHPC 加载完成后的破坏形态。

图5 钢纤维对UHPC受压破坏形态的影响Fig.5 Effect of steel fiber on failure pattern

在素混凝土的加载过程中，当达到试件的极限压力值时，试件立刻破坏，破坏的同时会发出爆裂声。加入钢纤维的UHPC，当达到试件的极限压力值时，试件出现裂缝，依然可以进行加载。这样的试验现象表明，钢纤维的掺入有效地抑制了裂缝的产生，很大程度上提高了混凝土的耐久性，在安全要求高的建筑结构中可采用UHPC 材料来加强建筑的安全性。

在掺入了钢纤维后，混凝土的抗压强度也有了很大的提升。对比素混凝土和掺入2%钢纤维的UHPC，0.16水胶比下长纤维和短纤维UHPC 14天抗压强度分别增加8.2%和20%；0.18 水胶比下长纤维和短纤维UHPC 14 天抗压强度分别增加21.9% 和10%。但从表5 中可以看出，试样W16HF2 数据明显偏低，8.2%的增长率可能由于试样受压强度异常造成了偏低的异常数据，从整体趋势判断，2%纤维掺入量下，长纤维的UHPC强度增长高于短纤维的强度增长。图6 所示为不同纤维掺量对抗压强度的影响，从图6（a）（c）（d）中可以明显看出，纤维掺量每增加1%，UHPC 的抗压强度都有一定程度的增加。从折线图的斜率可以看出，纤维掺量2%～3%的直线斜率要略大于纤维掺量3%～4%的直线斜率，说明当纤维掺量达到3%时，纤维的增强效果更好。从图6（b）可以看出，当水胶比为0.16 时，长纤维掺量达到3%时，其抗压强度最大。当长纤维掺量为4%时，其抗压强度与掺量为3%的相差不大。这可能是因为纤维掺量过高使得钢纤维在UHPC 浆体内的分布不均，形成了钢纤维和基体低黏结强度界面，从而导致UHPC抗压强度的略微降低。

图7 所示为龄期7 天时UHPC 受压强度全曲线。从图7 可知，当未达到极限荷载时，不同纤维掺量的应力-应变曲线重合，而达到极限荷载后，随着纤维掺量的增加，曲线下降速度变慢。这表明，纤维的加入有效抑制了裂缝的开展，显著地改善了UHPC 的耐久性。综合经济效益考虑，在实际的应用中可选择纤维掺量为3%的UHPC。

图6 不同纤维掺量对抗压强度的影响Fig.6 Effect of steel fiber volume on compressive strength

图7 7天龄期下UHPC受压全曲线Fig.7 Compression curves of UHPC at 7 d

在纤维总掺量为3%的条件下，本次试验还进行了3组混掺长短纤维的试验研究，其7天试验结果如表6 所示。从表中可以看出，在总纤维掺量为3%时，3 组UHPC 的强度相差并不大。混凝土纤维UHPC强度介于长纤维和短纤维之间。

表6 混掺纤维下UHPC抗压强度试验结果Table 6 Hybrid fibers UHPC test results

2.4 龄期

图8 为不同龄期对UHPC 抗压强度的影响。从图8 中可以看出，随着龄期的增长（7～28 天），UHPC 的抗压强度也随之增长。在前期，由于水泥水化反应的生产物使混凝土内部的大部分孔隙被迅速填充，改善了混凝土内部的微观结构，使得受压强度快速增加。另外，由于UHPC 孔隙较普通混凝土少很多，且水胶比极低，这样硅灰和矿渣形成的火山灰效应发展相对缓慢，从而后期强度增长相对缓慢。

图8 龄期影响Fig.8 Effect of curing age

3 流动性探讨

利用塌落度试验来测定UHPC 的流动性。塌落度越大即表示测试浆体的流动性能越好。本次试验的塌落度值为242 mm。当混凝土的拌和物大于220 mm时，需要用钢尺测量混凝土扩展后最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于5 mm的情况下，取其算数平均值为作为塌落度扩展值。本次试验的塌落度扩展值为431 mm。

由塌落度和塌落扩展值可知，UHPC 的流动性能良好，在试验全过程中，关于流动性有以下几点发现与总结：

（1）随着水胶比的增大，新拌UHPC 浆体的流动性明显增大，当水胶比低至0.16时，在不添加减水剂的情况下，新拌浆体成型困难。

（2）随着钢纤维的掺量的增加，新拌UHPC浆体的流动性明显降低，在水胶比、减水剂掺量等其他条件一定的情况下，当钢纤维掺量达到4%时，搅拌过程即出现了明显的结块现象。

（3）UHPC 的流动性与UHPC 的抗压强度有一定的关系。在保证新拌浆体能够浇模的情况下，流动性越低，抗压强度越高。

4 结 论

本章通过试验对比分析不同水胶比、纤维掺量和纤维种类的UHPC受压强度，得到以下结论。

（1）在0.18 和0.16 水胶比下，常温环境养护下的14 天UHPC 最高强度分别为127.1 MPa 和137.1 MPa，但相比蒸养或高温养护，需要更多的纤维用量。但纤维用量的增加也同时增加了施工难度及成品质量。

（2）常温养护下的UHPC 受压强度影响因素及趋势与其他高温养护下的基本相同，但相应的定量影响并不相同。考虑到施工及经济效益，其最优强度设计的纤维掺量、减水剂使用量等均相应提高。

（3）虽然坍落度试验测试的流动性数值显示UHPC 具有良好的施工性能，但是在纤维用量4%时，也带来了纤维沉降、搅拌结块的现象，增加减水剂用量也存在一定的泌水情况，后续研究中还需增加其他外加剂如保坍剂、膨胀剂等的影响分析。