不同蒸养制度下多元胶凝体系超高韧性混凝土的性能

肖换芳 张华 宋海宏 崔圣爱 曾慧姣 李固华

1.中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030027；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031

超高韧性混凝土（Super Toughness Concrete，STC）是一种新型超高强度、超高韧性的水泥基复合材料，其具有强度高、韧性大、耐久性好、控制变形和裂缝能力优异［1］等特点。目前STC 主要应用于组合钢桥面结构中，可以增加钢桥面板刚度，有效解决钢桥面板疲劳开裂、铺装层破损等问题。

文献［2-7］研究发现，硅灰、微珠、纳米材料掺入混凝土中，可通过其火山灰效应、微集料效应以及成核效应细化孔结构，改善界面过渡区，从而提高混凝土密实性及强度。但大掺量的活性粉体也会使STC早龄期收缩变形增大且工作性能变差，同时造价升高，一定程度上限制了STC 的推广和应用。由正交异性钢桥面板和STC 组成的超高韧性组合钢桥面结构作为一种新型的组合桥面，目前尚没有国家标准和行业标准。因此有必要采用不同胶凝体系，进一步优化STC配制技术。

蒸汽养护是STC 施工中常用的养护方式，而恒温阶段又是蒸养制度中最关键的阶段。不同养护方式及恒温时间对混凝土抗压强度有显著影响［8-9］。因此，本文设计水泥-微珠，水泥-微珠-硅灰及水泥-微珠-纳米SiO2三种多元胶凝体系STC 配合比，通过STC 工作性能、抗压强度试验及光学显微镜测试，对比分析不同恒温时间对力学性能的影响，优化蒸汽养护恒温时间，并从细观层面进行机理分析。

1 原材料及配合比

水泥采用P·O 52.5R 硅酸盐水泥，其物理性能指标见表1。细骨料由10～20 目及70～140 目石英砂按照质量比6∶4 的比例混合而成，石英砂的化学组成见表2。矿物掺和料为硅灰、微珠以及纳米SiO2；外加剂为STC 专用聚羧酸系高效减水剂，减水率为45%。纤维为平直型镀铜微丝钢纤维，长度13 mm，等效直径0.2 mm，抗拉强度为2 850 MPa。拌和水为自来水。

表1 水泥的物理性能指标

表2 石英砂的化学组成

采用水泥-微珠、水泥-微珠-硅灰及水泥-微珠-纳米SiO2三种胶凝体系。STC 配合比见表3。其中：CMS 代表水泥（Cement）-微珠（Microsphere）-硅灰（Silica Fume）胶凝体系超高韧性混凝土，CM 代表水泥-微珠胶凝体系超高韧性混凝土，CMN代表水泥-微珠-纳米SiO2（Nano‐silica）胶凝体系超高韧性混凝土。三种STC 水胶比均为0.17，砂胶比均为1.1，矿物掺和料掺量为胶凝材料质量的25%，钢纤维体积掺量为3%。

表3 STC配合比 kg·m-3

2 试验及测试方案

依次投入石英砂、水泥及矿物掺和料进行搅拌，待干料混合均匀后加入水，通过减水剂调整拌和物工作性能，最后均匀撒入钢纤维，搅拌均匀后，立即开展坍落度及扩展度测试。成型的试件为边长100 mm 的立方体，将成型后的试件置于温度20 °C 的自然环境下，覆膜静停24 h 后拆模。将拆模后的试件进行蒸汽养护，养护结束后移至标准养护室继续养护，至7、14、28 d 龄期开展STC 抗压强度试验。蒸汽养护制度：固定升温速率为12°C/h，降温速率为10°C/h，恒温温度为85 °C，恒温时间分别为2、3、4 d。

坍落度和扩展度测试参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。抗压强度测试参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》进行，加载速率为1.4 MPa/s。STC 细观结构采用光学显微镜测试。

3 试验结果与分析

3.1 工作性能

新拌STC 的工作性能指标见表4。可知：掺入硅灰、纳米SiO2均会降低STC 拌和物的扩展度。与CM相比，坍落度相同时CMS 和CMN 减水剂用量均提高至2.5 倍。在减水剂用量仅为1.0 %时CM 组坍落度240 mm，扩展度630 mm。这是由于微珠是一种球状超细颗粒，其颗粒形态效应可以提高STC 的流动性，起到明显的物理减水作用。

表4 三种混凝土减水剂掺量及工作性能指标

3.2 抗压强度

不同蒸养制度下三种胶凝体系STC 抗压强度随龄期的变化见图1。

图1 不同蒸养制度下STC抗压强度随龄期的变化

由图1 可知：不同蒸养制度下STC 抗压强度变化规律相似。CMS、CM 和CMN 抗压强度最高分别达到173.1、171.7、162.1 MPa。CMS 抗压强度在 7 d 龄期几乎达到最终稳定值，之后随龄期的增长，强度变化小。这是由于蒸汽养护激发了矿物掺和料的火山灰效应，生成大量C‐S‐H 凝胶填充内部孔隙，细化孔结构，从而显著提升了STC 早龄期强度。CM 抗压强度随龄期增长先增大后减小。这是由于微珠活性较低，早龄期强度发展较慢。随着龄期增长，微珠的水化程度逐渐提高，在14 d 龄期时达到峰值。与硅灰和纳米SiO2相比，微珠对早期高温养护负效应的抑制作用稍弱，因此28 d强度较14 d略有降低。CMN 抗压强度在7 d 龄期达到峰值。纳米SiO2增强作用主要是由于其成核效应和火山灰效应，形成致密的C‐S‐H 凝胶。但由于纳米SiO2比表面积高达500 m2/g，在搅拌过程中难以分散，纳米粒子之间互相吸引形成络合物。这些络合物不能提高混凝土强度，反而在骨料和浆体界面处形成薄弱区，从而降低了后期强度［10-11］。

不同龄期时STC 抗压强度随恒温时间的变化见图2。可知：三种胶凝体系STC 抗压强度均是在恒温2 d时最高，恒温时间过长对抗压强度反而不利。恒温时间由 2 d 增至 3 d 时，CMS、CM、CMN 的 7 d 抗压强度分别降低3.9%、5.4%、6.1%，14 d 抗压强度分别降低3.4%、4.5%、6.9%，28 d 抗压强度分别降低 2.1%、4.7%、6.1%。当恒温时间由3 d 增至4 d 时，三种胶凝体系STC抗压强度均趋于稳定。

图2 不同龄期时三种胶凝体系STC 抗压强度随恒温时间的变化

4 光学显微镜测试

基于STC 抗压强度测试结果，选取了恒温时间为2、4 d 的 28 d 龄期 STC 样品，通过光学显微镜观察 STC内部结构，见表5、表6。

表5 恒温时间2 d时STC细观结构

表6 恒温时间4 d时STC细观结构

由表5 可见：①当恒温时间为2 d 时，CMS 中水泥石结构致密，骨料与浆体黏结紧密，孔洞较少。采用水泥-微珠-硅灰胶凝体系时不同细度组分逐级填充，优化了微集料级配，细化了孔结构。同时，硅灰在高温高湿环境下充分发挥火山灰效应，生成大量致密的水化产物，且微珠的颗粒形态效应，显著改善混凝土的工作性能，二者协同作用使钢纤维完全嵌固于基体内部，纤维表面附着的水化产物与混凝土基体紧密结合。②CM 中骨料与浆体界面处存在一些均匀分布的微小孔洞。这是因为微珠活性较低，早龄期水化产物较少，不足以填充内部孔隙。③CMN 中骨料与浆体界面处出现较大孔隙且分布不均匀，钢纤维成团现象较严重。这是由于纳米SiO2比表面积大，分散性较差，钢纤维易聚集成团，在混凝土内相互搭接形成较大孔隙，造成水泥石结构不密实。

对比表5 和表6 可见：当恒温时间由2 d 增至4 d时，三种胶凝体系STC 大孔均增多，且分布不均匀。这是由于过长时间的高温养护使水化产物持续析出，浆体内部容纳水化产物的空间不断变小。新生成的水化产物对周围的原水化产物产生挤压作用，导致结构内部生成微裂纹。

5 结论

本文对比分析了三种胶凝体系STC 抗压强度随龄期和恒温时间的变化规律，并结合显微镜图像分析其强度发展机理。得出主要结论如下：

1）蒸汽养护制度下，水泥-微珠-硅灰胶凝体系STC抗压强度最有优势；水泥-微珠胶凝体系STC工作性能最佳。

2）三种胶凝体系STC 的抗压强度均在恒温时间为2 d 时达到最大值，恒温时间过长会增加基体内部孔隙，降低钢纤维与水泥基体黏结强度，对抗压强度反而不利。

3）采用水泥-微珠-硅灰胶凝体系时水泥石结构比采用其他两种胶凝体系时更致密。骨料与浆体、钢纤维与基体的黏结亦更紧密。