用于桥梁加固的抗扰动超高性能混凝土制备及性能研究

常青山，安昊文，郎慧东，周在波，付鹏，许玉鹏

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250100；2.山东华迪建筑科技有限公司，山东 济南 251400）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一种具有高抗压、高抗拉、高耐久性、高延展以及优异工作性能的混凝土[1-3]。在桥梁工程、维修加固、预制构件、防爆抗低温储罐等工程中都有广泛应用[4-5]。UHPC在桥梁工程应用中仍然存在许多问题，大跨度桥梁混凝土变形开裂，预应力混凝土连续箱梁的总体挠度、桥面铺装及桥面结构裂缝限制UHPC的应用[6]。混凝土不同龄期强度的发展对混凝土变形开裂及挠度变化有较大影响。

东海县某水泥混凝土路面在使用过程中一直有断板现象产生，结合原材料测试及道路混凝土芯样测试，分析得出断板主要由于混凝土早期强度低，在温度翘曲应力、自重及外部荷载作用下发生断裂[7]。在一定范围内，水胶比越小，抗裂性能越好，但是如果强度过高，早期水化热较大，容易形成温度裂缝[8-9]。因此，研究混凝土的强度发展规律对混凝土裂缝控制、体积稳定性及桥梁工程抗扰动性能的提高具有重要意义。

养护温度、细集料集配、矿物掺合料、减水剂及纤维种类等因素对UHPC的微观结构和力学性能都有显著影响[10-14]。100℃高温蒸汽养护可以促进UHPC早期抗压强度的发展，3 d抗压强度和弯曲性能超过标准养护28 d时的性能[15]。Li等[2]通过控制砂率和胶凝材料用量，实现1 d抗压强度达到66～100 MPa，7 d抗压强度为125 MPa左右，28 d抗压强度达到145 MPa。

大量研究主要集中在养护条件、砂率、外加剂等对UHPC力学性能影响的单因素分析[16-19]。胶凝材料种类、缓凝剂种类及矿物掺合料掺量对混凝土各龄期抗压强度的耦合作用研究较少。本研究通过普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复掺，添加特种缓凝剂及矿物掺合料使UHPC的早期抗压强度可调，后期抗压强度满足工程要求。通过实验室自制聚羧酸减水剂研究聚羧酸减水剂分子结构与UHPC流动度之间的关系，并采用SEM分析了UHPC的微观结构。结合济南顺河高架维修加固工程施工要求，为了不影响交通，同时保证工程进度，提高混凝土的抗扰动能力及降低混凝土的开裂，使超高性能混凝土5 h抗压强度≥8 MPa、1 d抗压强度≥30 MPa、3d抗压强度≥60MPa、28d抗压强度≥90 MPa，V形漏斗流出时间≤15s，抗压强度损失率应小于5%的要求。

1 试验

1.1 原材料

水泥：淄博宝山水泥厂P·O52.5R水泥（OPC），比表面积350 m2/kg；52.5级硫铝酸盐水泥（SAC）；矿粉：S95级；硅灰：博肯硅材料，胶凝材料的主要化学成分见表1。石英砂：20～40目、40～70目、70～120目，按2∶2∶1的质量比复合使用。钢纤维：长度12mm。缓凝剂：葡萄糖酸钠（西王）、白糖（市售）、硼酸（市售）。消泡剂：国外进口。聚羧酸减水剂：自制，合成原材料见表2。

表2 合成原材料

1.2 配合比

UHPC基本配合比为：水胶比0.18，胶凝材料由300 kg/m3OPC+100kg/m3矿粉组成，胶砂比为0.8，钢纤维掺量为80kg/m3，缓凝剂、消泡剂掺量（按占胶凝材料质量计）分别为0.03%、0.06%。固定胶凝材料总量不变，设计以SAC掺量（等质量取代OPC）、硅灰掺量（等质量取代矿粉）、缓凝剂种类为因素的正交试验，分析各因素对UHPC抗压强度的影响。正交试验因素水平如表3所示。

表3 正交试验因素水平

1.3 聚羧酸减水剂合成工艺

固定四口烧瓶在支架上，加入适量的大单体和去离子水到底釜，开启搅拌泵进行搅拌。将巯基丙酸、抗坏血酸和特制小料制为A料。丙烯酸和一定量的去离子水制为B料。待大单体溶解后，在四口烧瓶中滴加双氧水，然后开启蠕动泵滴加A料和B料，A料滴加时间控制在65 min，B料滴加时间控制在60 min。滴加完成后保温1 h，加入32%浓度的液碱中和至pH值为7，得到浓度为40%的聚羧酸减水剂母液。

1.4 试验方法

为了获得均匀稳定的混凝土材料，首先将所有的骨料和胶凝材料加入搅拌机混合搅拌3 min，然后分批次加入自来水和所有外加剂，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维，继续搅拌5 min。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，使用V形漏斗测试混凝土的流动性。将搅拌好的混凝土料浆倒入150 mm×150 mm×150 mm模具，振动台振实，放置于标准养护室养护，4.3 h脱模，脱模后继续进行标准养护，分别测试5h、1 d、3 d、28 d抗压强度。

扰动仪器测试选择可调控频率的电磁扰动台。为模拟桥梁施工条件，将搅拌好的混凝土料浆倒入150 mm×150 mm×150 mm模具。自混凝土浇筑后持续扰动，固定模具在振动台上，避免模具弹跳产生不良影响。分别测试受扰动混凝土的1 d、3 d、28 d抗压强度，计算其抗压强度损失率：未受到扰动混凝土抗压强度与受扰动混凝土抗压强度的差值除以未受到扰动混凝土的抗压强度。

抗压强度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，测试仪器为无锡建仪TYE2000B万能试验机，加载速率为8～10 kN/s，连续均匀加载。

流动度调控试验：采用实验室合成的不同酸醚比聚羧酸减水剂对拌合物V型漏斗流出时间进行测试，制备出流动度符合要求，且不影响UHPC强度的专用聚羧酸减水剂。

2 试验结果及分析

2.1 UHPC强度调控正交试验结果分析

正交试验设计及性能测试结果见表4，极差分析见表5。

表4 正交试验设计及性能测试结果

表5 正交试验极差分析

由表4和表5可见：

（1）各因素对UHPC5h、1d抗压强度的影响顺序为：A＞C＞B，对UHPC3d、28d抗压强度的影响顺序为：A＞B＞C。

（2）SAC掺量对UHPC的抗压强度影响最大。与OPC相比，SAC中含有大量无水硫铝酸钙（C4A3S），SAC在SO42-和OH-的激发作用下迅速发生水化反应，生成大量钙矾石（AFt）晶体，填充孔隙，提高UHPC的密实度。

（3）硅灰掺量对UHPC5 h、1 d抗压强度影响较小，但对3d、28d抗压强度的影响增大。随着硅灰掺量的增加，对早期抗压强度并无明显影响甚至抗压强度还稍有降低，但是对后期抗压强度具有明显的提高作用。与矿粉相比，硅灰为粒径在0.1μm左右的超细材料，主要化学成分为SiO2，硅灰大多为球形，粒径较小，表面光滑，作为填充材料填充在缝隙中，排出自由水。硅灰具有较强的火山灰效应，可与水泥石中的Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙，以此提高UHPC的后期抗压强度。

（4）缓凝剂种类对UHPC早期抗压强度影响明显，白糖的主要成分为己糖酸钙，具有较强的固液表面活性，可以与水泥颗粒的表面吸附，从而形成溶剂化的吸附层，能够阻碍颗粒的接触和凝聚，破坏水泥絮凝的形成，使得水泥的初期水化糖钙含有多个羟基，抑制水泥的初期水化。葡萄糖酸钠主要是通过与水泥水化产物生成不溶性的Ca盐，减慢水泥的水化速度，随着盐分子量的不断增大，逐步表现出缓凝作用。硼酸缓凝主要是浆体中Ca2+离子作用下形成了硼酸包裹层，起到缓凝效果。掺葡糖糖酸钠时UHPC的5 h、1 d抗压强度最高。

（5）9组试样中，9#试样的5h、1 d、3 d的抗压强度最高，3#试样的28 d的抗压强度最高，在满足28 d抗压强度的前提下选择28 d抗压强度最高对应的3#试样进行流动度调控试验，并进一步提高UHPC的早期抗压强度。

2.2 UHPC流动度调控结果分析

通过上述试验可以发现，SAC、硅灰和缓凝剂对UHPC不同龄期的抗压强度有较大影响，但是仅对三者进行调控很难满足工程要求，需在3#试样基础上进一步提高早期强度和优化流动度。控制链转移剂（巯基丙酸）、引发剂、特制小料用量分别为大单体质量的0.4%、3.0%、1.0%，制备不同酸醚比的聚羧酸减水剂，研究减水剂对UHPC的V型漏斗流出时间的影响，结果见图1，减水剂折固掺量均为胶凝材料质量的0.38%。

由图1可见，随着酸醚比的增大，V型漏斗初始流出时间不断缩短，在酸醚比为6时逐渐平缓；酸醚比继续增大，初始流出时间无明显缩短。主要原因为，丙烯酸主链与聚醚大单体侧链在酸醚比较小时侧链密度较小，聚醚侧链密度较大，侧链易造成缠绕，无法较好地发挥空间位阻作用来分散水泥颗粒。丙烯酸作为主链，其链上的羧基可以锚固在水泥颗粒上起到定位作用，随着酸醚比的增大，—COOH的比例在不断增大，其电荷密度不断增高，吸附能力增强。当酸醚比达到6时，侧链与主链充分链接，聚醚单体可以充分发挥空间位阻作用，以此分散水泥颗粒。对于V型漏斗30 min流出时间，在酸醚比为6时流出时间损失最小，酸醚比大于6时，聚羧酸减水剂的保坍效果较差，V型漏斗流出时间急剧延长。由上述可知，控制酸醚比为6，V型漏斗初始流出时间较短，保坍效果较好，V型漏斗30 min流出时间也最短。

控制酸醚比为6，研究聚羧酸减水剂掺量（折固，按占胶凝材料质量计）对UHPC抗压强度和V型漏斗流出时间的影响，结果如表6所示。

表6 聚羧酸减水剂掺量对UHPC性能影响

由表6可知：

（1）随着聚羧酸减水剂掺量的增加，V型漏斗初始流出时间不断缩短，掺量从0.34%增大至0.42%，V型漏斗初始流出时间缩短了18.75%；30 min流出时间先缩短后延长，掺量为0.38%时30 min流出时间最短，较掺量为0.34%时缩短了25.52%。这是由于聚羧酸减水剂的加入通过其对水泥颗粒的吸附，使得水泥颗粒表面带有同种负电荷，水泥颗粒之间相互排斥，以此分散水泥颗粒，流动性增大，黏度降低。掺入适量的聚羧酸减水剂能够使体系分散更均匀，水化更充分，能够进一步提高UHPC各龄期的抗压强度，尤其对早期抗压强度效果明显。但随着聚羧酸减水剂掺量的增加，自由水不断增多，影响水泥颗粒之间的密实度，出现泌水现象，对抗压强度产生不利影响。而当聚羧酸减水剂掺量较低时，无法充分分散水泥颗粒，造成水泥颗粒絮凝，流动性不能满足要求，对于UHPC抗压强度的发展也会产生不利影响。

（2）随着减水剂掺量的增加，UHPC的抗压强度先提高后降低，在聚羧酸减水剂掺量为0.38%时，5 h抗压强度为14.5 MPa，28 d抗压强度达到132.5 MPa，满足设计要求，此时V型漏斗流出时间也较短。

2.3 微观形貌分析

根据上述试验确定的UHPC优化配比为：SAC掺量为25%、硅灰掺量为27%、缓凝剂采用硼酸，酸醚比为6的聚羧酸减水剂折固掺量为0.38%，按此配比制备UHPC，通过扫描电镜对不同龄期的水化产物进行微观形貌分析，结果如图2所示。

由图2可以看出，随着龄期延长，结构逐渐致密，初期孔隙较多，在养护至1d时反应产物变得较为密实，水化产物中开始出现不规则的扁平粒子堆积在一起。养护至3 d时结构已足够密实，出现交错的纤维状和棒状水化产物，水化产物主要为C-S-H凝胶和钙矾石。在28 d时结构非常密实，大量的钙矾石和C-S-H凝胶交错分布，形成致密的网状结构，提高了UHPC的密实性，进一步提高力学性能。

2.4 工程应用

济南顺河高架系杆拱桥位于山东济南北园立交南侧，顺河高架路明湖北路出口与清河北路出口之间，上跨大明湖火车站西咽喉，桥梁全长90 m，桥面全宽25.5 m，北接机动车双向六车道，南接机动车双向四车道。本次施工全过程分时段进行全封闭施工，封锁区域全长90 m。其维修工程空心板加固用UHPC要求满足抗扰动和抗裂要求。UHPC的配合比如表7所示，性能测试结果如表8所示。

表7 UHPC的配合比 kg/m3

表8 UHPC的性能测试结果

由表8可知，采用优化配比制备的UHPC初始、30 min坍落度分别为661、621 mm，T500的初始、30 min分别为6.5、7.2 s，V型漏斗初始、30 min流出时间分别为13.5、14.0 s，流动性和黏聚性均能满足设计要求的限值。UHPC的28 d抗压强度为130.5 MPa，达到设计要求的145%。28 d抗压强度损失率为2.1%，符合小于5%的设计要求，抗扰动性满足工程项目要求。在实际施工过程中效果较好，提高了施工效率，节省了时间成本。

3 结论

（1）UHPC的优化配比为：SAC掺量为25%、硅灰掺量为27%、缓凝剂采用硼酸，合成的聚羧酸减水剂酸醚比为6，按此配比制备的UHPC各龄期力学性能较好，流动性满足设计要求。

（2）SEM分析表明，UHPC的水化产物致密，28 d龄期时结构非常密实，大量的C-S-H凝胶折叠分布，并出现大量的钙矾石晶体，抗压强度发展较好。

（3）在济南顺河高架空心板加固中采用优化的UHPC，流动性和黏聚性均能满足设计要求的限值。28 d抗压强度达到设计要求的145%，表现出较好的力学性能，28 d抗压强度损失率为2.1%，符合小于5%的设计要求，抗扰动性满足工程项目要求。