硬石膏对超高性能混凝土性能的影响及机理研究

吴文选，邹伟，李磊，成良民，刘子源，雷中梨，纪宪坤

（1.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083；2.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083）

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）以其高强度、负荷能力大、弯拉韧性突出和耐久性能优异等优点，能满足混凝土工程轻量化、高层化、大跨化及高耐久的要求，近年来逐步成为混凝土技术发展的主要方向之一[1-4]。UHPC水胶比低、胶材用量大，收缩率比普通混凝土高，其中自收缩占总收缩的比例较大，干燥收缩则较小[5]。这对UHPC成型制作阶段的开裂有重要影响，且随着水化的持续进行，自收缩仍然有较大的发展。因此，如何降低UHPC的自收缩，提高UHPC的体积稳定性是一个值得思考的问题。

UHPC应用较广泛的工程领域包括桥面铺装、桥梁湿接缝、大跨度人行天桥等[3]，但这些工程中的UHPC均服役于无氯盐的环境。鉴于UHPC在核电、海上采油平台、跨海大桥等特种工程领域具有广阔的工程应用前景，有必要对UHPC的耐久性能进行研究，包括探索材料配合比对UHPC耐久性能的影响规律，寻找合适的耐久性能评价方法等。

本文采用波纹管法、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验研究》中的接触法、电通量法、RCM法及JC/T 1086—2008《水泥氯离子扩散系数检验方法》中的NEL法分别研究了硬石膏掺量对UHPC体积稳定性和耐久性能的影响规律，并对其影响机理进行了讨论分析。同时，通过对比电通量、RCM和NEL三种方法的测试结果，分析其适用性，为研究硬石膏掺量对UHPC耐久性能的影响提供一定的参考。

1 试验

1.1 主要原材料

水泥（C）：武汉华新P·O 52.5水泥，主要化学成分见表1，物理力学性能见表2；高活性掺合料（HA）：主要化学成分见表1；硬石膏（SG）：含山恒泰无水石膏粉，一级天然硬石膏粉，主要化学成分见表1；拌合水（W）：自来水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求；砂（S）：连续级配河砂，细度模数2.6，最大粒径不超过2 mm；钢纤维（SF）：赣州大业，直径0.2 mm，长度13 mm；减水剂（WR）：兆佳，粉状聚羧酸减水剂，减水率20%；功能助剂（FU）：自制，具体组成为4份消泡剂、5份收缩调控剂、5份调凝剂、6份黏度改性剂。

表1 水泥、高活性掺合料和硬石膏的主要化学成分%

表2 水泥的物理力学性能

1.2 试验方法

采用硬石膏等质量取代水泥，掺量分别为0、2%、4%、6%、8%，钢纤维按质量百分比为9%外掺，UHPC配合比见表3。

表3 UHPC的配合比

UHPC基体搅拌均匀后即成型电通量、RCM和NEL试验试件，掺入钢纤维继续搅拌均匀后测试坍落扩展度，同时成型波纹管试件、混凝土收缩试件和抗压强度试件。

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试坍落扩展度；按照T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》测试标准养护1、7、28 d以及90℃蒸养2 d试件的抗压强度。按照T/CBMF 96—2020《超高性能混凝土预混料》（波纹管法）和GB/T 50082—2009中的接触法进行体积稳定性试验；按照GB/T 50082—2009进行电通量法和RCM法耐久性能试验；按照JC/T 1086—2008中的NEL法进行抗氯离子渗透试验。

2 试验结果及分析

2.1 硬石膏掺量对UHPC工作性能及力学性能的影响（见表4）

表4 硬石膏掺量对UHPC工作性能和力学性能的影响

由表4可见，硬石膏掺量为4%以内时，UHPC的扩展度变化不大，当其掺量超过6%后扩展度稍有增大。这说明硬石膏内掺取代水泥对UHPC工作性能无明显影响。随硬石膏掺量的增加，UHPC的抗压强度先提高后降低；硬石膏掺量4%时，UHPC标准养护28 d抗压强度最高，为140.4 MPa；当硬石膏掺量超过4%后，UHPC抗压强度开始呈轻微下降趋势。这是因为石膏促进了钙矾石的生成，改善了水泥石结构，在一定掺量范围内UHPC的抗压强度随硬石膏掺量增加而提高[6]，对超高性能混凝土体系强度的发展起到一定的促进作用。总体而言，硬石膏掺量为0～6%时，UHPC的抗压强度总体波动不大。另外，对于同一批成型的UHPC试块，90℃蒸养2 d的抗压强度比标准养护28 d抗压强度高8.7～17.2 MPa。这是因为热养护一方面能加快水泥水化进程，另一方面能提高活性掺合料火山灰反应进程，改善界面过渡区密实度[7]。

2.2 硬石膏掺量对UHPC体积稳定性的影响

硬石膏掺量对UHPC体积稳定性的影响如图1～图3所示，图1、图2为波纹管法试验结果，通过数据自动采集系统进行数据采集，试验持续时间为7 d左右，图3为接触法试验结果，通过埋入混凝土的钉头测试UHPC在无约束状态下长龄期的收缩。

图1为试验开始后20 h内的试验数据，t1为初凝前的塑性阶段，t2为初凝至终凝的凝结阶段，t3为终凝后的硬化阶段。由图1可以看出：（1）不同阶段变形量存在明显差别，塑性阶段变形量最大，凝结阶段次之，硬化阶段最小，这符合混凝土早期变形基本规律。通过对不同试验组平均变形-时间（εt）曲线进行数据处理，基准组SG-0及SG-1、SG-2、SG-3、SG-4试验组曲线拐点基本一致，初步判定UHPC初凝时间为4.5 h，终凝时间为8.0 h。（2）在塑性阶段前期试验数据呈现较大的波动幅度，这是由于波纹管试件刚放入测试支架时，在测试初期变形不规律导致的。

由图2可以看出，SG-0、SG-1、SG-2、SG-3、SG-4的7 d平均收缩率分别为469.4 με、322.8 με、188.3 με、145.2 με、153.9 με。随着硬石膏掺量增加，UHPC收缩率逐渐减小。当硬石膏掺量为6%时，7 d收缩率最低，仅为145.2 με，与基准组相比减小了69%。继续增加硬石膏掺量，UHPC收缩应变不会继续减小，说明硬石膏在一定掺量范围内能明显降低UHPC的自收缩。硬石膏对UHPC自收缩的影响有2个方面：一方面是早期膨胀量，由于UHPC自收缩较大，且在早期迅速发展，需要较大的膨胀量才能有效补偿UHPC的自收缩[8]。硬石膏在混凝土补偿收缩方面相比膨胀剂尽管膨胀量有限，但仍然具有较明显的补偿效果，图2中基准组和试验组0～0.5 d收缩-时间曲线对比验证了其补偿效果。另一方面是体积安定性。膨胀剂的掺入尽管能最大限度补偿混凝土自收缩，但掺量过多可能会导致水泥基材料体积安定性不良，特别是在热养护条件下更容易引起安定性问题。而硬石膏的掺入引发水泥基材料（包括UHPC）安定性问题的概率较低[9]。

图3为不同硬石膏掺量条件下UHPC硬化阶段（t3）后期收缩率随时间变化曲线，以6 d龄期作为起点，初始收缩率分别对应图2中各试验组6 d龄期实际收缩率。从图3可以看出：（1）SG-0、SG-1、SG-2、SG-3、SG-4 120 d平均收缩率分别为646.6 με、521 με、406.8 με、382.0 με、384.0 με。当硬石膏掺量为6%时，120 d收缩率最低，较基准组减小了40.9%。（2）各试验组从6 d龄期到120 d龄期的收缩率相近，均为200 με左右。这说明硬石膏对UHPC收缩的抑制效果主要集中在早龄期，长龄期的抑制效果较弱，这也验证了硬石膏对UHPC早龄期自收缩具有较明显的补偿效果且对UHPC后期安定性影响较小的观点。

2.3 硬石膏掺量对UHPC耐久性能的影响

分别采用RCM法、NEL法和电通量法测试不同硬石膏掺量时UHPC的抗氯离子侵蚀性能，以此评价UHPC的耐久性能，结果如表5所示。

表5 硬石膏掺量对UHPC耐久性能的影响

RCM法试验持续时间为96 h，是普通混凝土试验时间的2倍左右，试验结束后劈开试块测试氯离子渗透深度。由表5可知，随着硬石膏掺量的增加，氯离子渗透深度逐渐减小，6%掺量时渗透深度仅为0.97 mm，对应的氯离子扩散系数为3.9×10-14m2/s。这说明硬石膏在一定掺量范围内能明显降低UHPC的氯离子扩散系数，提高UHPC基体密实性。NEL法测得氯离子扩散系数与RCM法测得值相比偏大，但数据变化总体趋势一致。另外，在电通量法测试过程中发现，当硬石膏掺量大于4%以后电通量均为0，说明当UHPC基体密实度达到一定程度后，电通量法测试精度不能满足测试需求。综上所述，RCM法氯离子显色深度在4 mm以内，误差较大；电通量法测试结果均在100 C以内，难以进行更加细致的区分；NEL法测试结果与现有研究结果基本吻合，可以作为评价UHPC基体渗透性能测试的首选方法[10]。

2.4 机理分析

图4、图5分别为基准组和SG-3试验组标准养护28 d龄期的SEM照片。

由图4可见，基准组UHPC的水化产物较多，水化程度也较高，但水泥石与骨料的界面过渡区存在微裂缝，这种微裂缝可能会对UHPC的渗透性和耐久性能产生一定的损害[7，11-12]。因此，UHPC微观结构的改善需侧重于不同材料界面质量的改善，包括胶凝材料与骨料、纤维之间界面过渡区（ITZ）密实度与强度的提高。

由图5可见，掺6%硬石膏时UHPC的微观结构较密实，未见明显的裂缝，界面过渡区（ITZ）密实度高。这可能是因为硬石膏在UHPC水泥水化早期与胶凝材料中的C3A反应生成钙矾石填充了水泥颗粒间隙和界面过渡区。另一方面，硬石膏的掺量决定了钙矾石生成总量和钙矾石稳定性[13]，6%掺量硬石膏基本能满足UHPC胶凝体系对钙矾石生成和其稳定性保持的需要。综上所述，硬石膏掺量在4%～6%时，UHPC力学性能、收缩调控性能和抗氯离子侵蚀性能均保持良好的平衡，能实现UHPC低收缩、高耐久的需求。

3 结论

（1）硬石膏内掺取代水泥对UHPC的工作性能影响不大，掺量为0～6%时，UHPC抗压强度总体波动不大。

（2）硬石膏对UHPC早龄期自收缩具有较明显的补偿效果，且对UHPC后期安定性影响较小。

（3）硬石膏掺量为6%时，UHPC氯离子扩散系数明显减小，基体密实度增大，此时的微观结构较基准组更致密，未见明显的裂缝，界面过渡区（ITZ）密实度更高。

（4）硬石膏掺量为4%～6%时，UHPC的力学性能、收缩调控性能和抗氯离子侵蚀性能均保持良好的平衡，能实现UHPC低收缩、高耐久的需求。