养护温度对UHPC力学性能的影响

侯庆刚 乔大玮 胡凤娇 蒋雪妮 张爱勤 王日升

摘要：为分析标准养护（20 ℃）、高温养护（70 ℃）对超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）力学性能的影响规律，在不同养护方式与养护龄期（3、7、28 d）下对不同配合比制备的UHPC进行抗压、抗折、抗拉及弹性模量试验，测试UHPC的力学性能。结果表明：高温养护能有效改善UHPC的力学性能，抗压强度增长均匀，抗折强度增幅显著，养护7 d时UHPC的抗压、抗折强度的增幅均最大，养护28 d时UHPC的抗压与抗折强度增大缓慢；UHPC抗拉强度及弹性模量的增大规律基本一致，养护7 d时达到最大抗拉强度与弹性模量，养护28 d时，抗拉强度与弹性模量不再增大或略有下降。选择在（70±2）℃进行高温养护，养护龄期为7 d。

关键词：UHPC；标准养护；高温养护；强度；弹性模量

中图分类号：U416.216;U414文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）02-0042-05

引用格式：侯庆刚，乔大玮，胡凤娇，等.养护温度对UHPC力学性能的影响［J］.山东交通学院学报，2024，32（2）：42-46.

HOU Qinggang， QIAO Dawei， HU Fengjiao， et al.The influence of maintenance temperature on the mechanical properties of UHPC［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：42-46.

0 引言

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是近年备受关注的新型水泥基工程材料[1-3]，与传统混凝土相比，具有较好的力学性能和耐久性。在制备UHPC过程中减小了水胶比，不使用粗骨料，增大水泥用量，成本相应增大。为降低UHPC的制备成本，常将粉煤灰、矿渣粉、炉渣等工业掺合料引入胶凝材料体系，代替部分水泥或硅灰[4-5]。

在标准养护条件下，UHPC中的水泥、硅灰常因缺水难以参与水化反应，只充当填充材料，限制了UHPC力学性能的发展，高温养护可加速水泥熟料的水化和火山灰反应，使UHPC在较短时间内获得优异的力学性能[6]。热养护能加速UHPC的水化过程，比标准养护下制备的试件具有更高的早期抗拉压强度和更致密的微观结构[7-8]；高温高湿的养护环境有助于水泥二次水化，优化孔隙结构，对UHPC力学性能的改善效果优于干热养护[9]；采用40、60 ℃热水养护，养护28 d的UHPC试件的抗压强度为160、180 MPa[10]，采用80 ℃热水养护，养护28 d的UHPC试件的抗折强度增大8%～15%[11]；经85 ℃蒸养3 d的UHPC的抗压、抗折强度比标准养护90 d的UHPC分别增大33.3%、3.23%[12]；热养护能显著提高UHPC的早期抗拉压强度，但不利于后期抗拉压强度的发展，在150 ℃干热养护条件下，养护120 d的UHPC的抗压强度减小3%[13-15]；试件经250 ℃干热养护后接触水分，后期抗拉压强度明显减小，在90 ℃蒸养条件下，是否接触水分对试件的强度和微观结构的影响均较小[16]；高温养护升温速率不宜大于20 ℃/h，升温速率过大易导致试件内外温差较大，产生微裂缝[17]。关于养护温度对UHPC性能的影响尚未有统一的定论。

本文通过制备不同配合比的UHPC，对UHPC进行抗拉、抗折、抗压强度和弹性模量试验，分析标准养护和高温养护对UHPC力学性能的影响，研究不同养护温度对UHPC力学性能影响的变化规律，以此确定UHPC工业化的最优技术参数和指导措施。

1 试验材料与配合比

1.1 UHPC原材料

以P.O 42.5普通硅酸盐水泥为原材料，对其进行化学分析和物理、力学性能检测，主要成分MgO、SO3、CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2的质量分数分别为4.26%（技术标准为不大于6.00%）、2.37%（技术标准为不大于3.50%）、60.31%、5.14%、3.02%、20.13%。硅酸钙矿物（CaO和SiO2）的质量分数为80.44%，满足不小于66.00%的标准要求，CaO与SiO2的质量比为2.99，满足不小于2.00的要求[18]。

P.O 42.5普通硅酸盐水泥的主要物理及力学性能指标如表1所示。标准稠度用水量为28.6%，密度为2.62 g/cm3。由表1可知，P.O 42.5普通硅酸盐水泥的物理与力学性能指标符合标准要求[18]。

UHPC的细集料为工业级石英砂，SiO2的质量分数为98.8%；选取粒径分别为0.63～1.25 mm（粗砂）、0.315～0.63 mm（中砂）进行二级掺配，推荐粗砂与中砂的质量比为70∶30。

以减水率为30%的固态粉末状聚羧酸减水剂为UHPC的外加剂。采用长12～16 mm、直径为0.18～0.22 mm、抗拉强度为2 080 MPa的平直形短钢纤维。

1.2 试验配合比

以强度等级UHPC100为目标，以低水胶比、各组分用量规定和要求为设计原则进行UHPC配合比试验研究[19-20]。设计2组UHPC试验配合比如表2所示。

2 制备工艺与养护方法

采用振动搅拌机将称量好的水泥、减水剂、掺合料干拌1 min，加入水，在搅拌锅内慢搅3 min，加入钢纤维、石英砂后快搅1 min，停拌30 s，再快搅1 min。拌制后，采用分层震动法将UHPC试件振实成型。将浆体倒入模具，满1/3处停止倾倒，将模具放置在振动台上，振跳25次后沿试模内壁进行插捣，再倒入剩余浆体，重复此步骤至浆体填满模具，刮除模具表面多余拌合物并抹平，用湿塑料薄膜覆盖试件表面，置于室内24 h后拆模，进行试件养护。

采用标准养护、高温养护2种养护方式。基础养护方法为标准养护，采用标准养护箱，将养护温度调至（20±2）℃，试件拆模后放入养护箱，表面浸没水中，养护龄期分别为3、7、28 d，定期更换水槽内的水确保水质的清洁程度。对比养护方式为高温养护，即将试件放置在恒温水浴中，保持升温速度小于12 ℃/h，升温至70 ℃后，保证恒温箱内温度为（70±2）℃，分别养护3、7、28 d，完成养护后进行抗压、抗折、抗拉等力学性能试验。

3 力学试验与结果分析

3.1 抗压强度与抗折强度

按照文献[21]要求进行试件的抗压、抗折强度试验。采用长、宽、高分别为160、40、40 mm的小梁试件，由每3个试件的平均抗压、抗折强度确定最终破坏荷载。各组试件养护3、7、28 d的抗压强度、抗折强度如表3所示，技术要求抗压强度不小于100 MPa，抗折强度不小于12 MPa[19]。

由表3可知：试件分别经过高温养护与标准养护3、7、28 d后的抗压强度、抗折强度均随养护龄期的增加而增大；与同龄期标准养护试件相比，高温养护A1、A2组试件的抗压强度分别增大9.8%～12.6%、8.9%～12.1%，高温养护后抗压强度的增幅较均匀；高温养护3、7、28 d试件的抗折强度比标准养护试件的增大较显著，A1试件分别增大13.2%、24.7%、18.3%，A2试件分别增大10.6%、13.8%、14.4%；A2试件在2种养护条件下的抗压与抗折强度均比A1试件大，A2-b组试件养护3、7、28 d的抗压强度、抗折强度比A1-a组试件均有大幅增大，分别增大27.9%～52.4%、37.4%～41.1%；2种养护条件下，A1、A2试件养护7 d的抗压强度与抗折强度均高于UHPC的标准要求[22]。推荐A1、A2试件的最佳养护条件为高温养护7 d；若能严格控制高温养护条件，从经济因素考虑选择A2组，并适当考虑养护龄期为3 d。

高温养护能提高水泥的早期水化速度，同时矿物掺合料中具有反应活性的成分能与水泥的水化产物Ca（OH）2反应生成大量C-S-H凝胶体，增大UHPC的早期密实度。矿物掺合料与高温养护的共同作用大大改善UHPC的力学性能。UHPC的早期水化产物可强化其与钢纤维的黏结力，在高温养护环境中，A1-b与A2-b试件的抗折强度增幅比标准养护环境下试件大。

3.2 抗拉强度

参照文献[22]要求进行抗拉强度试验，试验机为MTS-810材料动态测试系统，采用工字形试件，加工试模的结构如图1所示，各组试件养护3、7、28 d的抗拉强度如表4所示。

由表4可知：在高温养护条件下，A1组试件在养护3、7、28 d时的抗拉强度随养护龄期的增加而先增大后缓慢减小，在标准养护条件下，UHPC的抗拉强度随龄期的增加而线性增大；A2组试件在2种养护条件下的抗拉强度均随龄期增加而增大。2种养护条件下，A1、A2组试件养护7 d的抗拉强度均满足

UHPC不小于5.0 MPa的技术要求[22]，高温养护环境下，UHPC的抗拉性能明显更优，2组配比试件的抗拉强度比标准养护试件分别提高49.1%、16.2%；高温养护条件下，A1养护28 d的抗拉强度比养护7 d略小，A2养护7 d的抗拉强度与养护28 d相差不大，为0.3 MPa，高温养护环境对提高后期抗拉强度的效果不大。高温养护7 d为最优养护龄期。依据抗拉强度技术要求，A2组在高温养护条件下也可考虑选择养护龄期为3 d。

高温养护有助于水泥及掺合料水化产物的结晶生长，使其更紧密、均匀地分布在混凝土中，增大UHPC的致密性和均匀性，提高抗拉强度。高温养护条件下，水泥水化产物-钙矾石在混凝土表面聚集形成通道，混凝土界面过渡区出现明显的孔隙和微裂缝，随养护时间的延长而增长。UHPC养护28 d的抗拉强度增大速度缓慢，随龄期继续增加，后期抗拉强度增幅减小。

3.3 弹性模量

依据文献[23]进行静力受压弹性模量试验，采用TYE-2000B型压力试验机，试件长、宽、高分别为100、100、300 mm。各组试件养护3、7、28 d的弹性模量如表5所示。

由表5可知：1）UHPC的弹性模量受养护条件影响产生的变化规律，与抗拉强度的变化规律基本一致。在2种养护条件下，A1、A2组试件的弹性模量均随养护龄期的延长而增大，养护超过7 d时，2组试件的弹性模量均满足UHPC弹性模量不小于40.0 GPa的要求[22]。2）高温养护环境下，A1组试件养护龄期为7、28 d的弹性模量相差不大；A2组试件的弹性模量始终保持线性增大，高温养护28 d时，UHPC的弹性模量最大。高温养护条件下，UHPC中的低密度C-S-H凝胶减少，高密度C-S-H凝胶比标准养护条件下明显增多，养护28 d的UHPC中低、高密度C-S-H凝胶的压痕模量分别提高约4.0%、12.9%[24]，间接增大了UHPC的弹性模量。3）在标准养护下，A1、A2组试件的弹性模量后期增幅均较大，养护28 d试件的弹性模量与高温养护条件下养护7 d试件的弹性模量相当；高温养护使养护7 d试件的弹性模量迅速增大，后期增速较缓。

4 结论

1）研究UHPC在标准养护与高温养护条件下的抗压、抗折、抗拉强度和弹性模量，2种养护条件下，UHPC的抗压强度与抗折强度均随养护龄期的增加而增大，高温养护UHPC的抗压、抗折强度比标准养护条件下的试件均有明显增大。

2）UHPC的抗拉强度与弹性模量受养护条件影响的变化规律基本一致，均为高温养护条件下无矿物掺合料的A1试件的抗拉强度与弹性模量随养护龄期增加而先增大后缓慢减小，A2组线性增大；标准养护条件下，2组试件的抗拉强度与弹性模量随养护龄期增加而线性增大。

3）2种养护方式均有利于提高UHPC的力学性能，工厂化生产选择高温养护（70±2）℃，最佳养护龄期为7 d。UHPC现场施工尽可能采用较高温度养护至28 d。

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The influence of maintenance temperature on the mechanical

properties of UHPC

HOU Qinggang1， QIAO Dawei1， HU Fengjiao1， JIANG Xueni2，

ZHANG Aiqin2， WANG Risheng2

1. Weihai Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Weihai 264200， China;

2. School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357，China

Abstract：To analyze the influence of standard maintenance （20 ℃） and high-temperature maintenance （70 ℃） on the mechanical properties of ultra-high performance concrete （UHPC）， compressive tests， rupture tests， tensile strength tests， and elastic modulus tests are conducted on UHPC samples with different mix proportions under different maintenance methods and maintenance ages （3， 7， 28 days）. The results indicate that high-temperature maintenance effectively improves the mechanical properties of UHPC. The increase in compressive strength is uniform， with a significant increase in rupture strength. The greatest increase in compressive and rupture strength of UHPC is observed at 7 days of maintenance， while the increase of that is slower at 28 days. The trends for the increase in tensile strength and elastic modulus of UHPC are consistent， reaching their peak at 7 days of maintenance， and stabilizing or slightly decreasing at 28 days of maintenance. The maintenance temperature is （70±2） ℃， with a maintenance age of 7 days.

Keywords：UHPC; standard maintenance;high temperature maintenance; strength; elastic modulus

（责任编辑：王惠）

收稿日期：2022-11-22

基金项目：山东省交通运输科技计划项目（2023B90）

第一作者简介：侯庆刚（1979—），男，辽宁庄河人，高级工程师，主要研究方向为道路与桥梁设计，E-mail：19861835974@139.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.006