桂許蘭， 詹微微， 龍行航

(重慶交通職業(yè)學(xué)院， 重慶 402247)

0 引言

水泥基超高性能混凝土(UHPC)作為一種新型水硬性膠凝復(fù)合材料，1994年首次被LARRARD等[1]提出，已多次應(yīng)用于公路、高速鐵路、核電設(shè)施和房屋建筑等結(jié)構(gòu)工程中。目前，中國仍處于基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)時期，隨著綠化環(huán)保、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展等理念不斷深入，相關(guān)政策對工程建設(shè)也提出了更高的要求。超高性能混凝土可以顯著延長結(jié)構(gòu)主體的使用壽命、提高工程質(zhì)量、增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力，有助于水泥工業(yè)和建筑產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品升級[2]。由于UHPC的研究和應(yīng)用主要集中于發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)體，國內(nèi)雖然對其需求極為迫切，但有關(guān)方面研究仍然不足；且其價格較普通混凝土高出不少，影響了它在國內(nèi)工程中的應(yīng)用[3-4]。本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀著重介紹了UHPC的制備原理和方法、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、纖維增強(qiáng)和增韌機(jī)理、原材料選擇和養(yǎng)護(hù)方式等，分析了UHPC抗壓強(qiáng)度的影響因素，進(jìn)一步探究了水泥基超高性能混凝土的增強(qiáng)、增韌措施。

1 制備UHPC的基本原理和方法

1.1 UHPC的制備原理

混凝土作為一種不均勻材料的多相體結(jié)構(gòu)，孔隙是影響其強(qiáng)度的重要因素。因此，減小孔隙率、優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)、提高堆積密度和摻入纖維是混凝土提高強(qiáng)度的有效途徑，也是制備UHPC的主要原理和基本方法。POWERS[5]提出膠空比的概念來表明高性能混凝土孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)膠凝材料的水化程度和水化產(chǎn)物填充原始空隙的程度決定了混凝土本身的強(qiáng)度。LARRARD 等[1]認(rèn)為水泥基超高性能混凝土的力學(xué)表現(xiàn)與材料的堆積密度相關(guān)，堆積密度越高，空隙率越小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大。SHERIF等[6]通過在混凝土原材料拌制過程中加入鋼纖維，獲得了抗拉強(qiáng)度為15.9MPa的良好性能混凝土。

UHPC基于活性粉末混凝土的制備原理，剔除粗骨料，采用顆粒小、均勻且強(qiáng)度高的細(xì)骨料，同時摻入粉煤灰、硅粉等超細(xì)活性礦物膠凝材料，使之很好地填充于骨料的孔隙之中，從而減小孔隙率，提高原材料的堆積密度。在原材料的拌制過程中加入鋼纖維等提高混凝土的抗拉性能;在硬化和養(yǎng)護(hù)階段，通過加壓和高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，使內(nèi)部更多的C-S-H生成硅鈣石。

1.2 UHPC的制備方法

1.2.1材料組成

UHPC作為一種科技含量較高的新型建筑材料，各個國家的研究工作者對它進(jìn)行了大量的配合比組成設(shè)計。美國規(guī)范規(guī)定在AASHTO TypeⅡ梁中采用80級焊接鋼筋網(wǎng)取代UHPC中的鋼纖維，發(fā)現(xiàn)其抗剪強(qiáng)度超過采用鋼纖維的UHPC梁，且施工方便，成本大大降低[7]。YIGITER等[8]用超細(xì)粉煤灰代替60%的水泥，并在養(yǎng)護(hù)過程中加壓,獲得了抗壓強(qiáng)度為338MPa的混凝土。很多學(xué)者對強(qiáng)度為200～300MPa的粉末混凝土進(jìn)行了配制試驗研究[9-12]。

摻入各種纖維可以獲得較高強(qiáng)度的UHPC，其中鍍銅細(xì)鋼纖維最為普遍，這也是UHPC價格居高不下的原因之一。張彭成[13]、柯開展等[14]將碳纖維代替鋼纖維應(yīng)用于UHPC中，進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能試驗，發(fā)現(xiàn)替換以后的UHPC抗壓強(qiáng)度雖有一定增加，但混凝土的脆性也隨之增加，導(dǎo)致UHPC韌性不足。

為了深入貫徹綠色環(huán)保、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展等理念，采用超細(xì)粉煤灰、鋼渣粉、偏高嶺土和超細(xì)礦粉等代替一部分水泥和硅灰，不僅有利于環(huán)保，還可以降低材料成本[15-18]。

1.2.2養(yǎng)護(hù)方式

高溫、高壓是UHPC獲得高強(qiáng)度和高韌性的關(guān)鍵因素。溫度越高，參與反應(yīng)的火山灰活性材料越多，混凝土內(nèi)部也就更密實。高溫加壓養(yǎng)護(hù)能夠加速火山灰反應(yīng)，并改變已形成水化物的微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)結(jié)晶水化物的形成與硬化漿體的脫水[19]。在高溫、高壓的同時加入蒸汽養(yǎng)護(hù)可以顯著提高材料的力學(xué)性能，加快收縮速度，提高混凝土的抗?jié)B能力[20]。然而，蒸汽養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致UHPC的制造成本進(jìn)一步提高，在施工現(xiàn)場也難以實現(xiàn)。

2 超高性能的機(jī)理

2.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

UHPC的高強(qiáng)度與其內(nèi)部的高度密實性有很大關(guān)系。在強(qiáng)度形成階段，蒸壓養(yǎng)護(hù)能降低C-S-H凝膠中的CaO/SiO2含量，使UHPC混凝土內(nèi)部形成針狀和片狀的托勃莫來石。高溫可促進(jìn)水泥、粉煤灰、硅灰和石英粉的火山灰活化反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到250℃時，UHPC中出現(xiàn)硬硅鈣石[21]。隨著養(yǎng)護(hù)溫度增加，C-S-H平均鏈長增加。堿激發(fā)水泥等活性粉末材料在抗壓強(qiáng)度相同的情況下，具有更高的抗彎性能、粘結(jié)性能和斷裂能。膠凝材料活性物質(zhì)中的CaO/SiO2含量較低，其微米級的孔結(jié)構(gòu)有利于水分進(jìn)出，因此具有更好的抗火性能。

2.2 纖維增強(qiáng)、增韌機(jī)理

UHPC基體中膠凝材料的粒徑較小，這些膠結(jié)顆粒與鋼纖維之間的粘結(jié)滑移、拉拔、橋接和分布方向都是決定UHPC強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。沒有添加鋼纖維的UHPC試件，在軸心受壓時，由于試塊內(nèi)部集聚了大量能量，破壞時呈現(xiàn)一定的爆炸性[22]。因此，UHPC脆性較普通混凝土更為明顯。在UHPC混凝土試塊中摻入一定量的纖維可以增加韌性、減小脆性破壞，纖維以直徑0.2mm、長細(xì)比55～70的細(xì)纖維為主，摻入量在3.5%左右。

在初凝階段，UHPC中添加的纖維(金屬纖維、無機(jī)纖維、有機(jī)纖維)對基體干縮產(chǎn)生抑制作用，有效降低了混凝土的初始缺陷；在工作階段，纖維通過與基體之間的高強(qiáng)度粘結(jié)，相互之間形成了橋連作用，抑制了混凝土內(nèi)部裂縫開展，如圖1所示。因此，纖維的加入不僅抑制了UHPC裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，也增強(qiáng)了其韌性和延性，從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。

圖1 纖維橋連作用示意圖

從細(xì)觀角度上看，超高性能混凝土結(jié)構(gòu)的破壞過程實際上是材料內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展和貫通的過程。當(dāng)荷載增加到混凝土產(chǎn)生裂縫時，開裂處的纖維受到周圍混凝土基體約束而不能被全部拉出，殘留的纖維拉力將開裂斷口拉住，同時提供一定的應(yīng)力支撐，從而抑制了裂縫繼續(xù)發(fā)展[23]。UHPC基體的高密實性大大增加了纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，使纖維在UHPC基體中增強(qiáng)、增韌的效果得到充分發(fā)揮，從而使UHPC構(gòu)件的受力性能大幅提高。

3 強(qiáng)度影響因素分析

3.1 膠凝材料的影響

膠凝材料主要指水泥和活性細(xì)粉摻合料。水泥的等級越高，UHPC的抗壓強(qiáng)度也就越高[24];活性細(xì)粉摻合料主要指硅灰、超細(xì)粉煤灰和超細(xì)礦渣粉等，摻和料的粒徑越小，空隙填充效應(yīng)越好，參與反應(yīng)的活性物質(zhì)也就越多，從而改善UHPC混凝土的流動性，提高其力學(xué)性能。

當(dāng)硅灰摻量不超過25%時，UHPC試件的強(qiáng)度隨著硅灰摻量增加而增大；當(dāng)超過25%時，材料成本增加并且強(qiáng)度提升效果不再明顯。因此，一般硅灰的摻量控制在15%～25%。為了降低材料成本，可以采用等質(zhì)量的超細(xì)粉煤灰和礦渣替換部分水泥和硅灰；為了保證UHPC混凝土的強(qiáng)度，摻合料的使用不宜超過膠凝材料質(zhì)量的20%[25]。

3.2 養(yǎng)護(hù)方式的影響

UHPC的養(yǎng)護(hù)方式有熱水養(yǎng)護(hù)、高溫干熱養(yǎng)護(hù)、高溫高壓養(yǎng)護(hù)、高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)以及組合養(yǎng)護(hù)[26]。高溫是水泥基超高性能混凝土獲得高強(qiáng)度和高性能的關(guān)鍵因素，它可加速膠凝材料的火山灰活性反應(yīng)。分析各種養(yǎng)護(hù)方式對UHPC強(qiáng)度的影響可以發(fā)現(xiàn)： ① 對強(qiáng)度而言， 高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)>高溫高壓養(yǎng)護(hù)>高溫干熱養(yǎng)護(hù)>熱水養(yǎng)護(hù)；② 高溫干熱、高溫蒸汽、熱水養(yǎng)護(hù)均能有效提高UHPC的早期強(qiáng)度，最終強(qiáng)度也有很大程度提高；③ 高溫養(yǎng)護(hù)完成后，由于活性粉末膠凝材料大都反應(yīng)完成，所以后期強(qiáng)度增長比較緩慢；④ 對濕熱養(yǎng)護(hù)時間而言，在混凝土澆筑完成后，90℃左右熱水養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)的最佳養(yǎng)護(hù)時間為3d左右，時間進(jìn)一步增加對強(qiáng)度的影響不大[27-28]。

3.3 纖維的影響

鋼纖維通過對閉合裂紋的橋連拉結(jié)作用增大了UHPC的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高其韌性和抗剪強(qiáng)度，并使其受壓時由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞。黃育等[29]研究了不同鋼纖維對粉末混凝土的性能影響，發(fā)現(xiàn)鋼纖維對粉末混凝土的抗拉、抗剪提升較為明顯，可防止混凝土在高壓時出現(xiàn)爆炸性破壞。鋼纖維對UHPC抗壓性能的提升沒有對抗拉和抗剪性能的提升那么明顯。鋼纖維的含量過高，不僅增加了UHPC的材料成本，而且使混凝土的流動性降低，對抗壓強(qiáng)度的提高效率也較低。鋼纖維的形狀對混凝土強(qiáng)度的影響也較為明顯，研究顯示采用端勾型鋼纖維能進(jìn)一步增強(qiáng)UHPC的強(qiáng)度。

聚丙烯纖維強(qiáng)度高、彈性好、耐久性強(qiáng)，是化學(xué)纖維中較好的混凝土摻合料。楊兆鵬[30]研究了聚丙烯纖維對粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及折壓比的影響，綜合考慮各方面因素，推薦0.2%聚丙烯纖維摻量為最佳配合比。

張彭成等[13]采用碳纖維替代部分鋼纖維進(jìn)行粉末混凝土的配制，發(fā)現(xiàn)其抗折強(qiáng)度下降而抗壓強(qiáng)度有所提高?？麻_展等[14]采用碳纖維替代鋼纖維配制粉末混凝土并展開試驗研究，發(fā)現(xiàn)其最終破壞形態(tài)表現(xiàn)出很大的脆性破壞。

3.4 外加劑的影響

為了使UHPC獲得較高的強(qiáng)度，采用較低的水灰比是有效方法之一。當(dāng)水灰比較低時，為了保證混凝土的流動性，有必要加入適量的高效減水劑[31]。聚羧酸高效減水劑具有相容性好、減水效率高(減水效率為30%左右)、使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，在UHPC的配置過程中應(yīng)用廣泛，摻量可取膠凝材料質(zhì)量的2%～3%，早強(qiáng)型聚羧酸減水劑則效果更佳。

4 結(jié)論

從UHPC的提出和制備原理出發(fā)，通過對UHPC的材料組成、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)方式和纖維增強(qiáng)、增韌機(jī)理展開介紹，分析了膠凝材料、養(yǎng)護(hù)方式、纖維和外加劑對水泥基超高性能混凝土強(qiáng)度的影響。得到以下結(jié)論：

1) 以超細(xì)粉煤灰代替部分水泥并摻入硅灰等活性材料，通過加壓高溫蒸養(yǎng)可以在UHPC內(nèi)部生成更多的C-S-H。

2) 摻入0.2%的聚丙烯纖維，可以顯著提高UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度，提高其力學(xué)性能。

3) 聚羧酸高效減水劑可以在低水灰比的條件下使UHPC保持良好的流動性。