鄭麗，陳露一，石俊華，龔玉杰，李承福

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；2.中鐵橋研科技有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，結(jié)合了高性能混凝土和纖維復(fù)合材料的性能特點，具有超高的強(qiáng)度、耐久性和韌性。相較于普通混凝土，UHPC中膠凝材料用量大，在水化早期會釋放出更多的熱量，此時混凝土尚處于塑性階段，抗裂性能較差，若熱量不能盡快散發(fā)出去，混凝土內(nèi)部便容易產(chǎn)生溫度裂縫，甚至造成表面開裂的現(xiàn)象。因此，UHPC常應(yīng)用于鋼橋面板鋪裝或局部修補(bǔ)加固等薄壁、小體積結(jié)構(gòu)中，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少[1-4]。

采用低熱硅酸鹽水泥或增大礦物摻合料摻量，從而控制混凝土膠凝材料水化放熱量，減少溫度裂縫，是配制大體積混凝土的有效途徑[5-7]。低熱硅酸鹽水泥（簡稱低熱水泥）具有水化熱低、需水量小、體積穩(wěn)定性好、抗硫鋁酸鹽侵蝕能力強(qiáng)、后期強(qiáng)度高等特點[8-10]。目前針對低熱水泥的研究主要集中在配制大體積普通混凝土方面。因此，本文采用中熱硅酸鹽水泥（簡稱中熱水泥）、低熱水泥替代普通硅酸鹽水泥（簡稱普硅水泥）制備UHPC，對中熱水泥、低熱水泥、大摻量礦物摻合料制備的UHPC水化放熱、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為配制大體積UHPC的研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級低熱硅酸鹽水泥及42.5級中熱硅酸鹽水泥，媧石水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，3種水泥的物理力學(xué)性能見表1，主要礦物組成見表2。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 水泥的主要礦物組成 %

（2）核心料：自主研發(fā)，HX120型，由多種礦物摻合料、高效減水劑以及其他功能助劑預(yù)混制成，其中礦物摻合料占比約為85%，各材料均采用粉狀，核心料的需水量比為68%，含水量為0.1%，主要化學(xué)成分如表3所示。

表3 核心料的主要化學(xué)成分 %

（3）石英砂：黃岡某公司生產(chǎn)的水洗烘干石英砂，SiO2含量98.2%，由20～40目、40～70目2種粒徑按4∶6的質(zhì)量比配合使用，混合后石英砂的細(xì)度模數(shù)為2.2。

（4）鋼纖維：山東某公司產(chǎn)鍍銅鋼纖維，規(guī)格為Φ0.2 mm×13 mm，抗拉強(qiáng)度2800 MPa，形狀合格率98%。

（5）水：自來水。

1.2 混凝土配合比

按照表4配合比，分別采用低熱水泥、中熱水泥、普硅水泥配制UHPC，編號分別為UHPC-L、UHPC-M、UHPC-W；編號UHPC-MA在UHPC-W配合比基礎(chǔ)上減少了水泥用量，增加了核心料與細(xì)骨料用量，提高了配合比中礦物摻合料摻量，作為大摻量礦物摻合料混凝土對照組；4組混凝土擴(kuò)展度按（600±10）mm控制，將試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行性能測試。

表4 超高性能混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

因低熱水泥凝結(jié)時間較長，所有混凝土試件在實驗室[溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%]覆膜養(yǎng)護(hù)2 d后再拆模移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2）℃、相對濕度≥95%]中，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》對4組混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行測試，其中抗壓強(qiáng)度試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，劈裂試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，測試結(jié)果不乘尺寸換算系數(shù)。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中自收縮和干燥收縮試驗方法對體積穩(wěn)定性進(jìn)行測試，自收縮從初凝開始測試7 d（168 h），干燥收縮試件拆模后包裹保鮮膜，置于溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的實驗室內(nèi)干燥養(yǎng)護(hù)7 d后拆除保鮮膜開始測試，測試至84 d。按照GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》對混凝土膠材組分進(jìn)行水化熱測試。同時為了進(jìn)一步了解低熱水泥水化過程中對UHPC其內(nèi)部溫度的影響特點，按照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》對UHPC-L和UHPC-W兩組混凝土進(jìn)行絕熱溫升測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 UHPC的力學(xué)性能對比

分別采用低熱水泥、中熱水泥、普硅水泥、高礦物摻合料配制UHPC的抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度如圖1、圖2所示。

圖1 不同水泥配制UHPC的抗壓強(qiáng)度

圖2 不同水泥配制UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖1可知，養(yǎng)護(hù)早期4組UHPC的抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速，14 d后抗壓強(qiáng)度增長較為平緩。UHPC-W組混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度最高，其28、56 d抗壓強(qiáng)度分別為144.0、149.5 MPa；其他3組UHPC抗壓強(qiáng)度相差不大，相較于UHPC-W組混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，養(yǎng)護(hù)至14 d齡期時，抗壓強(qiáng)度才增長至120 MPa左右，養(yǎng)護(hù)到56 d齡期時，3組UHPC的抗壓強(qiáng)度由高到低分別為UHPC-MA>UHPC-L>UHPC-M，56 d抗壓強(qiáng)度分別為142.8、138.0、136.3 MPa。

由圖2可知，4組UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)性，與抗壓強(qiáng)度相似，混凝土在養(yǎng)護(hù)早期劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展迅速，14 d后劈裂抗拉強(qiáng)度增長較為緩慢。UHPC-W組混凝土各齡期劈裂抗拉強(qiáng)度最高，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到23.4 MPa。UHPC-M組、UHPC-L組混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別為17.8、19.2 MPa，低于UHPC-MA組（19.7 MPa）。

由于普硅水泥、中熱水泥、低熱水泥因組成成分不同，其水化速度也不相同，普硅水泥中水化速率快的C3S和C3A礦物組分含量多，水化早期形成的C-S-H膠凝多，強(qiáng)度發(fā)展快，而中、低熱水泥中C2S礦物組分含量較多，具有早期水化速率慢，后期強(qiáng)度增長率高的特點。因此，在養(yǎng)護(hù)的前3 d齡期，UHPC-W組混凝土強(qiáng)度增長率更大，而UHPC-M、UHPC-L組混凝土養(yǎng)護(hù)至14 d齡期時抗壓強(qiáng)度才超過120 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度超過15 MPa。UHPC-MA組混凝土中，水泥用量減少、礦物摻合料用量增加，混凝土水化速率降低，因此基體早期強(qiáng)度增長變慢，后期隨著水泥進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)、礦物摻合料的火山灰反應(yīng)加劇以及細(xì)小顆粒的填充效應(yīng)，使混凝土基體結(jié)構(gòu)更加密實，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增長高于UHPC-M和UHPC-L組。

總的來說，中、低熱水泥配制UHPC或降低水泥用量都會使UHPC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低，其中低熱水泥或降低水泥用量配制UHPC對混凝土力學(xué)性能的影響程度相近，中熱水泥配制UHPC對混凝土力學(xué)性能的降低最顯著。

2.2 UHPC的收縮性能對比

分別采用低熱水泥、中熱水泥、普硅水泥、高礦物摻合料配制UHPC的自收縮如圖3所示，干燥收縮如圖4所示。

圖3 不同水泥配制UHPC的自收縮

由圖3可知，初凝至10 h，4組UHPC的自收縮增長迅速，其中UHPC-W組混凝土的自收縮最大，UHPC-L組混凝土的自收縮最小。4組UHPC的自收縮達(dá)到最大值后均有小幅回落，然后又呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，至168 h時，UHPC-L、UHPC-M、UHPC-MA、UHPC-W的自收縮分別增長至309×10-6、499×10-6、769×10-6、771×10-6，UHPC-W與UHPC-MA組的自收縮相近，高于另外2組，UHPC-L組混凝土的自收縮最小，僅為UHPC-W組自收縮的40%。

UHPC自收縮經(jīng)時曲線仍符合普通混凝土兩階段發(fā)展規(guī)律。在第一階段自收縮快速發(fā)展階段（初凝后～24 h），相對于UHPC-L組與UHPC-M組，UHPC-W組混凝土在水化早期混凝土水化更迅速且放熱量大，基體內(nèi)自干燥以及孔隙內(nèi)相對濕度下降較快，收縮量增長快且大，因此在此階段UHPC-W組混凝土的自收縮較高。在第二階段自收縮穩(wěn)定發(fā)展階段（24～168 h），膠凝材料水化仍持續(xù)進(jìn)行，自干燥作用依舊存在。但因UHPC的強(qiáng)度開始迅速提高，對于混凝土體積變形的約束增強(qiáng)，所以自收縮的增長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一階段。隨齡期延長，自收縮的增幅越來越小，在140 h后趨于穩(wěn)定。UHPC中水泥用量遠(yuǎn)高于普通混凝土，且水膠比低，僅部分水泥參與水化，未參與水化部分以最緊密堆積的方式填充于基體中[11]。UHPC-MA組混凝土雖然部分水泥被礦物摻合料和細(xì)砂替代，水泥用量減少，早期水化速率降低，但UHPC中參與水化反應(yīng)的水泥用量充足，隨著水化反應(yīng)時間的延長，礦物摻合料火山灰反應(yīng)加劇，基體中Ca（OH）2濃度降低，促使了礦物熟料進(jìn)一步水化反應(yīng)，混凝土自收縮變形增大，因此在養(yǎng)護(hù)后期，UHPC-MA組混凝土自收縮逐漸接近UHPC-W組。

由圖4可知，4組UHPC的干燥收縮變化趨勢相似，均是早齡期增長較快，到28 d齡期時基本趨于穩(wěn)定，UHPC-M組混凝土的干燥收縮最大，然后依次是UHPC-L組、UHPC-W組和UHPC-MA組，28 d干燥收縮值分別為445×10-6、405×10-6、326×10-6、316×10-6；而從28d齡期延長到84 d齡期，4組混凝土的干燥收縮分別增長了7.9%、9.9%、9.8%、7.9%。

圖4 不同水泥配制UHPC的干燥收縮

從上述結(jié)果可知：UHPC的長齡期干燥收縮會在較短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，這主要和其自身的材料組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)[12-14]，UHPC早期水化反應(yīng)較快，使得混凝土內(nèi)部快速形成致密的結(jié)構(gòu)體系，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)致密，使其在干燥狀態(tài)下的失水變得較為困難，在干燥狀態(tài)下的失水也僅僅只能讓其表層結(jié)構(gòu)中毛細(xì)孔中的水分散失，因此就使得混凝土在干燥狀態(tài)下的收縮可較快穩(wěn)定。由于水泥中的熟料成分不同，中、低熱水泥相較于普硅水泥水化反應(yīng)緩慢且持續(xù)時間長，基體強(qiáng)度相對較低且孔隙率大，混凝土在干燥狀態(tài)下更容易產(chǎn)生收縮形變，因此，UHPC-L組和UHPC-M組混凝土在各齡期的干燥收縮高于UHPC-W組、UHPC-MA組。

將混凝土的168 h自收縮與84 d干燥收縮相加后得到UHPC的總收縮，由小到大依次為UHPC-L組＜UHPC-M組＜UHPC-MA組＜UHPC-W組，總收縮分別為754×10-6、979×10-6、1110×10-6、1129×10-6。通過收縮試驗可知，采用中、低熱水泥配制UHPC可以顯著減小混凝土的自收縮，但會增大混凝土的干燥收縮，相較于普硅水泥，中、低熱水泥配制的UHPC總收縮減小，其中低熱水泥配制的UHPC總收縮最小，比普硅水泥配制的UHPC減小了33%。降低UHPC水泥用量可以在一定程度上減小混凝土的自收縮與干燥收縮，但改善效果較弱，總收縮與普硅水泥組UHPC相差不大。

2.3 不同水泥配制UHPC膠凝體系熱學(xué)性能對比

4組UHPC膠凝材料的水化放熱曲線如圖5所示。

圖5 不同水泥配制UHPC的水化熱對比

由圖5可知，4組UHPC膠凝材料的單位質(zhì)量放熱量由大到小依次為UHPC-W組＞UHPC-MA組＞UHPC-M組＞UHPC-L組，同時UHPC-W組混凝土最先到達(dá)單位質(zhì)量放熱最大功率，UHPC-L組混凝土放熱功率最低且最晚到達(dá)最大功率。由此可知，采用中、低熱水泥或者增大礦物摻合料用量減少水泥用量配制UHPC，可以延緩混凝土的水化反應(yīng)速率，同時降低單位質(zhì)量膠凝材料的放熱量，其中，低熱水泥在降低UHPC水化熱方面效果最顯著。提高礦物摻合料摻量、降低水泥用量配制UHPC對混凝土降低水化熱的效果與采用中熱水泥配制UHPC的效果相當(dāng)。

為了進(jìn)一步了解低熱水泥配制UHPC對膠凝體系水化熱的影響，對UHPC-L組和UHPC-W組進(jìn)行絕熱溫升對比試驗，測試水泥水化過程中混凝土的絕熱溫升變化，結(jié)果如圖6所示。

圖6 低熱水泥與普硅水泥配制UHPC的絕熱溫升對比

由圖6可知，2組混凝土的絕熱溫升變化趨勢相同，早期混凝土中心溫度上升緩慢，隨后迅速增長至最高值，最后趨于穩(wěn)定。采用低熱水泥配制的UHPC-L組混凝土絕熱溫升溫峰出現(xiàn)在入模52 h，達(dá)到73℃，出現(xiàn)溫峰時間較普硅水泥UHPC-W組混凝土明顯延長，這是因低熱水泥中以C2S為主導(dǎo)礦物設(shè)計，C2S單礦物水化熱約為同齡期C3S水化放熱量的40%[15]，有效延緩了水泥的早期水化放熱速率，對降低混凝土絕熱溫升有積極作用。但隨著越來越多的膠凝材料參與水化反應(yīng)，放熱量增加，混凝土內(nèi)部溫度逐漸升高到普硅水泥UHPC-W組最高溫度，因此，單純地采用低熱水泥配制UHPC來降低混凝土絕熱溫升效果有限。

3 結(jié)論

（1）采用普硅水泥配制的UHPC力學(xué)性能最好，28 d抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度分別為144.0、23.4 MPa；采用中、低熱水泥配制的UHPC力學(xué)性能低于大摻合料組UHPC，56 d抗壓強(qiáng)度分別為136.3、138.0 MPa，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別為17.8、19.2 MPa，其中采用低熱水泥配制的UHPC力學(xué)性能優(yōu)于采用中熱水泥配制的UHPC。

（2）采用中、低熱水泥配制UHPC可以降低混凝土的自收縮，但會增大混凝土的干燥收縮，相較于普硅水泥，采用中、低熱水泥配制的UHPC自收縮和干燥收縮的收縮總量是減小的，且低熱水泥的效果優(yōu)于中熱水泥，低熱水泥配制的UHPC總收縮量比普硅水泥組降低了33%。增大礦物摻合料摻量配制UHPC能降低混凝土的早期自收縮量，在降低長齡期干燥收縮方面效果不太明顯。

（3）采用中、低熱水泥配制UHPC可以降低混凝土的水化速率，同時延緩到達(dá)最大水化速率的時間，對減少單位質(zhì)量膠凝材料的放熱量效果明顯，中、低熱水泥在降低UHPC水化熱方面相差不大。提高礦物摻合料摻量配制UHPC能有效降低混凝土的水化放熱量，但效果弱于中、低熱水泥。

（4）低熱水泥配制UHPC可以延緩絕熱溫升峰出現(xiàn)的時間及早期水化放熱速率，但養(yǎng)護(hù)2 d后，混凝土內(nèi)部溫升并未降低，與普硅水泥配制的UHPC溫升相同，單純地采用低熱水泥配制UHPC來降低混凝土絕熱溫升效果有限。