組合養(yǎng)護對超高性能混凝土的性能優(yōu)化研究綜述

劉 瑩

北京交通大學土木建筑工程學院

1 引言

自1994 年Larrard 等[1]提出超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）概念后，UHPC以其突出的技術(shù)優(yōu)點如超高的強度、耐久性等，逐漸廣泛應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)、大跨橋梁等多種結(jié)構(gòu)，例如我國深圳的京基100 大廈[2]、西班牙的馬德里雷納索菲亞博物館（ReinaSofia Museum in Madrid）、瑞士的Chillon高架橋。又因UHPC 滿足工程輕量化、高層化、耐久化、大跨化的技術(shù)要求，符合綠色人文的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，故其近年來已逐漸成為土木工程領(lǐng)域的研究與發(fā)展熱點。

養(yǎng)護不當會直接造成混凝土力學性能及耐久性劣化，甚至可能產(chǎn)生疏松脫落、開裂等嚴重地宏觀破壞現(xiàn)象，是影響工程結(jié)構(gòu)正常施工和使用的重要原因之一。因此，如何確保UHPC 具有合理、高效的養(yǎng)護制度就需要我們進行深入的研究探索。結(jié)合目前的研究成果，筆者認為最具優(yōu)勢的養(yǎng)護制度為組合養(yǎng)護。

2 UHPC養(yǎng)護制度研究現(xiàn)狀

眾多研究表明，混凝土的性能與其養(yǎng)護制度息息相關(guān)。與普通混凝土類似，養(yǎng)護制度也在很大程度上制約著UHPC 的宏觀性能，并對其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。

熱養(yǎng)護可明顯地加速UHPC 水泥水化和火山灰反應(yīng)的進程，增強水泥界面黏結(jié)力，進而改善其力學性能與微觀結(jié)構(gòu)[3]。目前，已有眾多學者對此進行了探索，并在實驗中取得了有價值的研究成果。其中，采用較多的熱處理養(yǎng)護制度包括：濕熱養(yǎng)護（包括熱水養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護）、高壓養(yǎng)護和干熱養(yǎng)護；常用溫度有：60℃、90℃、160 ℃、200℃和250℃[8]。

同時，熱養(yǎng)護的環(huán)境溫度、起始時間和養(yǎng)護時長也是影響UHPC 性能的幾個重要因素。Tam 等[5]分別研究了熱養(yǎng)護溫度（100℃、150℃、200℃和250℃）和時長（8 h 和24 h）對UHPC內(nèi)部水化進程和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果顯示，UHPC 水化產(chǎn)物的晶體類型會隨熱養(yǎng)護溫度的不同發(fā)生變化。此外，延長熱養(yǎng)護時間也有助于生成更為致密的水化產(chǎn)物晶體。

為了獲得性能更佳的UHPC，學者們還對多種不同的熱養(yǎng)護制度展開了探討。Yang等[6]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)90 ℃熱水養(yǎng)護6d后，UHPC 的抗壓強度、抗彎強度和斷裂能較20℃常溫水養(yǎng)時有所提高。Shen等[19]指出，蒸汽養(yǎng)護可以顯著提高UHPC 的抗壓強度。Yaz?c? 等[7-8]認為適當提高蒸壓養(yǎng)護的溫度與壓力，可提高C-SH 結(jié)晶度，從而改善UHPC 力學性能。此外，高小健等[18]還采用微波養(yǎng)護對摻加了礦渣的UHPC 進行了力學性能的相關(guān)研究，實驗結(jié)果表明微波養(yǎng)護可顯著增強摻礦渣UHPC的早期強度。

除上述幾種單一養(yǎng)護制度外，一些組合養(yǎng)護制度也逐漸進入了學者們的研究視線。Liu 等[9]對水膠比0.20、水泥用量150 kg/m3的UHPC 進行了抗壓、抗彎試驗，研究指出，與單獨90℃蒸汽養(yǎng)護3d 相比，在此基礎(chǔ)上再進行150℃干熱養(yǎng)護1d 的UHPC，其抗壓強度和抗彎強度分別提高了97%和70%。Hiremath 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，熱水-干熱組合養(yǎng)護可以顯著提高UHPC的早期抗壓強度，其中干熱養(yǎng)護的溫度、持續(xù)時長為重要影響因素。當養(yǎng)護制度為90℃熱水養(yǎng)護12h+200℃干熱養(yǎng)護7d時，UHPC內(nèi)部生成大量硬硅鈣石晶體，使其抗壓強度可達180MPa，較齡期為28d的常溫水養(yǎng)提高了63%。此外，牛旭婧所在課題組[17]也在實驗中探索出了一種更具優(yōu)勢的組合養(yǎng)護制度（90℃熱水養(yǎng)護2d+250℃干熱養(yǎng)護3d），尤其對鋼纖維增強UHPC 的力學性能優(yōu)化有著顯著效果。

3 組合養(yǎng)護對UHPC性能的優(yōu)化

UHPC 所具有的超高強度、韌性、耐久性等綜合性能是其一直以來備受工程師青睞的主要原因，也是其能更為廣泛地在建筑結(jié)構(gòu)中得以應(yīng)用的重要保障[8]。研究表明，組合養(yǎng)護對于改善UHPC的力學性能、耐久性等具有明顯的優(yōu)勢。

3.1 抗壓強度與劈裂抗拉強度

牛旭婧等[11]采用表1 所示的養(yǎng)護制度對水膠比為0.18 的素UHPC進行養(yǎng)護，其抗壓強度和劈裂抗拉強度如圖1所示。

表1 養(yǎng)護制度[11]

試驗結(jié)果表明，相比于單一熱養(yǎng)護（HW2 和200DA2），組合養(yǎng)護制度可顯著提高UHPC 的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且熱水-干熱組合養(yǎng)護效果最為明顯。此外，UHPC 的抗壓強度和劈裂抗拉強度也會隨組合養(yǎng)護中干熱養(yǎng)護的持續(xù)時長發(fā)生變化。

此外，引入干熱養(yǎng)護的時機及干熱養(yǎng)護持續(xù)時長對UHPC的最終強度有一定的影響，這可能與不同養(yǎng)護制度下混凝土內(nèi)部水分分布規(guī)律不同有關(guān)系[12]。組合養(yǎng)護中期的干熱養(yǎng)護階段可以營造出一種高溫干燥的環(huán)境，這會起到兩個作用：一方面高溫可以加速水泥顆粒的水化反應(yīng)，并促進礦物摻和料參與二次水化；另一方面，干熱養(yǎng)護也會使混凝土內(nèi)部自由水蒸發(fā)比較嚴重，從而影響UHPC的強度。

圖1 經(jīng)歷不同養(yǎng)護制度后素UHPC的抗壓強度和劈裂抗拉強度[11]

組合養(yǎng)護提高UHPC 力學性能的機理[11]為：熱水養(yǎng)護促進UHPC 水泥水化和火山灰反應(yīng)，提高其水化程度，大量均勻分布的C-S-H 凝膠使得UHPC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密；干熱養(yǎng)護提供相對密封的養(yǎng)護環(huán)境，阻止UHPC內(nèi)部自由水逸出，隨加熱溫度升高，UHPC 內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽壓力得以維持，達到類似于蒸壓養(yǎng)護[13-14]的效果進而明顯提高其力學性能。

3.2 斷裂能

除強度外，學者們還對UHPC的斷裂能進行了研究分析。

牛旭婧等[11]對比研究了標養(yǎng)27d（NW）、90℃熱水養(yǎng)護2d+200℃干熱養(yǎng)護（HW2-200DA1/2/3）、90℃熱水養(yǎng)護2d+250℃干熱養(yǎng)護3d（HW2-250DA3）三種養(yǎng)護方式對UHPC 斷裂能的影響。試驗結(jié)果表明，熱水-干熱組合養(yǎng)護還有利于提高UHPC的斷裂能。

而就Yang 等[6]關(guān)于90℃熱水養(yǎng)護這一單一養(yǎng)護方式對UHPC斷裂能影響的研究結(jié)果而言，前者的斷裂能僅比20℃水養(yǎng)時提高了15%。此外，我國的張勝[15]等人也提出了類似觀點，即濕熱養(yǎng)護有利于改善水泥石與鋼纖維的界面，使得UHPC的抗壓、抗折強度和斷裂能較標準養(yǎng)護時均有所提升，但同時文獻也指出采用蒸汽養(yǎng)護的試件后期強度會出現(xiàn)不同程度的倒縮。

3.3 高溫爆裂

建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災往往會造成嚴重地人員傷亡和生命財產(chǎn)損失，且這種情況在國內(nèi)外均時有發(fā)生，因此建筑結(jié)構(gòu)火災一直都是我國建筑行業(yè)面臨的嚴重災害威脅之一。研究報道表明，高溫下UHPC會發(fā)生爆裂，對建筑結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生巨大影響，故如何解決UHPC高溫爆裂是目前亟待解決的重要問題[16]。

2016 年朋改非課題組[16]提出了一種常溫保濕養(yǎng)護+90℃熱水養(yǎng)護+200℃～250℃干熱養(yǎng)護的組合養(yǎng)護制度，所制得的UHPC具有優(yōu)異的抗高溫爆裂性，同時可使抗壓強度提高到200MPa。高溫爆裂主要由蒸汽壓機理控制，而組合養(yǎng)護不僅強化了UHPC的微觀結(jié)構(gòu)，更通過水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)消耗了大量的內(nèi)部游離水，使得UHPC在遭受火災高溫作用時，無法產(chǎn)生較高的蒸汽壓，從而避免了高溫爆裂的發(fā)生。

如圖2所示，（a）為常溫泡水養(yǎng)護的試件，高溫爆裂嚴重，爆裂成一堆細小的碎塊；（b）為干熱養(yǎng)護的試件，爆裂程度有所減輕；（c）與（d）均為組合養(yǎng)護的試件，在高溫下不發(fā)生爆裂[16]。

圖2 不同養(yǎng)護條件下的試件經(jīng)歷800℃高溫后的形貌[16]

4 結(jié)論與展望

（1）適宜的養(yǎng)護制度可保障混凝土的高強度、高耐久性，對于超高性能混凝土同樣如此。相較于單一的養(yǎng)護制度而言，組合養(yǎng)護加速了水泥水化和火山灰反應(yīng)，形成了大量且分布均勻的C-S-H 凝膠，使得UHPC 的微觀結(jié)構(gòu)更加密實，顯著提高了UHPC的力學性能。

（2）組合養(yǎng)護可以有效地改善UHPC 的火災高溫性能，同時避免了UHPC的高溫爆裂。

（3）目前已有的組合養(yǎng)護模式仍存在著改進空間，未來的研究可著眼于組合養(yǎng)護制度的參數(shù)優(yōu)化問題進行更為深入的探索。例如，目前的研究雖已指出組合養(yǎng)護過程中UHPC 內(nèi)部形成的高溫蒸汽環(huán)境顯著激發(fā)了殘余水泥顆粒的進一步水化和摻料的火山灰反應(yīng)，從而使UHPC擁有了更加優(yōu)異的力學性能，但能達到最佳效果的環(huán)境濕度、溫度和蒸汽壓的具體數(shù)值仍未探索清晰。

（4）此外，關(guān)于組合養(yǎng)護的大部分研究都著眼于UHPC 的抗壓強度、劈裂抗拉強度和斷裂能，而其耐久性、直接抗拉強度等其他性能的研究都涉及較少，還有待后續(xù)學者的進一步探索。