低水化熱高抗裂性高性能混凝土研究

（通號工程局集團建設工程有限公司，湖南長沙 410000）

超高性能混凝土(UHPC)的抗壓強度可達150MPa～810MPa，是常規混凝土的3～16倍。摻入鋼纖維后，超高性能混凝土的延性和能量吸收率比普通高性能混凝土提高了300倍。超高性能混凝土對二氧化碳、氯化物和硫酸鹽幾乎是不透水的。其卓越的耐用性導致長期使用壽命與減少維修。增強的耐磨性提供了延長橋梁甲板和工業地板的使用壽命，同時增強的耐腐蝕性提供了對惡劣或惡劣氣候條件地區的保護。在成品中大量的未水化水泥提供了在裂化條件下的自愈合潛力。由于超高性能混凝土結構的超高抗壓強度，在相同的荷載作用下，超高性能混凝土結構的重量僅為傳統混凝土結構的1/3或1/2。這種減輕重量的方法有利于生產更細長的結構，增加高層建筑的可用面積，降低總成本。消除鋼筋減少勞動力成本，并提供更大的建筑自由，允許幾乎無限的結構成員形狀和形式的建筑師和設計師。

1.超高性能混凝土水化性能概述

超高性能混凝土中膠凝材料的水化作用與普通混凝土相似。首先，硅酸鹽水泥水合物形成水合硅酸鈣和氫氧化鈣，然后礦物摻合物(如硅灰)與氫氧化鈣反應形成水合硅酸鈣(C-S-H)。結果表明，超高性能混凝土中結晶相的含量明顯高于普通混凝土中的非晶相含量。這種差異是由于硅灰和粉煤灰含量相對較高引起的火山灰反應。第二水化日后，鈣鎂石的消耗量明顯增加，28d后，鈣鎂石的消耗量明顯低于普通混凝土，說明火山灰反應尚未完成。事實上，即使在超高性能混凝土中28d后 x 射線也沒有檢測到方解石，這可以解釋為這個標本中沒有相當大的碳酸化作用。第一和第二水化日內鈣礬石含量的變化表明，鈣礬石有可能轉化為單硫酸鹽相，并且有大量的鋁酸鹽可能進入 x 射線非晶態 C-S-H 相。

2.超高性能混凝土的性能分析

首先，強度是水泥基材料的重要性能之一。超高性能混凝土的壓縮強度、拉伸強度和彎曲強度分別為200MPa～800MPa、25MPa～150MPa和30MPa～141MPa，取決于成分、澆注和養護條件。正如預期的那樣，施加預凝固壓力可以提高超高性能混凝土的強度。超高性能混凝土與纖維的結合強度在4.8MPa～5.5MPa，隨著硅灰含量增加到30% 而增加。硅灰對拉出能的增強作用遠遠大于粘結強度。與無硅灰的基體相比，有30% 硅灰的基體的拔出能提高近100%。從含有大量硅灰的基體中拔出的纖維顯示出顯著不同的微觀結構[1]。超高性能混凝土中鋼纖維的拔出行為受基體強度和纖維結構(光滑、平端或彎曲)的影響。最大拉出載荷和總拉出能量都隨著基體強度的增加而增加。超高性能混凝土標準室溫養護28d后，在高壓釜養護24h內即可達到強度要求。經過24h的蒸汽養護，與28d的標準養護相比，大約可以得到15MPa～30MPa 的抗壓強度。8H的高壓釜硫化使超高性能混凝土的抗壓強度超過200MPa。蒸壓養護混凝土的抗壓強度高于室溫水養護試件。然而，高壓釜蒸汽養護超過8h會導致抗壓強度減少。超高性能混凝土在蒸汽養護6d和12d后的抗壓強度明顯高于標準養護28d后的水養護。根據粉煤灰含量的不同，蒸汽養護后的超高性能混凝土的強度約為蒸壓養護后的超高性能混凝土的89%～126%。在180℃條件下，高壓釜養護3H，壓縮強度和彎曲強度分別達到200MPa和30MPa。蒸汽和高壓釜養護可以降低超高性能混凝土的斷裂模數，而蒸汽養護可以顯著降低斷裂模數。

其次，對于超高混凝土結構的應力和應變關系，是最基本的本構關系，也是混凝土結構非線性分析的必要條件。然而，超高性能混凝土的單軸壓應力—應變本構關系的研究還很有限。超高性能混凝土在單軸壓縮下的破壞模式與鋼纖維混凝土相似。超高性能混凝土的峰值應變隨著混凝土強度的增加而顯著增加。極限應力與峰值應力相一致，極限應變與峰值應變相一致。在一定的水膠比下，峰值應變隨鋼纖維含量的增加而增大。當水膠比過高(高達0.24)時，鋼纖維含量的增加對試樣的韌性影響不大。當水膠比較高時，纖維表面容易形成水膜，導致纖維表面多孔性增強。實驗結果表明，超高性能混凝土應力—應變曲線上升分支的彈性比例極限約為超高性能混凝土內部致密均勻結構峰值應力的83%～95%，大于OC(40%～50%)。結果表明，13mm 鋼纖維超高性能混凝土的極限應變大于6mm 鋼纖維超高性能混凝土的極限應變。超高性能混凝土由于摻入了鋼纖維，在達到峰值荷載后仍具有較高的抗彎承載力。使用高爐礦渣還增加了最大彎曲載荷，這歸因于基體和纖維之間的結合強度的改善。所有混合料的最大載荷位移在0.42mm～0.49mm，略低于摻渣混合料。

再次，混凝土的韌性是延性和強度的綜合。常用的評價混凝土韌性的方法有韌性指數法 ASTM C1018、撓曲韌性系數法 JSCE SF4和 RILEM TC 162-TDF。國家標準CECS 13-2009中的彎曲韌性指數法與美國材料試驗協會(ASTM) C1018規定的方法相似。由于鋼纖維的抗裂性，鋼纖維的含量對超高性能混凝土的韌性有顯著的影響。當鋼纖維體積分數為3%時，韌性指數(ηC30)提高了80% 以上。兩種鋼纖維混紡(2% 13mm+1% 6mm)時，極限應變與峰值應變之比最小，或試樣的韌性最好。由于基體與纖維之間的結合強度提高，礦物摻合料在所有養護制度中都能提高韌性，標準室溫養護提高了18%～46%，蒸汽養護提高了24%～44%，蒸壓養護提高了23%～39%。另一個影響超高性能混凝土韌性的因素是養護制度。超高性能混凝土在不同養護制度下的韌性依次為：標準養護>高壓釜養護>蒸汽養護，結果表明，三維織物能顯著提高水泥基復合材料的韌性，其韌性是短纖維的200倍。正如預期的那樣，預凝固壓力可以顯著提高 UHPC 的韌性[2]。

最后，對于耐沖擊性，超高性能混凝土沒有鋼纖維是非常脆弱的。摻入鋼纖維可以提高劈裂抗拉強度和抗彎強度，降低脆性。摻入2%和5% 的鋼纖維，其劈裂強度分別為21.9MPa 和31.6MPa。纖維超高性能混凝土的斷裂能比OC高4倍。在沖擊載荷作用下，隨著超高性能混凝土強度的增加，目標試樣的穿透深度和彈坑直徑總體呈下降抗壓強度。然而，這種趨勢是非線性的。鋼纖維含量的增加減小了彈坑直徑和裂紋的擴展，但是對穿透深度沒有顯著的影響。花崗巖粗集料的存在阻礙了裂紋的擴展，似乎有利于抗沖擊性能。熱養護并沒有顯著改變混凝土的抗沖擊性。

3.結語

高性能混凝土中粘結劑的水化過程與有機碳中的相似。當超高性能混凝土在90℃以下固化時，膠凝材料水化產生的平均 C-S-H 鏈長增加。當固化溫度提高到250℃時，C-S-H 會脫水形成硬硅鈣石。然而，在較低的動態平衡氣壓下，可以完全抑制結晶水合產物的形成。超高性能混凝土的孔隙率很低，特別是在熱固化后。

超高性能混凝土的壓縮強度、拉伸強度和彎曲強度可分別達到200MPa～800MPa、25MPa～150MPa和30MPa～141MPa。預凝固壓力和熱固化可以提高超高性能混凝土的抗壓強度。超高性能混凝土在單軸壓縮下的破壞模式與鋼纖維鋼筋混凝土相似。然而，超高性能混凝土的應力—應變曲線上升支路的彈性比例極限大于OC。預凝壓力、熱養護和摻入礦物摻合料可以提高超高性能混凝土的韌性。最高韌性是在標準室溫養護28d后達到的，蒸汽養護的韌性最低。摻加礦物摻合料可提高標準室溫養護后的韌性。超高性能混凝土沒有鋼纖維是非常脆弱的。摻入鋼纖維可以提高超高性能混凝土的屈服劈裂強度。