應用于裝配式橋梁的微膨脹UHPC研究

蔡莉莉，孫明書，郭小坤，秦文濤，洪碧武

(西南交通建設集團股份有限公司，云南 昆明 650000)

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)具備高抗壓強度、高耐久性、抗凍融性能以及抗滲透性，其已在橋梁結構、防爆結構、房屋結構、抗沖擊結構中獲得廣泛應用[1-2]。隨著建筑業的飛速發展，快速橋梁施工技術應運而生。國內外研究顯示，快速橋梁施工技術的推廣對傳統橋梁的發展影響深遠，而預制橋梁結構快速施工是實現橋梁快速施工的關鍵環節[3-4]。預制橋梁快速施工是以確保橋梁結構節點關鍵機械性能為前提的，因此社會對用作裝配式橋梁的橋墩承插縫的微膨脹超高性能混凝土(UHPC)材料提出更高要求[5-6]。鑒于此，本研究應用于裝配式橋梁的自密實微膨脹UHPC，達到保障預制橋梁連接節點的力學性能、促進預制裝配橋梁發展的目的。

1 微膨脹UHPC的制備設計

1.1 微膨脹UHPC材料的制備方案

UHPC作為承接縫灌注材料，應具備前期微膨脹后期微收縮的特點。自密實、免蒸養是微膨脹UHPC材料在建筑工程中發揮作用的前提[7-8]。自密實超高性能混凝土具有高流動性，在進行澆筑作業時，不發生離析及泌水現象，通常情況下具備填充能力、穿越能力以及抗離析能力的高流動性混凝土才可稱為自密實混凝土[9-10]。

圖1為橋梁墩柱與承臺承插連接、墩柱與預制蓋梁承插半剛性連接，其中灌注縫混凝土均為UHPC。研究通過D-F方程完成級配設計，并以濕顆粒堆積密實度分析UHPC材料的影響因素。

圖1 橋梁構建裝配工藝Fig.1 Bridge construction assembly process

表1為自密實免蒸養微膨脹UHPC材料的性能指標，研究配置的微膨脹UHPC材料應當滿足這7項指標。水泥為配置UHPC的原材料之一，水泥熟料經過粉磨后，顆粒細度直接影響水泥強度。本次實驗選擇存在不超過10%的顆粒直徑小于3 μm，高于90%顆粒直徑處于3～30 μm的硅酸鹽水泥，該類型水泥具備極好流變性，對應的3 d的抗壓強度、抗折強度分別為31.2、6.3 MPa；28 d的抗壓強度、抗折強度分別為62.1、9.6 MPa，比表面積340 m2/kg，凝結時間分別為173(初凝)、224 min(終凝)，標準稠度用水量為24.4%。

表1 現澆免蒸養UHPC材料性能指標及條件Tab.1 Properties and conditions of cast-in-place non-steaming UHPC materials

除水泥外，硅灰同屬高性能混凝土的配置原材料，其可通過火山灰效應，迅速與水泥發生氫氧化鈣反應，產生C—S—H，從而提高混凝土強度，加強水泥石與骨料的粘接程度；同時通過填充效應，加強體系密實度[11-12]。粉煤灰微珠具備高活性、優良流動性，且其質量小，可充當UHPC的新型活性超微骨料。粉煤灰成分主要包含SiO2、Al2O3，二者可與氫氧化鈣迅速發生反應，反應產生的水化物可直接填充于硬化的混凝土間隙中，在提高混凝土強度的同時，提升整體的抗腐蝕能力，達到延長使用壽命的目的[13-14]。石英砂為UHPC的唯一骨料，其硬度高、價格低廉，主要負責UHPC中的集料。另外研究選擇西卡540粉體聚羧酸減水劑作為UHPC的高效減水劑，并于UHPC體系中增添鋼纖維，借此增大UHPC的抗壓能力、抗折能力。將上述材料混合攪拌制成拌合物，并放入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，進行一段時間的養護。

1.2 自密實微膨脹UHPC配制試驗

自密實微膨脹UHPC配制原理為增大成分細度、活性，并最大限度地防止材料內部出現裂縫，從而實現材料強度、耐久性的提升[15]。因此，自密實微膨脹UHPC選材時，材料直徑應處于0.11～1.00 mm，從而減少混凝土孔與孔間的距離，增大拌合物密度；為防止界面過渡區出現，自密實微膨脹UHPC配制選材時應著手于挑選細骨料；為防止內部裂縫出現，增強骨料整體密度，配制中還需要改善細骨料級配；為使得化學反應減少孔隙率，縮短孔徑，在配制時還應該加大硅粉與粉煤灰含量[16-18]。通過加壓、熱養護方式實現硬化，優化材料微觀結構；通過增加短而細的鋼纖維來提升延性，最后需要確保水膠比例小于0.25。另外，為了解自密實混凝土的流體特征，采用式(1)來進行新拌自密實混凝土的流變分析。

τ=τ0+ηdr/dt

(1)

式中：τ、η分別為剪切應力、粘性系數；τ0為屈服剪切應力，反映避免塑性變形的最大應力；dr/dt為切應變速率，切應變速率dr/dt與剪切應力τ均屬變量；屈服剪切應力τ0與粘性系數η均屬常量。當剪切應力τ大于屈服剪切應力τ0時，混凝土發生流動；粘性系數η反映保持混凝土拌合物不變的指標，粘性系數η越小，混凝土流動速度越快[19-20]。通過Dinger-Funk模型來設計整體配方，具體如式(2)所示。

(2)

式中：U(Dp)、n分別指累計篩下顆粒百分比、分布模數；Dp、Dps、DpL分別指當前粒徑、最小粒徑和最大粒徑，μm。分布模數n決定整個體系中細顆粒占比，當n∈[0.4～0.7]時，混合體系屬于粗匹配；當n取較小值時，體系中細顆粒含量較高，n=0.25。

設定各材料的體積和為1，利用Dinger-Funk方程，使實際曲線盡量靠近目標曲線。在最緊密堆積情況下，計算不同材料的實際體積分數，并以不同材料間的密度比獲取材料的質量、各粒徑范圍內材料的摻量，最終確定UHPC的最優配合比。

圖2顯示在實際累計過篩體積曲線與理論曲線逼近時，粉煤灰微珠的粒徑分布于0.1～1.5 μm；硅灰平均粒徑在0.1～0.2 μm，即粉煤灰微珠在一定程度上代替了硅灰的粒徑。且當硅灰的體積分數為0%時，粉煤灰微珠的體積分數為0.1%，水泥的體積分數為0.24%；石英砂粒徑在70 ～140、40～70、20～40和10～20 μm的體積分數分別為0.35%、0%、0.07%、0.24%。

圖2 實際累計過篩體積曲線與理論曲線示意圖Fig.2 Schematic illustration of actual accumulativesieve volume curve and theoretical curve

鑒于不同原材料的密度間存在差異，研究過程中進行體積質量間的換算，可得如表2所示的每立方米體積UHPC理論堆積體中不同材料的質量占比，即UHPC的最優級配比例顯示為粉煤灰微珠、水泥及石英粒徑分別為70～140、40～70、20～40、10～20 μm與水泥的質量比分別為0.36、1.00、1.21、0.64、0.24、0.83。

表2 UHPC中各種材料的質量比Tab.2 Mass ratio of various materials in UHPC

2 自密實微膨脹UHPC影響因素分析

2.1 自密實微膨脹UHPC強度影響因素分析

流動性直接影響自密實微膨脹UHPC的抗離析性、自填充性以及混凝土強度，且礦物摻合料對自密實微膨脹UHPC強度也產生影響。以Dinger-Funk方程計算出的配比作為自密實微膨脹UHPC的基本配比，分析流動性與礦物摻合料摻量對UHPC的作用。水膠比取0.23，且自密實微膨脹UHPC為最優級配比例，粉煤灰微珠、水泥和石英料徑分別為70～140、40～70、20～40、10～20與水泥的質量比分別為0.36、1.00、1.21、0.64、0.24、0.83。減水劑摻量、粉煤灰微珠摻量對自密實微膨脹UHPC強度與流動度影響如圖3所示。

圖3 減水劑摻量、粉煤灰微珠摻量對自密實微膨脹UHPC強度、流動度的影響Fig.3 Effects of water reducing agent content andfly ash bead content on strength and fluidityof self-compacting micro expansion UHPC

由圖3(a)可知，當減水劑摻量由0.3%提高到0.35%時，抗壓強度由68 MPa增加至81.1 MPa；當減水劑摻量為0.40%時，抗壓強度為89.4 MPa；當減水劑摻量為0.45%時，抗壓強度為最大值90.2MPa。隨著減水劑摻量的增加，自密實微膨脹UHPC抗壓強度、30 min的膠砂流動性逐漸增大；當減水劑摻量為0.45%時，對應的砂漿30 min流動度變化最微弱，自密實微膨脹UHPC抗壓強度最大，即最佳減水劑摻量應當為膠凝材料的0.45%。

由圖3(b)可知，隨著膠凝材料中粉煤灰微珠摻量的增加，自密實微膨脹UHPC中凈漿抗壓強度、堆積密實度均呈現先增大后減小的變化趨勢；說明粉煤灰微珠摻量過多，不利于自密實微膨脹UHPC材料的28 d抗壓，膠凝體系中抗壓強度與堆積密實度之間存在正相關關系。水灰比、漿體空氣含量對自密實微膨脹UHPC抗壓強度的影響如圖4所示。

圖4 水灰比、漿體空氣含量對自密實微膨脹UHPC抗壓強度的作用效果圖Fig.4 Effect of water cement ratio and slurryair content on compressive strengthof self-compacting micro expansion UHPC

由圖4(a)可知，隨著水灰比的增加，自密實微膨脹UHPC的抗壓強度逐漸減小；但水灰比并非影響自密實微膨脹UHPC抗壓強度的唯一因素。

圖4(b)顯示漿體空氣含量越高，自密實微膨脹UHPC抗壓強度越低，即在自密實微膨脹UHPC抗壓強度處于100 ～220 MPa時，水灰比以及空氣含量均在一定程度上影響自密實微膨脹UHPC的抗壓強度。水膠比、鋼纖維體積摻量對自密實微膨脹UHPC的力學性能影響如圖5所示。

圖5 水膠比、鋼纖維體積摻量對自密實微膨脹UHPC的作用效果Fig.5 Effect of water binder ratio and volume content of steel fiber on self-compacting micro expansion UHPC

由圖5(a)可知，隨著鋼纖維體積摻量的增加，自密實微膨脹UHPC的抗壓強度、抗折強度、抗拉強度均呈現逐漸增加的趨勢。當鋼纖維體積摻量為2.5%左右時，自密實微膨脹UHPC的力學性能處于優異狀態；當鋼纖維體積摻量超過2.5%時，拌合物流動性降低，自密實微膨脹UHPC密實性受到影響，抗折強度、抗拉強度的提高率出現下降。這說明自密實微膨脹UHPC配制中，鋼纖維體積摻量不宜超過2.5%，此時自密實微膨脹UHPC的抗壓強度、抗折強度、抗拉強度依次分別提升至162、10.2、25.9 MPa。由圖5(b)可知，當水膠比為0.167時，自密實微膨脹UHPC抗壓強度達到最大值127 MPa；當水膠比超過0.167時，自密實微膨脹UHPC抗壓強度逐漸降低；當水膠比為0.253時，自密實微膨脹UHPC抗壓強度降至76 MPa。這因在單位體積的混凝土拌合物中，漿體含量越多，相應拌合物的流動性越大，當漿體含量過多時，拌合物黏度增加，勻質性變差，不利于強度的耐久性所致。制備自密實微膨脹UHPC時，選擇水膠比為0.16～0.18。

2.2 自密實微膨脹UHPC限制膨脹率分析

2.2.1UHPC限制膨脹率分析

在裝配式橋梁搭建過程中，自密實微膨脹UHPC應具備前期微膨脹后期微收縮的特性。收縮變形是無負載狀態下的混凝土出現裂縫的重要因素，裂縫的出現不利于裝配式橋梁建筑的穩定性和安全性，因此制備過程中要重視自密實微膨脹UHPC的限制膨脹率的影響因素。膨脹劑摻量、收縮劑摻量對自密實微膨脹UHPC限制膨脹率的作用效果，具體如圖6所示。

圖6 膨脹劑摻量、收縮劑摻量對自密實微膨脹UHPC限制膨脹率的作用效果Fig.6 Effect of expansion agent content and shrinkage agent content on limiting expansion rateof self-compacting micro expansion UHPC

由圖6(a)可知，當膨脹劑摻量為10%時，自密實微膨脹UHPC限制膨脹率先增大后減小，即自密實微膨脹UHPC先膨后縮，在終凝130 h左右，收縮值達到最大值392×10-6。這是因為混凝土成型后，膨脹劑立刻發生水化作用，并生成鈣礬石。當膨脹劑摻量為0%、2%時，14 d的自密實微膨脹UHPC限制膨脹率依次分別為-643、-441；當膨脹劑摻量為10%時，自密實微膨脹UHPC可在28 d時實現微膨脹作用。由圖6(b)可知，收縮劑通過降低孔隙溶液表面張力實現收縮，收縮劑摻量越多，自密實微膨脹UHPC限制膨脹率越低，抗壓強度越低。

2.2.2自密實微膨脹UHPC的粘接性能分析

限制收縮率對自密實微膨脹UHPC材料與混凝土管間脫粘的影響效果，結果具體如圖7所示。設置了4個試驗組和1個對照組，第1組為空白對照，第2組中加入2%膨脹劑，第3組中加入10%膨脹劑，第4組中加入1%縮減劑，第5組中加入6%膨脹劑與0.5%縮減劑。

圖7 限制收縮率對自密實微膨脹UHPC材料與混凝土管間脫黏的影響效果Fig.7 Effect of limiting shrinkage on debonding between self-compacting micro expansionUHPC material and concrete pipe

由圖7可知，5個組對應的28 d限制膨脹率依次分別為-675、-542、231、-255和95個微應變，與內外環(混凝土管)脫粘長度分別為390、306、78、200和156 cm，對應的比例分別為55%、43%、11%、28%、22%。限制膨脹率的降低能夠有效限制灌縫UHPC與混凝土管間接觸面的脫粘，從而增強自密實微膨脹UHPC與混凝土管界面間的粘接性能。結果表明：自密實微膨脹UHPC材料與混凝土管間的脫粘率和限制膨脹率成反比關系。

3 結語

為找出UHPC力學性能的影響因素，此次試驗從UHPC的配制過程入手，分析鋼纖維、粉煤灰微珠、水膠比、膨脹劑等多種因素對自密實微膨脹UHPC的作用效果。研究結果表明，0.45%的減水劑摻量時，自密實微膨脹UHPC的抗壓強度最高；隨著膠凝材料中粉煤灰微珠摻量的增加，自密實微膨脹UHPC的凈漿抗壓強度、堆積密實度均出現先增大后減少的變化趨勢；自密實微膨脹UHPC的抗壓強度隨著水灰比的升高而降低，隨漿體空氣含量的增加而降低，均呈現反相關關系；2.5%鋼纖維體積摻量下的自密實微膨脹UHPC具備高抗壓強度、抗折強度、抗拉強度；水膠比為0.167時，自密實微膨脹UHPC抗壓強度最高；并且限制膨脹率的降低能夠顯著限制灌縫UHPC與混凝土管間接觸面的脫粘。此次研究雖然取得了一定的成果，但缺少裂縫情況下對自密實微膨脹UHPC結構性能的試驗，未來著手于惡劣環境下自密實微膨脹UHPC性能結構的相關試驗。