提升UHPC早期抗裂性能试验研究_陈光伟.pdf

第 19 卷 第 94 期 交 通 节 能 与 环 保 Vol.19 No.2 2023 年 04 月 Transport Energy Conservation Environmental Protection April.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.029 提升 UHPC 早期抗裂性能试验研究 陈光伟 1，刘龙龙2，马千越1，王少鹏2，赵尚传2（1.江苏省交通工程建设局 江苏 南京 210004；2.交通运输部公路科学研究所 北京 100088）摘要：为解决 UHPC 易开裂的问题，本研究进行了不同掺量微膨胀材料的凝结时间、收缩试验和不同养护方法的抗裂能力试验，研究了微膨胀材料掺量对凝结时间、收缩率，以及不同的养护方法对混凝土抗裂能力的影响。试验结果表明：随着微膨胀材料快硬水泥掺量的增加，混凝土的凝结时间和收缩率均呈现减小的趋势；对比喷雾养护和土工布湿喷养护对 UHPC 浇筑板材的影响，土工布湿喷养护对 UHPC 抗裂更有利。综合考虑微膨胀材料对 UHPC 材料硬化时间和收缩的影响，以及不同养护手段对混凝土抗裂能力的影响，选择微膨胀材料掺量为 15%和土工布湿喷养护对 UHPC 抗裂最有利。关键词：抗裂；微膨胀；凝结时间；收缩；土工布 中图分类号：U416.216 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）02-0160-05 Experiment on Crack Resistance Properties of UHPC CHEN Guangwei1,LIU Longlong2,MA Qianyue1,WANG Shaopeng2,ZHAO Shangchuan2(1.Jiangsu Traffic Engineering Construction Bureau,Nanjing Jiangsu 210004,China;2.Research Institute of Highway,Ministry of Transport,Beijing 100088,China)Abstract:To solve the problem that UHPC is easy to crack,the setting time and shrinkage test of different micro-expansion materials and the crack resistance test with varying curing methods were studied.The effects of micro-expansion material content on setting time,shrinkage rate and different curing methods on the crack resistance of concrete were studied.The test results show that the setting time and shrinkage rate of concrete decrease with the increase of the content of micro-expansive material.Comparing the effects of spray curing and geotextile spray curing on UHPC pouring plate,geotextile spray curing is more favourable for UHPC crack resistance.Considering the influence of micro-expansive materials on the hardening time and shrinkage of UHPC materials,besides the impact of different curing methods on the crack resistance of concrete,the micro-expansive material content of 15%and geotextile wet spray curing are selected for UHPC crack resistance.Key words:crack resistance;micro-expansion;setting time;shrinkage;geotextile 0 引言 超高强混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）材料强度高，在水胶比极低的条件下，为保 收稿日期：2022-12-06 作者简介：陈光伟（1971-），男，安徽萧县人，博士，正高级工程师，从事高速公路建设及技术管理工作.（）通信作者：刘龙龙（1988-），男，河南许昌人，博士，助理研究员/博士后，从事混凝土材料耐久性研究.（）证其良好的工作性能和力学性能，需要掺入矿物掺和料粉煤灰、硅灰进行调节1-3。保证 UHPC 强度高的同时，水泥、粉煤灰、硅灰等材料也会增加 UHPC的收缩，尤其是 UHPC 的塑性收缩和干燥收缩4-7，第 2 期 陈光伟等，提升 UHPC 早期抗裂性能试验研究 161 增加了材料开裂的风险。为解决混凝土材料收缩大的问题，国内外学者提出在混凝土内部进行养护和混凝土外部养护的方法，内养护就是用一些预先吸水的材料（称为混凝土内养护剂），在混凝土内部形成小型“蓄水库”，随着水泥水化，在混凝土内部出现湿度梯度及毛细孔负压时，内养护剂释放水分来抑制混凝土自收缩的发展。目前的内养护剂主要有无机多孔内养护剂和高吸水性树脂（SAP）两类，但是这两种内养护剂的吸水倍率大，释水后会在 UHPC 材料内部形成较大的孔隙，对强度产生不利影响7-13。因此，对比传统的混凝土表面保湿养护和混凝土内部释放水的养护方式，内部养护方式改变了混凝土材料的内部结构，对其材料性能有较大影响，有必要改进传统的保湿方式，来提高 UHPC 材料的抗裂能力。本文主要从材料以及养护方法两个方面解决UHPC易开裂的问题，针对UHPC材料硬化后收缩大的问题，通过试验研究微膨胀材料在超高性能混凝土中的膨胀效果，对比微膨胀材料掺量对超高性能混凝土收缩的影响，确定最优膨胀材料掺量；通过在 UHPC 表面覆盖薄膜、喷洒养护剂等措施减小收缩，提高其抗裂能力，确定合适的养护方法。1 试验原材料与方法 1.1 原材料 快硬水泥选用CSA42.5硫铝酸盐水泥，作为微膨胀材料使用。硅酸盐水泥为诸城市九七建材有限公司生产的PO52.5硅酸盐水泥，具体的配合比见表1。土工布由河北盛元土工材料厂生产，由高密度聚乙烯材料制成。表 1 混凝土配合比 Tab.1 Mix proportion of concrete 试件 编号 原材料种类及用量/kg 胶凝材料 骨料/mm 水 纤 维 减 水 剂 消 泡 剂 PO52.5 快硬 硅灰 粉煤灰 02.36 8-15-1 640 157 65 185 1 151 190 0.9%2.4%0.10%8-20-1 587.5 209.5 65 185 1 151 190 0.9%2.4%0.10%8-25-1 535 262 65 185 1 151 190 0.9%2.4%0.10%8-30-1 483 314 65 185 1 151 190 0.9%2.4%0.10%1.2 试验方法 1.2.1 凝结时间 凝结时间参照水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法（GB/T 13462001），快硬硫铝酸盐水泥（JC 9332003），测试不同快硬水泥掺量对喷射混凝土凝结时间的影响。1.2.2 收缩试验 收缩试验采用尺寸为 100mm 100mm 515mm的棱柱体试件 ，采用立式混凝土收缩仪，试件一端中心预埋测头，见图 1。（a）螺栓（b）测头 图 1 立式收缩试验用测头 Fig.1 Probe for vertical shrinkage test （a）试件（b）千分表读数 图 2 收缩试验试件和千分表 Fig.2 Dial gauge and concrete specimen in the shrinkage test 试件测头的另外一端采用 M20mm 35mm 的螺栓（螺纹通长），立式混凝土收缩仪底座固定，螺栓和测头预埋进混凝土试件。浇筑后的混凝土试件养护温度为 20 2，养护环境的湿度需要维持在95%以上。混凝土试件养护到期以后，收缩试验应在室内进行，室温保持在 20 2，相对湿度应保持在 60%5%。混凝土收缩率应按式（1）计算：=0(1)式中，为试验期为(d)的混凝土收缩率，从测定初始长度时算起；为试件的测量标距，用混凝土收缩仪测量时应等于两测头内侧的距离，即等于混凝162 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 土试件长度（不计测头凸出部分）减去两个测头埋入深度之和，采用接触法引伸仪时，即为仪器的测量标距，mm；0为试件长度的初始读数，mm；为试件在试验期为(d)时测得的长度读数，mm。1.2.3 抗裂试验 传统的平板试验可以测试材料自身不同因素对混凝土抗裂能力的影响，并不能检验修复面对 UHPC材料抗裂能力的影响。因此，为模拟 UHPC 材料在浇筑修复后的抗裂能力，选择试验场废弃的混凝土结构 T 梁，见图 3。首先对其表面进行清理，然后用砂纸在表面进行打磨，打磨掉表面的浆体后，用抹布擦拭干净，在 T 型梁的表面浇筑 1m 的平板，浇筑板的厚度为3cm，待混凝土硬化后进行洒水，然后在表面覆盖土工布进行养护，上层再放置一层塑料膜防止水分蒸发，延长洒水养护时间，见图 4。图 3 废弃混凝土结构 Fig.3 Abandoned concrete structures 图 4 浇筑块体养护 Fig.4 Pouring concrete specimen cure 2 试验结果 2.1 凝结时间 从图 5 和表 2 中可以看出，硫铝酸盐水泥的掺量从 15%、20%、25%、30%变化时，初凝时间从33min 变化至 22min，终凝时间从 53min 变化至28min，初凝时间和终凝时间均呈减小的趋势，说明硫酸铝盐水泥掺量对 UHPC 材料的凝结时间有影响。考虑凝结时间对混凝土材料工作性能的影响，为保障足够长的硬化时间，应保持其初凝时间在半个小时左右。图 5 微膨胀材料对凝结时间的影响 Fig.5 Effect of micro-expansive material on setting time 2.2 收缩试验 试件在 3d 龄期时（从混凝土搅拌加水时算起）从标准养护室取出，采用不同配合比混凝土试件的收缩率值见表 2，掺入 15%的硫铝酸盐水泥时，第 7天的收缩率为141.82 106mm/m，第 28 天的收缩率为159 106mm/m，第 28 天比第 7 天的收缩率增加17.18 106mm/m；掺入20%的硫铝酸盐水泥时，第7 天的收缩率为109.40 106mm/m，第 28 天的收缩率为157 106mm/m，第 28 天比第 7 天的收缩率增加47.6 106mm/m；掺入 25%的硫铝酸盐水泥时，第 7 天的收缩率为89.24 106mm/m，第 28 天的收缩率为134.8 106mm/m，第 28 天比第 7 天的收缩率增加45.56 106mm/m；掺入30%的硫铝酸盐水泥时，第 7 天的收缩率为73.30 106mm/m，第 28 天的收缩率为1.52 106mm/m，第 28 天比第 7 天的收缩率减小71.78 106 mm/m，说明硫铝酸盐水泥在前 28 天均有抵消收缩的作用，并且 7 天以后微膨胀效果更明显，具体见表 2 和图 6。表 2 不同配合比混凝土试件的收缩率和凝结时间 Tab.2 Shrinkage rate and setting time of concrete specimens with different mix proportions 试件编号 收缩率测定值（106）凝结时间/min 1d 3d 7d 14d 28d 初凝 时间 终凝 时间 8-15-1 45.03 96.14 141.82 150.40 159.00 33 53 8-20-1 36.13 79.21 109.40 133.20 157.00 28 41 8-25-1 36.89 68.14 89.24 79.20 134.80 25 37 8-30-1 35.26 58.11 73.30 37.40 1.52 22 28 第 2 期 陈光伟等，提升 UHPC 早期抗裂性能试验研究 163 图 6 不同掺合料和外加剂对混凝土收缩影响 Fig.6 Effect of different admixtures and admixtures on concrete shrinkage 2.3 抗裂能力试验 首先对比了不同的养护方式对混凝土抗裂能力的影响，图 7（a）浇筑完 UHPC 材料后进行抹平，未进行第二步养护，图 7（b）浇筑完后进行抹平，待初凝硬化后采用土工布覆盖，然后在其表面洒水养护，待其表面水分蒸发后再洒水，后期每6个小时洒水一次，在第3天观察表面的裂缝，发现图7（a）浇筑的混凝土板出现了较多细微裂缝（图中曲线为裂缝的轮廓），这些表面的微裂缝除了影响其美观，还会对其耐久性产生影响，图 7（b）表观密实，未出现明显的裂缝，说明混凝土浇筑完后需及时进行养护。另外，养护起始时间是影响混凝土抗裂能力的重要因素，尤其是针对水胶比小的 UHPC 材料，应根据施工现场的实际情况确定混凝土养护措施，科学安排混凝土的起始养护时间14-16。若 UHPC 材料在养护时继续沿用传统的施工和养护经验，并不考虑混凝土的实际特性，在混凝土初凝前养护，不仅使得养护效果微乎其微，更会导致 UHPC 材料的早期开裂。因此，混凝土的起始养护时间要以初凝时间为准，需要在初凝前进行抹平，在混凝土初凝后和终凝之前进行初始养护。由于 UHPC 材料水胶比小，针对喷射 UHPC 材料易开裂的现象，采用不同快硬水泥掺量的 UHPC材料浇筑1m 1m，3cm厚度的板，浇筑成型后，编号 8-15-1、8-20-1、8-25-1、8-30-1 的板在浇筑60min、55min、47min、40min 后开始硬化，在硬化之前，工人对其表面进行抹平，然后进行洒水养护，在其表面铺一层土工布，24 小时后，观察其表面，发现板材均未出现裂缝，说明养护方式是影响开裂的重要原因。抗裂试验表明，UHPC板材需要在浇筑后半小时内抹平，待其硬化后进行洒水养护，然后保湿，这样在保证材料良好的外观条件下，可以防止早期的开裂。另外在 UHPC 板材浇筑成型的过程中，硬化时间会受到环境温度的影响，环境温度为 30时要比环境温度为 20时，硬化时间会提前 5min 左右。因此，在考虑温度对 UHPC 材料硬化时间的影响时，需要加快施工进度，抹平也需要提前一定时间，才能防止硬化后抹平出现更多的裂缝。因此，施工人员应根据现场的施工温度，适当调节缓凝剂的掺量，以免 UHPC 材料硬化时间过长或过短，从而影响施工的效果。（a）未养护（b）喷水养护 图 7 不同养护方式对 UHPC 材料抗裂能力的影响 Fig.7 Effect of different curing methods on the cracking resistance of UHPC materials 3 结语 为解决 UHPC 材料早期开裂的现象，本文通过室内凝结时间、收缩试验和现场浇筑板材的方式，对比了 15%、20%、25%、30%掺量快硬水泥对凝结时间、收缩的影响，以及不同的养护方式（喷水养护和土工布养护）对混凝土浇筑板材抗裂能力的影响，从混凝土材料和养护角度研究了提升 UHPC 材料抗裂能力的方法，具体结论如下：（1）普通的硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥混掺后，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加，初凝时间和终164 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 凝时间均减少，硬化时间缩短，为保障材料足够的施工时间，应控制快硬水泥的掺量。（2）掺入 10%30%硫铝酸盐水泥的 UHPC材料可以减小自身收缩，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加，UHPC材料的收缩减小，其中掺加30%硫铝酸盐水泥的 UHPC 材料收缩最小，并且在 28 天龄期呈现微膨胀的效果。（3）综合考虑快硬硫铝酸盐水泥对UHPC材料收缩和硬化时间的影响，可采用 15%掺量硫铝酸盐水泥代替硅酸盐水泥，保持其足够长的硬化时间，同时，还可以提高材料的抗裂能力。（4）养护方式是影响开裂的重要因素，浇筑的UHPC材料板材在抹平后应覆盖土工布进行养护，每间隔36h在土工布表面洒水，养护时间不低于7d，可有效提高其抗裂能力。参考文献：1 樊俊江.硅灰对超高性能混凝土性能提升机理试验研究J.混凝土与水泥制品,2022(09):50-53+61.2 王成启,郭玉林,梁远博.钢纤维对超高性能混凝土性能的影响J.水运工程,2022(09):22-26+34.3 张哲,李帅帅,朱平,等.钢筋-超高性能混凝土界面黏结性能试验J.湖南大学学报(自然科学版),2022,49(11):105-115.4 刘菲凡.减缩剂对超高性能混凝土性能的影响研究J.混凝土与水泥制品,2022(06):6-9+16.5 孙浩,于林玉,赵婷.膨胀剂对超高性能混凝土收缩性能的影响J.山东化工,2022,51(02):35-8+49.6 孙美娟,姚丕强,黄雄,等.沸石对海水拌合超高性能混凝土性能的影响J.硅酸盐通报,2022,41(05):1649-1655.7 卫煜,陈平,明阳,等.超细高活性矿物掺合料对 UHPC 水化和收缩性能的影响J.硅酸盐通报,2022,41(02):461-468.8 李永平,朱城琨,文飞.超高性能混凝土强度及性能影响因素研究J.江西建材,2022(07):32-34.9 马正先,赵雅萌,陈炳江,等.机制砂超高性能混凝土(UHPC)性能影响因素试验研究J.混凝土与水泥制品,2022(01):48-52+63.10 徐翔波,于泳,金祖权,等.养护制度对超高性能混凝土微观结构和力学性能影响的研究综述J.硅酸盐通报,2021,40(09):2856-2870.11 杨玉柱,黄维蓉,耿嘉庆,等.基于半经验的 UHPC 配合比设计方法J.材料导报,2021,35(S2):188-193.12 黄杰,吴瑾,赵林.养护制度对高性能混凝土抗压强度影响的试验研究J.硅酸盐通报,2019,38(08):2680-2682+2687.13 钟维军,金权,贺智敏,等.养护对超高性能混凝土强度和显微硬度的影响J.混凝土,2021(08):33-37.14 高原,石红磊,高全青,等.不同养护制度对超高性能混凝土力学性能的影响J.混凝土,2021(06):108-111.15 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