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低温建筑技术Jun.2023 No.300-建筑材料研究及应用DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.019不同类型PCE对UHPC性能影响研究STUDY ON THE EFFECT OF DIFFERENT PCE TYPES ON THE PERFORMANCE OF STEAM FREEUHPC姜晓燕，陆波，胡淙淙（济南方圣混凝土构件有限公司，济南 250000）JIANG Xiaoyan,LU Bo,HU Zongzong（Jinan Fangsheng Concrete Component Co.,Ltd.,Jinan 250000,China）【摘要】为保证超高性能混凝土（UHPC）良好的早期强度，通常需要蒸养措施，然而蒸养成本较高，为提升免蒸养UHPC性能，通过制备聚羧酸减水剂（PCE）、早强型PCE和硅酸钙晶核PCE（CSH-PCE），研究对免蒸养UHPC拌和物和易性和UHPC力学性能的影响。结果表明掺入3种不同类型的PCE对UHPC坍落度的影响差异性并不明显，但掺入早强型PCE和CSH-PCE后会造成免蒸养UHPC坍落度1h经时损失明显下降，初凝时间缩短，早期力学性能明显提升，同时掺入早强型PCE造成了UHPC的28d抗压、抗折和劈裂抗拉强度的下降。文中研究为UHPC中不同类型PCE的开发和使用提供技术参考。【关键词】PCE；早期强度；免蒸养；UHPC【中图分类号】TU528.31【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0082-04Abstract：Steam curing measures are usually required to ensure the good early strength of UHPC,but the cost ofsteam curing is high.To improve the performance of non-steam cured UHPC,the effects of three kinds of PCE onthe workability and mechanical properties of UHPC mixture without steam curing are studied by preparing standardPCE,hardening accelerating type PCE,and CSH-PCE.The results show that the influence of different types of PCEon the slump of UHPC is not obvious,whereas hardening accelerating type PCE and CSH-PCE cause the slump lossof UHPC in 1h to decrease significantly,the initial setting time to shorten,and the early mechanical properties to improve significantly.The incorporation of early-strength PCE results in the decrease of 28d compressive strength,flexural strength,and splitting tensile strength of UHPC.This paper provides a technical reference for the use of different types of PCE in UHPC.Key words：PCE;early strength;free of curing;UHPC0引言超高性能混凝土（UHPC）是一种强度高、韧性大，具有良好耐久性能的新型混凝土材料，又称为活性粉末混凝土，顾名思义，主要采用大量活性粉体材料与石英砂制备成的混凝土材料。为保证UHPC良好的早期强度，通常需要蒸养措施，然而蒸养成本较高，在目前我国双碳政策落地实施的大背景下，UHPC未来的发展必定趋于低碳化，因此解决蒸养措施产生的大量能源消耗是重要的研究方向，常温养护是解决这个问题的主要手段。目前，已有大量学者进行了UHPC的常温养护技术研究。Wille等1-3系统研究了在免蒸养条件下，通过调整UHPC中水泥、硅灰、纤维和砂子等原材料进行了多种配合比的研究，结果表明通过提高胶凝材料的密度、使用钢纤维、优化骨料的粒径和密度、掺入石英粉以及复配高性能外加剂等方法均能够实现UHPC早期强度的提升，获得性能优良的免蒸养UHPC。Wang等4采用常规材料，通过掺入尺寸不大于20mm的粗骨料和惰性石灰石粉制备了早期强度较高，28d抗压强度超过150MPa的UHPC。Alkaysi等5通过复配细砂提高细骨料的堆积密度来提高混凝土早期强度，并采用常温养护方式制备了28d抗压强度超过180MPa的UHPC。王冲6在采用常规材料的基础上，通过改进生产制备工艺制备了28d抗压强度超过150MPa的UHPC。周红梅等7通过复配消泡和保水功能性的外加剂组分，在常温养护条件制备了28d抗压强度超过200MPa的UHPC。罗彪8通过掺入速凝剂制备了早强度获得明显提升的UHPC。从研究可以看出，目前已经有大量研究从胶凝材料优化、掺入粗骨料复配、优化细骨料堆积密度、复配功能外加剂以及使用速凝剂等角度研究常温养护条件下的UHPC制备技术，但是较少发现不同类型早强PCE对UHPC性能的影响。基于此，文中通过合成PCE、早强型 PCE 和 CSH 晶核类 PCE，研究不同类型 PCE 对UHPC工作性能和不同龄期力学性能的影响。821试验研究1.1试验材料胶凝材料：胶凝材料包括水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰，其中水泥为市售P O52.5硅酸盐水泥，粉煤灰为市售II级粉煤灰，矿粉为市售S95级矿粉，硅灰为市售活性硅粉，胶凝材料具体化学组分如表1所示，水泥强度指标如表2所示。砂为石英砂，包括细度模数为2.4的中砂和粒度小于0.315mm的超细砂。标准型聚羧酸减水剂（简称PCE）为自制，减水率30%，掺量2%。早强型聚羧酸减水剂（简称早强型PCE）为在PCE的基础上通过接枝聚合方式加入具有早强功能的基团，通过合成制备获得。CSH-PCE 为通过水热法合成制备 CSH 并采用PCE进行分散获得。1.2配合比及试验方法1.2.1外加剂制备方法（1）PCE合成方法。PCE的合成过程是以MPEG和甲基丙烯酸和单体，分别溶解后，采用自由基接枝共聚法制备获得溶液后，进行干燥，获得PCE粉体。（2）早强型PCE合成方法。在PCE合成方法的基础上，在反应中引入AMPS基团接枝，合成早强型PCE溶液，后进行干燥，获得早强型PCE粉体。（3）CSH-PCE 合成方法。在获得 PCE 的基础上，选择硅酸钠溶液和硝酸钙溶液作为原材料，其中CaO/SiO2摩尔比为1.5，采用共沉淀法合成CSH，粒子合成过程中，采用文中合成的PCE为分散剂，合成物经洗涤干燥，获得CSH-PCE。1.2.2UHPC配合比UHPC配合比如表3所示。其中，编号P为使用PCE外加剂，掺量为胶凝材料用量2%；编号ZP为掺入早强型聚羧酸减水剂，掺量为胶凝材料掺量2%，编号CP为掺入CSH-PCE外加剂，其中PCE有效掺量与编号P、编号ZP相同。1.2.3UHPC试验方法凝结时间的测定参考现行国家标准GB/T 50080普通混凝土拌合物性能试验方法标准 的相关规定，检测时将UHPC拌和物分装3个试样筒内，采用捣棒人工捣实，之后将它放置于2022室温条件下。凝结时间从混凝土加水搅拌时开始计时，采用贯入阻力法测定。坍落度及坍落度1h经时损失测试方法按现行国家标准GB/T 50080 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 的相关方法测定。力学性能包括抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度，测试方法均参考现行国家标准GB/T 50081 混凝土物理力学性能试验方法标准 的相关规定进行。其中抗压强度的测试尺寸为100mm100mm100mm，压力机压力加载速率为1.2MPa/s；抗折强度的测试尺寸为 100mm100mm400mm，压力加载加载速率为0.1MPa/s；劈 裂 抗 拉 强 度 的 测 试 尺 寸 为 100mm 100mm100mm，压力加载速率为0.1MPa/s。2结果分析掺入不同类型PCE制备的UHPC的坍落度及坍落度1h经时损失测量值、初凝时间、抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度数据如表4所示。表1胶凝材料的化学成分%物质组成水泥粉煤灰矿粉硅灰SiO228.9052.4836.0895.32Al2O36.4229.1214.520.12Fe2O33.255.431.280.48CaO54.125.4140.060.21MgO1.240.566.540.08Na2O0.190.180.070.20K2O0.270.830.650.26表2P O52.5强度指标水泥P O52.5抗折强度/MPa3d7.47d8.328d9.2抗压强度/MPa3d45.27d54.128d62.1表4掺入不同类型PCE的UHPC性能编号PZPCP坍落度/mm235234236坍落度1h经时损失/mm91215初凝时间/h7.74.22.8抗压强度/MPa12h16.834.843.23d69.378.485.77d97.795.898.728d128.6122.4130.2抗折强度/MPa3d10.913.816.57d18.917.519.828d23.821.523.2劈裂抗拉强度/MPa3d7.238.829.437d12.3111.4812.4328d14.7213.0514.85kg/m3UHPC配合比表3编号PZPCP水泥700700700粉煤灰175175175矿粉707070硅灰115115115石英砂/mm00.3151541541540.3152.36921921921钢纤维159159159水1901901902.1不同类型PCE对UHPC工作性能的影响图1、图2为掺入不同类型PCE制备的UHPC的坍落度值和坍落度1h经时损失值。从图 1 中结合表 4 可以看出，掺入 PCE、早强型PCE和CSH-PCE后，UHPC坍落度值差别不大，分别为235、234mm和236mm，这说明不同类型的PCE掺入后对UHPC的初始流动度影响不大。进一步分析掺入不同类型PCE制备的UHPC的83低温建筑技术Jun.2023 No.300-建筑材料研究及应用坍落度1h经时损失值，结合图2和表4可以看出，掺入PCE、早强型PCE和CSH-PCE后，UHPC的坍落度1h经时变化量逐渐增大。其中掺入PCE后UHPC的坍落 度 1h 经 时 损 失 为 9mm，但 是 掺 入 早 强 型 和CSH-PCE后，UHPC的坍落度1h经时损失分别达到了12mm和15mm，相比于掺入PCE的UHPC，其坍落度1h 经时损失明显增大，这说明掺入早强型 PCE 和CSH-PCE后，UHPC的保坍性能也出现了明显下降，且掺入CHS-PCE后，其坍落度损失更大。2.2不同类型PCE对UHPC凝结时间的影响如图3所示为不同类型PCE对免蒸养UHPC初凝时间的影响。从图3中可以看出，相比于掺入PCE的UHPC，掺入早强型PCE的UHPC和掺入CSH-PCE的UHPC 的 初 凝 时 间 出 现 了 明 显 的 下 降，且 掺 入CSH-PCE的UHPC的初凝时间明显短于掺入早强型PCE的UHPC。其中，掺入PCE的UHPC初凝时间为7.7h，掺入早强型PCE的UHPC初凝时间缩短到4.2h，掺入CSH-PCE后UHPC初凝时间进一步缩短到2.8h。2.3不同类型PCE对UHPC力学性能的影响如图4所示为不同类型PCE对免蒸养UHPC抗压强度的影响。从图4中可以看出，相比于掺入PCE的UHPC，掺入早强型PCE和CSH-PCE的UHPC其12h和3d抗压强度明显提升，且掺入CSH-PCE的UHPC的12h和3d抗压强度高于掺入早强型PCE的UHPC。但当养护时间达到7d时，掺入早强型PCE的UHPC的抗压强度已低于掺入PCE和CSH-PCE的UHPC，且掺入CSH-PCE的UHPC的抗压强度略高于掺入PCE的UHPC，但相差不大；养护时间达到28d时，掺入不同PCE的UHPC抗压强度的发展规律与7d时保持一致，其中掺入标准型PCE、早强型PCE和CSH-PCE的UHPC 的 28d 抗 压 强 度 分 别 为 128.6、122.4MPa 和130.2MPa。如图5所示为不同类型的PCE对免蒸养UHPC抗折强度的影响，从图5中可以看出，养护龄期为3d和7d的UHPC的抗折强度的发展规律与其抗压强度发展规律相同。其中UHPC的3d和7d抗折强度中，掺入CSH-PCE 的 UHPC掺入早强型 PCE 的 UHPC掺入PCE的UHPC；28d抗折强度中，掺入CSH-PCE的UHPC掺入PCE的UHPC掺入早强型PCE的UHPC。然而从数据上看，掺入CSH-PCE和PCE的UHPC的28d抗折强度分别为23.2MPa和23.8MPa，两者并没有太大的差异。如图6所示为不同类型的PCE对免蒸养UHPC劈图3不同类型PCE对免蒸养UHPC初凝时间的影响PZP不同类型PCE86420初凝时间/hCP图4不同类型PCE对免蒸养UHPC抗压强度的影响140120100806040200抗压强度/MPa12h3d7d28dPZPCP不同类型PCE图2不同类型PCE对免蒸养UHPC坍落度1h经时损失的影响250200150100500坍落度/mmPZPCP不同类型PCE图1不同类型PCE对免蒸养UHPC坍落度影响1614121086420坍落度1h经时损失/mmPZPCP不同类型PCE图5不同类型PCE对免蒸养UHPC抗折强度的影响2520151050抗折强度/MPa3d7d28dPZPCP不同类型PCE84裂抗拉强度的影响，从图6可以看出，养护龄期为3d的UHPC的劈裂抗拉强度发展规律与其抗压和抗折强度发展规律相同。养护龄期为7d和28d的UHPC劈裂抗拉强度中，掺入 CSH-PCE 的 UHPC掺入早强型PCE的UHPC掺入PCE的UHPC。从数据上看，掺入CSH-PCE的UHPC和掺入PCE的UHPC的28d劈裂抗拉强度值差异不明显。文中结果表明，引入AMPS制备早强型PCE掺入UHPC中，能够提升UHPC的早期抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度，但会造成其28d强度出现一定程度的下降，但引入CSH晶核制备早强型PCE不仅能够明显提升UHPC的早期强度，而且不会造成28d抗压强度的降低。2.4机理分析目前能够使得PCE具备早强作用的方法主要有两种，一种是在聚羧酸合成过程中接入具有早强功能的基团或者延长其侧链长度，使之能够表现出更好的空间位阻作用，并通过羧基和Ca2+的络合作用形成高溶解性的络合物，提高Ca2+溶解度，从而促进水泥水化，降低PCE对水泥水化的延缓作用，进而提高UHPC的早期强度；一种是采用具有早强功能的组分与PCE在特定条件下按比例进行复配，复配后利用早强组分提高UHPC的早期强度。文中合成的早强型PCE即为第一种方法，在PCE中接入早强基团AMPS；合成的CSH-PCE即为第二种方法，在PCE中加入具有早强功能的CSH晶核。AMPS中既含有磺酸基又含有酰胺基，接枝磺酸基可以提高PCE的分散性，促进水泥水化；同时酰胺基作为两性基团，在一定程度上可以降低PCE分子对无机盐离子的敏感性，保持其伸展构象，更好地起到分散作用，从而起到了提高UHPC早期强度的作用。CSH晶核则可以为水泥水化提供晶核类物质，降低水泥水化产物成核势垒，加速水泥水化产物的形成，促进水泥水化进程的发展，从而提高了UHPC的早期强度。因此，UHPC中掺入早强型PCE和 CSH-PCE 时均能够表现出良好的早强效果。显然，比较掺入早强型PCE和掺入CSH-PCE的UHPC可以看出，掺入CSH后对UHPC的早强效果明显优于早强型PCE。3结语文 中 通 过 自 制 标 准 型 PCE、早 强 型 PCE 和CSH-PCE，研究了3种不同种类的PCE对免蒸养UHPC性能的影响。研究结果表明：（1）掺入不同类型的PCE对UHPC坍落度的影响差别不大，但掺入早强型PCE和CSH-PCE后，UHPC的保坍性能也出现了明显下降，且掺入CHS-PCE后，其坍落度1h经时损失更大，达到15mm。（2）相比于掺入PCE的UHPC，掺入早强型PCE和掺入CSH-PCE时的UHPC初凝时间明显下降，且掺入CSH-PCE的UHPC的初凝时间缩短更加明显，为2.8h，比掺入PCE的UHPC缩短了4.9h。（3）在常温养护条件下，相比于掺入 PCE 的UHPC，掺入CSH-PCE和早强型PCE均能够明显提升UHPC早期抗压、抗折和劈裂抗拉强度，但掺入早强型PCE会造成UHPC的28d强度出现下降。参考文献1WILLE K,NAAMAN A E,PARRA-MONTESINOS G J.Ultra-high performance concrete with compressive strength exceeding 150 MPa(22 ksi):A simpler way J.ACI Mater.J.,2011,108(1):46-54.2WILLE K.Development of non-proprietary ultra-high performance concrete for use in the highway bridge sector J.National technical information service springfield,2013(1):33-36.3WILLEY J.Use of ultra-high performance concrete to mitigateimpact and explosive threatsJ.Missouri univ.of science andtechnology,2013(1):50-59.4 WANG C,YANG C,LIU F,et al.Preparation of ultra-high performance concrete with common technology and materialsJ.Cpos.,2012,34(4):538-544.5 ALKAYSI M,EL-TAWIL 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