常青山，安昊文，郎慧東，周在波，付鵬，許玉鵬

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟(jì)南 251400）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一種具有高抗壓、高抗拉、高耐久性、高延展以及優(yōu)異工作性能的混凝土[1-3]。在橋梁工程、維修加固、預(yù)制構(gòu)件、防爆抗低溫儲(chǔ)罐等工程中都有廣泛應(yīng)用[4-5]。UHPC在橋梁工程應(yīng)用中仍然存在許多問題，大跨度橋梁混凝土變形開裂，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的總體撓度、橋面鋪裝及橋面結(jié)構(gòu)裂縫限制UHPC的應(yīng)用[6]?；炷敛煌g期強(qiáng)度的發(fā)展對(duì)混凝土變形開裂及撓度變化有較大影響。

東海縣某水泥混凝土路面在使用過程中一直有斷板現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)合原材料測試及道路混凝土芯樣測試，分析得出斷板主要由于混凝土早期強(qiáng)度低，在溫度翹曲應(yīng)力、自重及外部荷載作用下發(fā)生斷裂[7]。在一定范圍內(nèi)，水膠比越小，抗裂性能越好，但是如果強(qiáng)度過高，早期水化熱較大，容易形成溫度裂縫[8-9]。因此，研究混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律對(duì)混凝土裂縫控制、體積穩(wěn)定性及橋梁工程抗擾動(dòng)性能的提高具有重要意義。

養(yǎng)護(hù)溫度、細(xì)集料集配、礦物摻合料、減水劑及纖維種類等因素對(duì)UHPC的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都有顯著影響[10-14]。100℃高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)UHPC早期抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，3 d抗壓強(qiáng)度和彎曲性能超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的性能[15]。Li等[2]通過控制砂率和膠凝材料用量，實(shí)現(xiàn)1 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到66～100 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度為125 MPa左右，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到145 MPa。

大量研究主要集中在養(yǎng)護(hù)條件、砂率、外加劑等對(duì)UHPC力學(xué)性能影響的單因素分析[16-19]。膠凝材料種類、緩凝劑種類及礦物摻合料摻量對(duì)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的耦合作用研究較少。本研究通過普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻，添加特種緩凝劑及礦物摻合料使UHPC的早期抗壓強(qiáng)度可調(diào)，后期抗壓強(qiáng)度滿足工程要求。通過實(shí)驗(yàn)室自制聚羧酸減水劑研究聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)與UHPC流動(dòng)度之間的關(guān)系，并采用SEM分析了UHPC的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)合濟(jì)南順河高架維修加固工程施工要求，為了不影響交通，同時(shí)保證工程進(jìn)度，提高混凝土的抗擾動(dòng)能力及降低混凝土的開裂，使超高性能混凝土5 h抗壓強(qiáng)度≥8 MPa、1 d抗壓強(qiáng)度≥30 MPa、3d抗壓強(qiáng)度≥60MPa、28d抗壓強(qiáng)度≥90 MPa，V形漏斗流出時(shí)間≤15s，抗壓強(qiáng)度損失率應(yīng)小于5%的要求。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：淄博寶山水泥廠P·O52.5R水泥（OPC），比表面積350 m2/kg；52.5級(jí)硫鋁酸鹽水泥（SAC）；礦粉：S95級(jí)；硅灰：博肯硅材料，膠凝材料的主要化學(xué)成分見表1。石英砂：20～40目、40～70目、70～120目，按2∶2∶1的質(zhì)量比復(fù)合使用。鋼纖維：長度12mm。緩凝劑：葡萄糖酸鈉（西王）、白糖（市售）、硼酸（市售）。消泡劑：國外進(jìn)口。聚羧酸減水劑：自制，合成原材料見表2。

表2 合成原材料

1.2 配合比

UHPC基本配合比為：水膠比0.18，膠凝材料由300 kg/m3OPC+100kg/m3礦粉組成，膠砂比為0.8，鋼纖維摻量為80kg/m3，緩凝劑、消泡劑摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）分別為0.03%、0.06%。固定膠凝材料總量不變，設(shè)計(jì)以SAC摻量（等質(zhì)量取代OPC）、硅灰摻量（等質(zhì)量取代礦粉）、緩凝劑種類為因素的正交試驗(yàn)，分析各因素對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響。正交試驗(yàn)因素水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平

1.3 聚羧酸減水劑合成工藝

固定四口燒瓶在支架上，加入適量的大單體和去離子水到底釜，開啟攪拌泵進(jìn)行攪拌。將巰基丙酸、抗壞血酸和特制小料制為A料。丙烯酸和一定量的去離子水制為B料。待大單體溶解后，在四口燒瓶中滴加雙氧水，然后開啟蠕動(dòng)泵滴加A料和B料，A料滴加時(shí)間控制在65 min，B料滴加時(shí)間控制在60 min。滴加完成后保溫1 h，加入32%濃度的液堿中和至pH值為7，得到濃度為40%的聚羧酸減水劑母液。

1.4 試驗(yàn)方法

為了獲得均勻穩(wěn)定的混凝土材料，首先將所有的骨料和膠凝材料加入攪拌機(jī)混合攪拌3 min，然后分批次加入自來水和所有外加劑，在攪拌過程中緩慢加入鋼纖維，繼續(xù)攪拌5 min。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，使用V形漏斗測試混凝土的流動(dòng)性。將攪拌好的混凝土料漿倒入150 mm×150 mm×150 mm模具，振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，4.3 h脫模，脫模后繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別測試5h、1 d、3 d、28 d抗壓強(qiáng)度。

擾動(dòng)儀器測試選擇可調(diào)控頻率的電磁擾動(dòng)臺(tái)。為模擬橋梁施工條件，將攪拌好的混凝土料漿倒入150 mm×150 mm×150 mm模具。自混凝土澆筑后持續(xù)擾動(dòng)，固定模具在振動(dòng)臺(tái)上，避免模具彈跳產(chǎn)生不良影響。分別測試受擾動(dòng)混凝土的1 d、3 d、28 d抗壓強(qiáng)度，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度損失率：未受到擾動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度與受擾動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度的差值除以未受到擾動(dòng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，測試儀器為無錫建儀TYE2000B萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為8～10 kN/s，連續(xù)均勻加載。

流動(dòng)度調(diào)控試驗(yàn)：采用實(shí)驗(yàn)室合成的不同酸醚比聚羧酸減水劑對(duì)拌合物V型漏斗流出時(shí)間進(jìn)行測試，制備出流動(dòng)度符合要求，且不影響UHPC強(qiáng)度的專用聚羧酸減水劑。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 UHPC強(qiáng)度調(diào)控正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測試結(jié)果見表4，極差分析見表5。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測試結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)極差分析

由表4和表5可見：

（1）各因素對(duì)UHPC5h、1d抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋篈＞C＞B，對(duì)UHPC3d、28d抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋篈＞B＞C。

（2）SAC摻量對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度影響最大。與OPC相比，SAC中含有大量無水硫鋁酸鈣（C4A3S），SAC在SO42-和OH-的激發(fā)作用下迅速發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量鈣礬石（AFt）晶體，填充孔隙，提高UHPC的密實(shí)度。

（3）硅灰摻量對(duì)UHPC5 h、1 d抗壓強(qiáng)度影響較小，但對(duì)3d、28d抗壓強(qiáng)度的影響增大。隨著硅灰摻量的增加，對(duì)早期抗壓強(qiáng)度并無明顯影響甚至抗壓強(qiáng)度還稍有降低，但是對(duì)后期抗壓強(qiáng)度具有明顯的提高作用。與礦粉相比，硅灰為粒徑在0.1μm左右的超細(xì)材料，主要化學(xué)成分為SiO2，硅灰大多為球形，粒徑較小，表面光滑，作為填充材料填充在縫隙中，排出自由水。硅灰具有較強(qiáng)的火山灰效應(yīng)，可與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，以此提高UHPC的后期抗壓強(qiáng)度。

（4）緩凝劑種類對(duì)UHPC早期抗壓強(qiáng)度影響明顯，白糖的主要成分為己糖酸鈣，具有較強(qiáng)的固液表面活性，可以與水泥顆粒的表面吸附，從而形成溶劑化的吸附層，能夠阻礙顆粒的接觸和凝聚，破壞水泥絮凝的形成，使得水泥的初期水化糖鈣含有多個(gè)羥基，抑制水泥的初期水化。葡萄糖酸鈉主要是通過與水泥水化產(chǎn)物生成不溶性的Ca鹽，減慢水泥的水化速度，隨著鹽分子量的不斷增大，逐步表現(xiàn)出緩凝作用。硼酸緩凝主要是漿體中Ca2+離子作用下形成了硼酸包裹層，起到緩凝效果。摻葡糖糖酸鈉時(shí)UHPC的5 h、1 d抗壓強(qiáng)度最高。

（5）9組試樣中，9#試樣的5h、1 d、3 d的抗壓強(qiáng)度最高，3#試樣的28 d的抗壓強(qiáng)度最高，在滿足28 d抗壓強(qiáng)度的前提下選擇28 d抗壓強(qiáng)度最高對(duì)應(yīng)的3#試樣進(jìn)行流動(dòng)度調(diào)控試驗(yàn)，并進(jìn)一步提高UHPC的早期抗壓強(qiáng)度。

2.2 UHPC流動(dòng)度調(diào)控結(jié)果分析

通過上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，SAC、硅灰和緩凝劑對(duì)UHPC不同齡期的抗壓強(qiáng)度有較大影響，但是僅對(duì)三者進(jìn)行調(diào)控很難滿足工程要求，需在3#試樣基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高早期強(qiáng)度和優(yōu)化流動(dòng)度?？刂奇溵D(zhuǎn)移劑（巰基丙酸）、引發(fā)劑、特制小料用量分別為大單體質(zhì)量的0.4%、3.0%、1.0%，制備不同酸醚比的聚羧酸減水劑，研究減水劑對(duì)UHPC的V型漏斗流出時(shí)間的影響，結(jié)果見圖1，減水劑折固摻量均為膠凝材料質(zhì)量的0.38%。

由圖1可見，隨著酸醚比的增大，V型漏斗初始流出時(shí)間不斷縮短，在酸醚比為6時(shí)逐漸平緩；酸醚比繼續(xù)增大，初始流出時(shí)間無明顯縮短。主要原因?yàn)?，丙烯酸主鏈與聚醚大單體側(cè)鏈在酸醚比較小時(shí)側(cè)鏈密度較小，聚醚側(cè)鏈密度較大，側(cè)鏈易造成纏繞，無法較好地發(fā)揮空間位阻作用來分散水泥顆粒。丙烯酸作為主鏈，其鏈上的羧基可以錨固在水泥顆粒上起到定位作用，隨著酸醚比的增大，—COOH的比例在不斷增大，其電荷密度不斷增高，吸附能力增強(qiáng)。當(dāng)酸醚比達(dá)到6時(shí)，側(cè)鏈與主鏈充分鏈接，聚醚單體可以充分發(fā)揮空間位阻作用，以此分散水泥顆粒。對(duì)于V型漏斗30 min流出時(shí)間，在酸醚比為6時(shí)流出時(shí)間損失最小，酸醚比大于6時(shí)，聚羧酸減水劑的保坍效果較差，V型漏斗流出時(shí)間急劇延長。由上述可知，控制酸醚比為6，V型漏斗初始流出時(shí)間較短，保坍效果較好，V型漏斗30 min流出時(shí)間也最短。

控制酸醚比為6，研究聚羧酸減水劑摻量（折固，按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度和V型漏斗流出時(shí)間的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 聚羧酸減水劑摻量對(duì)UHPC性能影響

由表6可知：

（1）隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，V型漏斗初始流出時(shí)間不斷縮短，摻量從0.34%增大至0.42%，V型漏斗初始流出時(shí)間縮短了18.75%；30 min流出時(shí)間先縮短后延長，摻量為0.38%時(shí)30 min流出時(shí)間最短，較摻量為0.34%時(shí)縮短了25.52%。這是由于聚羧酸減水劑的加入通過其對(duì)水泥顆粒的吸附，使得水泥顆粒表面帶有同種負(fù)電荷，水泥顆粒之間相互排斥，以此分散水泥顆粒，流動(dòng)性增大，黏度降低。摻入適量的聚羧酸減水劑能夠使體系分散更均勻，水化更充分，能夠進(jìn)一步提高UHPC各齡期的抗壓強(qiáng)度，尤其對(duì)早期抗壓強(qiáng)度效果明顯。但隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，自由水不斷增多，影響水泥顆粒之間的密實(shí)度，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。而當(dāng)聚羧酸減水劑摻量較低時(shí)，無法充分分散水泥顆粒，造成水泥顆粒絮凝，流動(dòng)性不能滿足要求，對(duì)于UHPC抗壓強(qiáng)度的發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

（2）隨著減水劑摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在聚羧酸減水劑摻量為0.38%時(shí)，5 h抗壓強(qiáng)度為14.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到132.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)V型漏斗流出時(shí)間也較短。

2.3 微觀形貌分析

根據(jù)上述試驗(yàn)確定的UHPC優(yōu)化配比為：SAC摻量為25%、硅灰摻量為27%、緩凝劑采用硼酸，酸醚比為6的聚羧酸減水劑折固摻量為0.38%，按此配比制備UHPC，通過掃描電鏡對(duì)不同齡期的水化產(chǎn)物進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著齡期延長，結(jié)構(gòu)逐漸致密，初期孔隙較多，在養(yǎng)護(hù)至1d時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物變得較為密實(shí)，水化產(chǎn)物中開始出現(xiàn)不規(guī)則的扁平粒子堆積在一起。養(yǎng)護(hù)至3 d時(shí)結(jié)構(gòu)已足夠密實(shí)，出現(xiàn)交錯(cuò)的纖維狀和棒狀水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠和鈣礬石。在28 d時(shí)結(jié)構(gòu)非常密實(shí)，大量的鈣礬石和C-S-H凝膠交錯(cuò)分布，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了UHPC的密實(shí)性，進(jìn)一步提高力學(xué)性能。

2.4 工程應(yīng)用

濟(jì)南順河高架系桿拱橋位于山東濟(jì)南北園立交南側(cè)，順河高架路明湖北路出口與清河北路出口之間，上跨大明湖火車站西咽喉，橋梁全長90 m，橋面全寬25.5 m，北接機(jī)動(dòng)車雙向六車道，南接機(jī)動(dòng)車雙向四車道。本次施工全過程分時(shí)段進(jìn)行全封閉施工，封鎖區(qū)域全長90 m。其維修工程空心板加固用UHPC要求滿足抗擾動(dòng)和抗裂要求。UHPC的配合比如表7所示，性能測試結(jié)果如表8所示。

表7 UHPC的配合比 kg/m3

表8 UHPC的性能測試結(jié)果

由表8可知，采用優(yōu)化配比制備的UHPC初始、30 min坍落度分別為661、621 mm，T500的初始、30 min分別為6.5、7.2 s，V型漏斗初始、30 min流出時(shí)間分別為13.5、14.0 s，流動(dòng)性和黏聚性均能滿足設(shè)計(jì)要求的限值。UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度為130.5 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的145%。28 d抗壓強(qiáng)度損失率為2.1%，符合小于5%的設(shè)計(jì)要求，抗擾動(dòng)性滿足工程項(xiàng)目要求。在實(shí)際施工過程中效果較好，提高了施工效率，節(jié)省了時(shí)間成本。

3 結(jié)論

（1）UHPC的優(yōu)化配比為：SAC摻量為25%、硅灰摻量為27%、緩凝劑采用硼酸，合成的聚羧酸減水劑酸醚比為6，按此配比制備的UHPC各齡期力學(xué)性能較好，流動(dòng)性滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）SEM分析表明，UHPC的水化產(chǎn)物致密，28 d齡期時(shí)結(jié)構(gòu)非常密實(shí)，大量的C-S-H凝膠折疊分布，并出現(xiàn)大量的鈣礬石晶體，抗壓強(qiáng)度發(fā)展較好。

（3）在濟(jì)南順河高架空心板加固中采用優(yōu)化的UHPC，流動(dòng)性和黏聚性均能滿足設(shè)計(jì)要求的限值。28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的145%，表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，28 d抗壓強(qiáng)度損失率為2.1%，符合小于5%的設(shè)計(jì)要求，抗擾動(dòng)性滿足工程項(xiàng)目要求。