超高性能混凝土收缩特性研究现状

超高性能混凝土收缩特性研究现状

曾一1

1 重庆交通大学，重庆 400047

摘要：超高性能混凝土(UHPC)在设计师采用低水胶比和高胶凝材料用量，在早期表现出较高的收缩。高收缩率会导致混凝土存在较高的开裂风险，最终使混凝土的性能劣化。根据UHPC收缩的抑制机理，对控制水化反应、掺入内养护材料、增加内部约束三种减小UHPC收缩方式进行了综述。结果表明，内养护对UHPC收缩的抑制效果最好。

关键词：UHPC；水化反应；内养护；内部约束

引  言

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型复合材料，主要由硅酸盐水泥、 密实掺合料（硅灰、石英粉等）、 次第水化掺合料（粉煤灰、 矿渣等）、外加剂（减水剂、膨胀剂等）、细骨料、水和纤维等组成。UHPC设计遵循减少孔隙率、改善微观结构、增强均匀性和增加韧性四个理论原则[1]。UHPC相较传统混凝土，水胶比低（约0.2）、胶凝材料用量大（600～1000kg/m3）、集料以细集料为主，同时掺有纤维，这使得UHPC的力学和耐久性较传统混凝土极大地提高，在特殊结构中广泛使用。

1  早期水化反应的控制

对UHPC，硅灰可与水化产物发生充分的二次水化反应，可极大地增强UHPC的各项性能，但硅灰的加入会导致UHPC早期收缩增加所以通过控制水化反应进程减小UHPC的收缩主要考虑使用其他辅助胶凝材料（SCMs）替代部分水泥或硅灰。

在UHPC中使用其他SCMs(粉煤灰、磨碎的高炉炉渣、稻壳灰等)和惰性材料通常是由于成本和长期性能的改善。SCMs的形态特征可能影响UHPC的自收缩发展，例如，粉煤灰表面光滑，表面积较小，容易引起截留水的释放，从而降低内部相对湿度的快速下降，特别是对于w/b较低的基体，偏高岭土的层状结构使其具有较强的吸水能力。这可能导致UHPC胶凝组分的水化反应延迟和内养护效果，导致较低的自收缩。Staquet等人[2]使用偏高岭土替代67%的硅灰，并观察到UHPC的6 d自收缩减少了约50%。韩松等[3]-[4]使用粉煤灰替代昂贵的硅灰(质量替代率分别为 25%、50%、75%) 可减小收缩，特别是早期收缩；涂亚秋等[5]研究掺粉煤灰 UHPC 长期收缩发展规律，呈现前期快速增长(0～7 d) 、中期相对稳定(28～60 d) 、后期缓慢回胀( 60～180 d) 的趋势。Hanehara等人[6]发现，当超过60%的硅酸盐水泥被粉煤灰替代时，完全水化时间为1年以上。在给定的PH值和温度下， SCMs中玻璃相的溶解是复杂而多变的，受钙和铝的存在影响。研究表明，钙和铝可以通过在玻璃相表面形成沉淀产物来阻止玻璃相的溶解。另一方面，SCMs的替代限制了水泥在UHPC中的初始水化。减少了水化过程引起的化学收缩和自收缩。此外，天然沸石作为火山灰，具有较高的吸附能力，也可以作为内养护材料掺入到混凝土中。一些惰性材料，如石英粉，石灰石粉，硅灰石等，已经被证实可以降低UHPC的自收缩。

2 内养护降低收缩

内部养护材料根据吸水机理可分为两类:含物理吸附水的物质和多孔材料。超吸水树脂（SAP）和轻骨料（LWA）是最常用的。与其他候选材料相比，SAP具有优越的解吸能力。与LWA相比，SAP还可以作为干燥的混凝土外加剂使用，在搅拌过程中吸水，但当SAP释放水分时，会在密集的水泥基体中留下空隙，这会降低混凝土的力学性能和结构承载能力。但在使用LWA时却没有发现这个缺点。最近发现了其他材料，如稻壳灰（RHA）和膨润土等材料均具有内养护的功能。RHA具有纳米级孔隙的多孔结构，在搅拌过程中还能吸收部分搅拌水，充当内部固化材料。徐彬彬等[7]研究了LWA对UHPC收缩性能的影响，饱水轻骨料中的内养护水在水化过程逐渐释放，加速基体水化，提高了基体水化热峰值和总量，且使水化热峰值提前出现；同时在基体水化过程中，轻骨料中内养护水缓慢释放，保持基体内部相对湿度处于较高水平，缓解自干燥效应，当轻骨料掺量为50%时，自收缩显著降低，仅为基准组的7. 2%。已有研究表明[8]，随着硅灰( Sillca fume，简称SF) 掺量的增加，低水胶比混凝土的干缩略有增大，而自收缩值却增大得非常明显。庄一舟等[9]研究了用稻壳灰替代硅灰对超高性能混凝土性能的影响，实验结果表明，稻壳灰与硅灰混合掺入时能明显提高超高性能混凝土抗压强度。是否其他材料具有和 RHA 类似的特性，也能够对 UHPC 具有同样的效果。Olivier等[10]研究了混凝土试件的塑性收缩裂缝。结果表明，与不含SAP的参照组相比，含SAP的实验组塑性收缩率降低。王发洲等[11]通过平板法测试了高水胶比下，SAP 对塑性收缩开裂性能的影响，表明 SAP 的掺入能够显著提高混凝土的早期抗裂性能，并且掺量越大，抗裂效果越显著。

3结语

本文从控制水化反应进程、掺加内养护材料和增强内部约束三个方面对UHPC收缩进行了综述，得出以下结论:（1）SCMs替代部分水泥可以减缓水泥的初始水化进程，避免了水化放热集中，从而减小了因为水泥水化放热而引起的水分蒸发过快导致的收缩，但是，UHPC早期强度发展将会受到衰减。（2）与多孔骨料相比，高吸水性聚合物吸水率高，可在干燥条件下混合，易于控制。多孔骨料在使用前通常进行预处理，预处理方法对其效率有很大影响。（3）纤维的尺寸、种类、结构和掺量等因素对纤维的约束作用影响较大。纤维掺量高、和易性降低会降低效率，甚至对自收缩产生不利影响。骨料掺量和粒径的增加可以减少自收缩。

参考文献：

[1]黄政宇,阳东翱.超高性能混凝土基体的组成与微结构关系研究[J].硅酸盐通报,2017(12):4104-4111

[2]Staquet S, Espion B. Early age autogenous shrinkage of UHPC incorporating very fine fly ash or metakaolin in replacement of silica fume[C]. In: International symposium on ultra-high-performance concrete, kessel Germany; 2004. p. 587–99.

[3]韩松,涂亚秋,安明喆,等． 活性粉末混凝土早期收缩规律及其控制方法[J].中国铁道科学,2015,36( 1) : 40－47．

[4]韩松,刘丹,张戈,等． 超低水胶比复合胶凝材料孔结构随养护制度和龄期的变化机理[J]. 硅酸盐学报,2017,45( 11) : 1594－1604．

[5]涂亚秋．活性粉末混凝土收缩影响因素的研究［D］． 北京: 北京交通大学,2015．

[6]Hanehara S, Tomosawa F, Kobayakawa M, et al. Effects of water/powder ratio, mixing ratio of fly ash, and curing temperature on pozzolanic reaction of fly ash in cement paste. Cement Concr Res 2001;31(1):31–9.

[7]徐彬彬，欧忠文，罗伟等.饱水轻骨料和减缩剂对UHPC水化过程和自收缩的影响[J]. 材料导报, 2020, v.34(22):69-73.

[8]刘建忠．矿物掺合料对低水胶比混凝土干缩和自收缩的影响[J].东南大学学报:自然科学版,2009,39( 3) : 580-585．

[9]庄一舟,郑海彬,季韬,等．稻壳灰替代硅灰对超高性能混凝土性能影响的试验研究[J].混凝土与水泥制品,2012,( 6) : 10-14．

[10]Olivier G, Combrinck R, Kayondo M, et al. Combined effect of nano-silica, super absorbent  polymers,  and  synthetic  fibres  on  plastic  shrinkage  cracking  in concrete. Construction and Building Materials, 2018, 192: 85−98

[11]王发洲, 商得辰, 齐广华. SAP对高水胶比混凝土塑性开裂的影响[J]. 建筑材料学报, 2015, 02: 190−194