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超高性能混凝土采用组合养护的价值探究

2020-09-11 427 上传者：管理员

摘要：近年来超高性能混凝土(UHPC)已逐渐成了土木工程领域的一项技术研究发展热点，其中对于UHPC进行合理、高效的养护更是混凝土科研发展的主要方向之一。本文综述了目前国内外UHPC养护制度的研究现状以及组合养护对于UHPC性能优化的影响。由文献综述可知，组合养护通过加速水泥水化和火山灰反应，提高了UHPC微观结构的密实度，进而改善了UHPC的力学性能。此外，组合养护还可以有效地避免UHPC高温爆裂的发生。

关键词：
建筑材料
性能优化
研究综述
组合养护
超高性能混凝土
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1、引言

自1994年Larrard等[1]提出超高性能混凝土（UHPC）概念后，UHPC以其突出的技术优点如超高的强度、耐久性等，逐渐广泛应用于高耸结构、大跨桥梁等多种结构，例如我国深圳的京基100大厦[2]、西班牙的马德里雷纳索菲亚博物馆（ReinaSofiaMuseuminMadrid）、瑞士的Chillon高架桥。又因UHPC满足工程轻量化、高层化、耐久化、大跨化的技术要求，符合绿色人文的可持续发展战略，故其近年来已逐渐成为土木工程领域的研究与发展热点。

养护不当会直接造成混凝土力学性能及耐久性劣化，甚至可能产生疏松脱落、开裂等严重地宏观破坏现象，是影响工程结构正常施工和使用的重要原因之一。因此，如何确保UHPC具有合理、高效的养护制度就需要我们进行深入的研究探索。结合目前的研究成果，笔者认为最具优势的养护制度为组合养护。

2、UHPC养护制度研究现状

众多研究表明，混凝土的性能与其养护制度息息相关。与普通混凝土类似，养护制度也在很大程度上制约着UHPC的宏观性能，并对其微观结构产生重大影响。

热养护可明显地加速UHPC水泥水化和火山灰反应的进程，增强水泥界面黏结力，进而改善其力学性能与微观结构[3]。目前，已有众多学者对此进行了探索，并在实验中取得了有价值的研究成果。其中，采用较多的热处理养护制度包括：湿热养护（包括热水养护、蒸汽养护）、高压养护和干热养护；常用温度有：60℃、90℃、160℃、200℃和250℃[8]。

同时，热养护的环境温度、起始时间和养护时长也是影响UHPC性能的几个重要因素。Tam等[5]分别研究了热养护温度（100℃、150℃、200℃和250℃）和时长（8h和24h）对UHPC内部水化进程和微观结构的影响，结果显示，UHPC水化产物的晶体类型会随热养护温度的不同发生变化。此外，延长热养护时间也有助于生成更为致密的水化产物晶体。

为了获得性能更佳的UHPC，学者们还对多种不同的热养护制度展开了探讨。Yang等[6]发现，经90℃热水养护6d后，UH-PC的抗压强度、抗弯强度和断裂能较20℃常温水养时有所提高。Shen等[19]指出，蒸汽养护可以显著提高UHPC的抗压强度。Yazıcı等[7,8]认为适当提高蒸压养护的温度与压力，可提高C-S-H结晶度，从而改善UHPC力学性能。此外，高小健等[18]还采用微波养护对掺加了矿渣的UHPC进行了力学性能的相关研究，实验结果表明微波养护可显著增强掺矿渣UHPC的早期强度。

除上述几种单一养护制度外，一些组合养护制度也逐渐进入了学者们的研究视线。Liu等[9]对水胶比0.20、水泥用量150kg/m3的UHPC进行了抗压、抗弯试验，研究指出，与单独90℃蒸汽养护3d相比，在此基础上再进行150℃干热养护1d的UHPC，其抗压强度和抗弯强度分别提高了97%和70%。Hiremath等[10]研究发现，热水-干热组合养护可以显著提高UHPC的早期抗压强度，其中干热养护的温度、持续时长为重要影响因素。当养护制度为90℃热水养护12h+200℃干热养护7d时，UHPC内部生成大量硬硅钙石晶体，使其抗压强度可达180MPa，较龄期为28d的常温水养提高了63%。此外，牛旭婧所在课题组[17]也在实验中探索出了一种更具优势的组合养护制度（90℃热水养护2d+250℃干热养护3d），尤其对钢纤维增强UHPC的力学性能优化有着显著效果。

3、组合养护对UHPC性能的优化

UHPC所具有的超高强度、韧性、耐久性等综合性能是其一直以来备受工程师青睐的主要原因，也是其能更为广泛地在建筑结构中得以应用的重要保障[8]。研究表明，组合养护对于改善UHPC的力学性能、耐久性等具有明显的优势。

3.1抗压强度与劈裂抗拉强度

牛旭婧等[11]采用表1所示的养护制度对水胶比为0.18的素UHPC进行养护，其抗压强度和劈裂抗拉强度如图1所示。

表1养护制度

试验结果表明，相比于单一热养护（HW2和200DA2），组合养护制度可显著提高UHPC的抗压强度和劈裂抗拉强度，且热水-干热组合养护效果最为明显。此外，UHPC的抗压强度和劈裂抗拉强度也会随组合养护中干热养护的持续时长发生变化。

此外，引入干热养护的时机及干热养护持续时长对UHPC的最终强度有一定的影响，这可能与不同养护制度下混凝土内部水分分布规律不同有关系[12]。组合养护中期的干热养护阶段可以营造出一种高温干燥的环境，这会起到两个作用：一方面高温可以加速水泥颗粒的水化反应，并促进矿物掺和料参与二次水化；另一方面，干热养护也会使混凝土内部自由水蒸发比较严重，从而影响UHPC的强度。

图1经历不同养护制度后素UHPC的抗压强度和劈裂抗拉强度[11]

组合养护提高UHPC力学性能的机理[11]为：热水养护促进UHPC水泥水化和火山灰反应，提高其水化程度，大量均匀分布的C-S-H凝胶使得UHPC内部结构更为致密；干热养护提供相对密封的养护环境，阻止UHPC内部自由水逸出，随加热温度升高，UHPC内部产生的蒸汽压力得以维持，达到类似于蒸压养护[13,14]的效果进而明显提高其力学性能。

3.2断裂能

除强度外，学者们还对UHPC的断裂能进行了研究分析。

牛旭婧等[11]对比研究了标养27d(NW）、90℃热水养护2d+200℃干热养护（HW2-200DA1/2/3）、90℃热水养护2d+250℃干热养护3d(HW2-250DA3）三种养护方式对UHPC断裂能的影响。试验结果表明，热水-干热组合养护还有利于提高UHPC的断裂能。

而就Yang等[6]关于90℃热水养护这一单一养护方式对UH-PC断裂能影响的研究结果而言，前者的断裂能仅比20℃水养时提高了15%。此外，我国的张胜[15]等人也提出了类似观点，即湿热养护有利于改善水泥石与钢纤维的界面，使得UHPC的抗压、抗折强度和断裂能较标准养护时均有所提升，但同时文献也指出采用蒸汽养护的试件后期强度会出现不同程度的倒缩。

3.3高温爆裂

建筑结构发生火灾往往会造成严重地人员伤亡和生命财产损失，且这种情况在国内外均时有发生，因此建筑结构火灾一直都是我国建筑行业面临的严重灾害威胁之一。研究报道表明，高温下UHPC会发生爆裂，对建筑结构的安全性产生巨大影响，故如何解决UHPC高温爆裂是目前亟待解决的重要问题[16]。

2016年朋改非课题组[16]提出了一种常温保湿养护+90℃热水养护+200℃～250℃干热养护的组合养护制度，所制得的UHPC具有优异的抗高温爆裂性，同时可使抗压强度提高到200MPa。高温爆裂主要由蒸汽压机理控制，而组合养护不仅强化了UHPC的微观结构，更通过水化反应和火山灰反应消耗了大量的内部游离水，使得UHPC在遭受火灾高温作用时，无法产生较高的蒸汽压，从而避免了高温爆裂的发生。

如图2所示，（a）为常温泡水养护的试件，高温爆裂严重，爆裂成一堆细小的碎块；（b）为干热养护的试件，爆裂程度有所减轻；（c）与（d）均为组合养护的试件，在高温下不发生爆裂[16]。

图2不同养护条件下的试件经历800℃高温后的形貌[16]

4、结论与展望

(1）适宜的养护制度可保障混凝土的高强度、高耐久性，对于超高性能混凝土同样如此。相较于单一的养护制度而言，组合养护加速了水泥水化和火山灰反应，形成了大量且分布均匀的C-S-H凝胶，使得UHPC的微观结构更加密实，显著提高了UHPC的力学性能。

(2）组合养护可以有效地改善UHPC的火灾高温性能，同时避免了UHPC的高温爆裂。

(3）目前已有的组合养护模式仍存在着改进空间，未来的研究可着眼于组合养护制度的参数优化问题进行更为深入的探索。例如，目前的研究虽已指出组合养护过程中UHPC内部形成的高温蒸汽环境显著激发了残余水泥颗粒的进一步水化和掺料的火山灰反应，从而使UHPC拥有了更加优异的力学性能，但能达到最佳效果的环境湿度、温度和蒸汽压的具体数值仍未探索清晰。

(4）此外，关于组合养护的大部分研究都着眼于UHPC的抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂能，而其耐久性、直接抗拉强度等其他性能的研究都涉及较少，还有待后续学者的进一步探索。

参考文献：

[2]任佳.科技助力超高性能混凝土应用[N].中国建设报,2013-3-4.

[4]于俊超,张军旗,彭帅,王俊.养护对UHPC性能的影响研究综述[J].四川水泥,2018(11):334.

[11]牛旭婧,朋改非,尚亚杰,戴磊,戢文占.热水-干热组合养护对超高性能混凝土力学性能的影响[J].硅酸盐学报,2018(8):1141~1148.

[12]尚亚杰.组合养护对含粗骨料超高性能混凝土常温性能及高温爆裂行为的影响[D].北京:北京交通大学,2016.

[15]张胜,周锡玲,谢友均,等.养护制度对活性粉末混凝土强度及微观结构影响的研究[J].混凝土,2007(212):16~18.

[16]朋改非,牛旭婧,成铠.超高性能混凝土的火灾高温性能研究综述[J].材料导报,2017(23):17~23.

[17]牛旭婧.热水-干热组合养护优化超高性能混凝土力学及抗高温爆裂性能的机理研究[D].北京:北京交通大学,2019.

[18]高小建,李双欣.微波养护对掺矿渣超高性能混凝土力学性能的影响及机理[J].材料导报,2019(2):271~276.

刘莹.组合养护对超高性能混凝土的性能优化研究综述[J].绿色环保建材,2020(09):17-19.