珊瑚砂负载减缩剂对超高性能混凝土基体性能的影响

杨荣辉，明鑫，张国志，陈飞翔

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040）

0 引言

超高性能混凝土UHPC（Ultra High Performance Concrete）具有超高的强度、韧性和耐久性等诸多优良性能，获得了学术界和工程界的广泛关注，在桥梁、建筑、核电、海洋等工程中得到了广泛应用[1-2]。超高性能混凝土在水化过程中伴随着较大的收缩，其中自收缩占总收缩的80%～95%[3]，且主要发生在凝结硬化早期，此时UHPC的强度和抗裂能力还较薄弱，较大的收缩应力会导致UHPC内部产生微裂缝，不仅降低混凝土的耐久性，也使得UHPC的抗拉特性在结构设计中无法得到充分发挥，造成性能的浪费。

目前，用于降低混凝土收缩的方法主要有：掺入膨胀剂、采用内养护技术及掺入减缩剂[4]。其中膨胀剂膨胀效用的发挥对施工及养护环境要求较高，且膨胀反应需水量较大。而减缩剂是通过降低混凝土孔溶液的表面张力，从而降低毛细孔应力，减缓收缩变形[5]，但减缩剂会延缓水泥的水化，进而影响UHPC的强度，其昂贵的价格也限制了其大规模使用[6]。内养护则是利用预吸水多孔材料在混凝土硬化过程中缓慢释放水分，以减小或推迟自干燥收缩的产生[7]，但过多的掺入轻骨料也会降低混凝土的力学强度和耐久性能。由于单独使用减缩剂和内养护都有明显不足，因此有研究者提出复合使用减缩剂和轻骨料以降低水泥基材料的自收缩，都取得了显著的效果[8-9]。珊瑚砂是一种表面疏松多孔、具有高吸水性的天然轻集料，利用其作为内养护轻骨料与减缩剂复合使用以抑制UHPC收缩的研究还较少。本试验选用珊瑚砂作为多孔载体，研究了饱水珊瑚砂、减缩剂及珊瑚砂负载不同浓度减缩剂对UHPC力学性能、体积稳定性的影响规律，并对作用机理进行了讨论。

1 试验

1.1 原材料

水泥：华新P.II 52.5硅酸盐水泥；硅灰：埃肯硅灰，SiO2含量94.6%，比表面积17 900 m2/kg；漂珠：山东日照生产的超细漂珠，需水量85%，烧失量0.65%；石英砂：粒径范围0.45～0.90 mm，表观密度2 650 kg/m3，SiO2含量大于95%；石英粉：平均粒径40μm，SiO2含量大于95%；珊瑚砂：来自于某岛礁，表观密度2 340 kg/m3，24 h饱和吸水率10.8%，粒径范围0.45～0.90 mm，压碎值23.6%。减缩剂：德国SITREN P260减缩剂，白色粉末，可溶于水。减水剂：中交二航武汉港湾新材料有限公司生产，固含量35%，减水率32%；消泡剂：烷氧基脂肪醇型消泡剂，中交二航武汉港湾新材料有限公司生产，淡黄色粉体；拌合水为自来水。

1.2 试验配合比

根据前期研究成果，试验选取水胶比0.18的UHPC作为基准配合比，水泥∶硅灰∶漂珠∶石英砂∶石英粉=0.65∶0.25∶0.1∶0.815∶0.185，减水剂掺量固定为胶凝材料的2.5%，消泡剂掺量固定为胶凝材料的0.1%，不掺入钢纤维。根据Bentz等[10]提出的内养护轻骨料最低用量计算方法，可计算得本试验中珊瑚砂的最低理论用量为364 kg/m3，相当于等体积取代率为45%，因此本试验设计珊瑚砂的等体积取代率为35%、45%及55%。减缩剂的掺量选取为胶材的0.5%、1.0%，试验前将减缩剂充分溶解于拌合水中。对于珊瑚砂负载减缩剂的试验，则先将减缩剂充分溶解于预湿水中（珊瑚砂质量10.8%的水），再用其对珊瑚砂进行预湿，静置24 h后使用。设计的试验配合比如表1所示。

表1 UHPC配合比Table 1 Mix proportion of UHPC

1.3 测试方法

成型40 mm×40 mm×160 mm试件，静置1 d后拆模，于标准养护室内养护至指定龄期，测试砂浆的抗压强度。根据贯入阻力法测试砂浆的凝结时间，根据跳桌法测试砂浆的流动度。采用非接触式波纹管自收缩测定仪对UHPC砂浆的自收缩进行测试，以初凝时间作为自收缩测试的起点，测试环境为（20±2）℃，相对湿度（60±5）%。采用接触式收缩变形测量装置对UHPC砂浆的干燥收缩进行测试，干缩试件成型后静置于标准养护室1 d后拆模，拆模后安装好干缩架，与自收缩测试仪置于同一实验室中，此后每天采集1次数据。

2 结果讨论

2.1 珊瑚砂负载减缩剂对UHPC工作性能的影响

图1 为UHPC的流动度及初凝时间测试结果。结果表明，随着饱水珊瑚砂等体积取代量的增大，UHPC砂浆的初凝时间先缩短后增长，这是由于珊瑚砂中含有的微量无机盐可起到促凝作用[11-12]，饱水珊瑚砂的“水泵”效应也促进了胶材的早期水化，当珊瑚砂体积取代率大于一定比例后，珊瑚砂引入的过量水增大了实际水胶比，导致UHPC的初凝时间延长。减缩剂的掺入会使得初凝时间大幅延长，这主要是因为减缩剂会降低离子在孔溶液中的溶解度，增加浆体中孔溶液的黏度，从而降低离子扩散速率，减缓了水化进程。当珊瑚砂负载减缩剂引入UHPC砂浆体系时，相对于基准组和饱水珊瑚砂试验组，UHPC的初凝时间都延长了，但珊瑚砂负载浓度15.4%或30.8%减缩剂分别等体积取代45%的石英砂与直接掺入减缩剂相比，初凝时间有了略微缩短，这也说明珊瑚砂负载减缩剂的掺入方式可以略微减轻减缩剂延缓水化的负面作用。从图1可以看出，饱水珊瑚砂和减缩剂的掺入都增大了UHPC的流动度，且随着饱水珊瑚砂的取代比例和减缩剂掺量的增长，流动度也随之增大。

图1 减缩剂和珊瑚砂对UHPC工作性能的影响Fig.1 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC performance

2.2 珊瑚砂负载减缩剂对UHPC力学性能的影响

图2 是UHPC的强度测试结果。随着饱水珊瑚砂取代比例的增加，UHPC的7 d和28 d抗压强度呈明显的下降趋势，减缩剂的掺入也会降低UHPC的抗压强度，对砂浆的早期强度的影响尤为明显，对28 d强度的降低幅度则较小。这是因为减缩剂的掺入阻碍了浆体孔溶液碱度的提高，延缓了早期水化反应的进行，使得早期强度有明显的下降。由于珊瑚砂与减缩剂的共同作用，珊瑚砂负载减缩剂对UHPC砂浆强度的负面影响较单独作用更为显著，珊瑚砂负载浓度30.8%减缩剂等体积取代45%的石英砂时，UHPC基体28 d的抗压强度为112.6 MPa，较基准组减小了14.9%。

图2 减缩剂和珊瑚砂对UHPC强度的影响Fig.2 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC strength

2.3 珊瑚砂负载减缩剂对UHPC体积稳定性的影响

图3 是UHPC的自收缩测试结果。由图3可知，饱水珊瑚砂取代石英砂对UHPC砂浆自收缩的改善非常明显，减缩剂溶液对UHPC自收缩的抑制作用较饱水珊瑚砂更为显著，而且掺入减缩剂后，UHPC的自收缩大部分集中在前12 h内，这是因为随着减缩剂在浆体内的缓慢释放，12 h后减缩作用开始发挥并补偿胶材水化产生的自收缩，收缩曲线进入缓慢上升平台期。珊瑚砂负载减缩剂的掺入对UHPC的自收缩抑制效果更佳，因为具有内养护和减缩剂的双重作用，使UHPC的自收缩呈阶梯状增加，收缩发展速度放缓，这对于改善UHPC的体积稳定性更为有利。

图3 减缩剂和珊瑚砂对UHPC自收缩的影响Fig.3 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC autogenous shrinkage

图4 是UHPC的干燥收缩测试结果。由图4可知，饱水珊瑚砂和减缩剂的掺入都增大了UHPC砂浆的干燥收缩[13]。当珊瑚砂负载减缩剂掺入后，UHPC的28 d干缩值相较于饱水珊瑚砂和减缩剂试验组的28 d干缩值显著下降，其中珊瑚砂负载浓度15.4%或30.8%的减缩剂分别取代45%的石英砂的UHPC 28 d干缩值较基准组降低了7.8%、54.1%，且干缩在6 d后即进入平稳阶段。这是因为减缩剂经珊瑚砂吸收后在浆体中释放缓慢，且溶液浓度越高释放越为缓慢，释放的减缩剂开始发挥减缩作用时，减水剂已全部参与反应，表现为干缩值下降。珊瑚砂负载浓度12.6%或25.2%减缩剂分别取代55%石英砂的UHPC的28 d干缩值较基准组分别增加了27.4%和14.6%，这是因为珊瑚砂引入的自由水量过多，其增大干缩的作用超过了减缩剂溶液缓慢释放产生的减小干缩的作用。

图4 减缩剂和珊瑚砂对UHPC干燥收缩的影响Fig.4 Effect of shrinkage reducing admixture and coral sand on UHPC drying shrinkage

3 结语

1）随饱水珊瑚砂取代率增加，UHPC砂浆的初凝时间表现出先降低后增加的规律，减缩剂则始终增大UHPC砂浆的初凝时间，珊瑚砂负载减缩剂可以略微减弱减缩剂的负面作用。

2）饱水珊瑚砂和减缩剂都会降低UHPC砂浆的抗压强度，但饱水珊瑚砂对UHPC强度的影响程度更大。相比于单一饱水珊瑚砂和减缩剂，珊瑚砂负载减缩剂对UHPC砂浆强度的负面影响较单独作用显著。

3）减缩剂和饱水珊瑚砂的掺入都能显著降低UHPC砂浆的自收缩，珊瑚砂负载减缩剂的掺入对UHPC的自收缩抑制效果更佳。单一饱水珊瑚砂和减缩剂的掺入都增大了UHPC的干燥收缩，而当珊瑚砂负载减缩剂掺入后，UHPC干缩值的变化和珊瑚砂取代率有关。

4）珊瑚砂负载减缩剂取代石英砂的最佳方式为：以负载浓度30.8%减缩剂的珊瑚砂等体积取代45%的石英砂，UHPC基体的28 d抗压强度减小了14.9%，7 d自收缩减小了82.9%，28 d干燥收缩减小了54.1%。