水利施工中高性能混凝土强度及耐久性能研究

水利施工中高性能混凝土强度及耐久性能研究

皮康

430204198903050010

摘要：近年来，我国的水利工程建设有了很大进展，对高性能混凝土的应用也越来越广泛。混凝土是常用的水利工程建筑材料，混凝土施工质量对工程正常运行至关重要。通过分析混凝土特性，确立混凝土泵送性能评价方法，研究影响混凝土泵送性能参数。本文就水利施工中高性能混凝土强度及耐久性能进行研究，希望对高性能混凝土研究有所促进。

关键词：剪力墙；组合板；泵送性能；应力；应变

引言

超高性能混凝土(Ultra－HighPerformanceCon-crete，简称UHPC)具有超高的力学性能和优异的耐久性能，是未来混凝土结构发展的主要方向之一。经过近30年的研究和工程实践，有关UHPC配合比设计、制备工艺、微观结构分析、基本力学性能、耐久性及结构性能方面的研究均取得了丰硕的成果。

1原材料组成及配合比设计理论

目前超高性能混凝土多基于最大堆积密实度理论，以水泥为胶凝材料，摒弃粗骨料，以石英砂、玻璃粉、河砂、石灰石粉等为填充骨料，附以粉煤灰、硅灰、矿渣等活性掺合料，亦可掺入少量纳米材料(纳米CaCO3、纳米SiO2、纳米TiO2和纳米Al2O3等)，加入高效减水剂，采用较低水胶比，利用一定的工艺制备养护而成。与普通混凝土相比，其堆积密度大，孔隙率小，结构致密，力学性能与耐久性均有大幅的提高。配合比可采用Fuller曲线以及Andreasen＆Andersen级配计算方法，但影响UHPC性能的因素较多，原材料的微小差异可导致UHPC性能的显著改变。况且固体颗粒堆积密度只是影响UHPC性能的一个方面，硬化过程中的化学反应导致的生成物种类、含量及分布的差异是影响UHPC材料性能的另一重要方面。因此，目前UHPC的配合比设计尚没有成熟的理论可循，仍以半经验方法为主，这也是目前商品UHPC多以成品包装混合料的形式出现的重要原因。对UHPC配合比设计理论进行深入研究依然是亟须解决的重要问题。

2水利施工中高性能混凝土强度及耐久性能研究

2.1粉煤灰用量对混凝土泵送性能的影响

粉煤灰因其微珠结构具有优质的保水性、减水性及填充性能，对于混凝土泵送性能具有良好的改善作用。随着粉煤灰用量的提高，混凝土扩展度呈现逐渐增大的趋势，倒坍时间逐渐降低。表明粉煤灰用量提高，可使混凝土流动性提高，黏度降低。这是因为粉煤灰内含有大量玻璃滚珠，掺入混凝土后，其填充效应及滚珠效应可以显著提升混凝土流动性。从混凝土流变学性能看，随着粉煤灰用量提高，混凝土浆体黏度降低，变形能力提高，流变性能有所提高。从混凝土力学性能看，Ｃ60及Ｃ30混凝土抗压强度随着粉煤灰用量提高而下降，表明生成更多的水化产物，有利于混凝土强度提高。

2.2抗拉性能

UHPC的抗拉性能除受基体性能影响外，主要受纤维种类、强度、掺量、长径比等因素的影响。考虑到普通混凝土抗拉强度较小，且破坏时主裂缝宽而高，因此进行普通混凝土结构设计时，通常假定开裂后受拉区混凝土退出工作，受拉区的力全部由钢筋承担，这种假定简化了计算且计算结果与实际受力相差不大，是合理的。掺有纤维的UHPC抗拉强度较高，且破坏时呈微细密集多裂缝，桥联在裂缝间的纤维承担混凝土基体的卸载，受拉区UHPC对结构承载力有较高的贡献，不宜忽略。因此，研究UHPC的受拉应力－应变曲线是进行UHPC的工程设计的基础工作。

2.3成本分析

目前，UHPC在国内大面积推广受阻的最大原因是原材料成本过高，其中钢纤维的成本占到了UHPC原材料总成本的一半。现有的研究大多采用优质的河砂替代石英砂，采用矿粉、石粉和粉煤灰等质量取代硅灰和水泥，但总体而言控制成本的范围有限。笔者采用粗骨料和回收轮胎钢纤维进行UHPC的制备。一方面，通过采用机制砂和粗骨料代替石英砂，减少了材料成本；另一方面，可以有效降低碳排放，符合我国碳达峰、碳中和的排放要求。未来，伴随着UHPC的产业化和工业化生产、科研的进一步推进，有效控制UHPC材料总成本将使其在工程领域大面积推广成为现实。

2.4硅灰用量对混凝土泵送性能的影响

超细粉优选硅灰进行混凝土的制备，采用不同硅灰用量（5％～11％）取代水泥，研究硅灰对混凝土泵送性能的影响规律，随着硅灰用量的提高，混凝土扩展度呈现逐渐减小的趋势，倒坍时间逐渐提高。这是因为硅灰超大的比表面积吸附大量的水，导致流动性下降。从压力泌水率可以看出，硅灰掺入后，混凝土压力泌水率为0，表明硅灰具有较强的保水性能，适量引入有利于提高混凝土泵送性能。从混凝土流变学性能看，随着硅灰用量提高，混凝土浆体黏度显著下降，屈服应力降低，表明混凝土“松软度”提高，利于超高泵送。从力学性能看，在5％～11％掺量范围内，增强作用显著，但Ｃ30混凝土硅灰用量从9％提高至11％时，变化不明显。

2.5UHPC耐久性

UHPC具有优异的耐久性，包括极低的吸水性、良好的抵抗氯离子扩散性、优良的抗冻融性及抗碳化性等。Graybeal对UHPC进行了耐久性试验，通过快速氯离子渗透试验和氯离子渗透试验发现UHPC中氯离子几乎无渗透;经215次氯化物冻融试验发现试件只有表面钢纤维出现锈蚀，内部无锈蚀，表层无混凝土剥落及疏松现象;700次冻融试验后试件的相对动弹模不低于97%，质量改变量小于3%。的研究表明UHPC中几乎无碳化发生。国外曾对服役多年的UHPC构件进行钻芯取样，发现内部钢纤维无锈蚀现象。根据目前研究及工程检测，UHPC极高的耐久性毋庸置疑。

2.6自收缩性能分析

由于UHPC基体的收缩主要发生在前10h，约占UHPC总收缩值的90%，即随着龄期的增加，粗骨料UHPC的收缩先急剧增加，后缓慢增加，最后趋于稳定。其主要原因在于：早期水泥水化反应剧烈，导致UHPC温度升高过快，但其早期强度还未形成，因此导致早期变形速率较快；同时，基准组C1在整个测试时间范围内收缩率均在持续增加，可能是由于基准组胶凝材料占比较大，在测试过程中维持了较为剧烈的水泥水化反应。而粗骨料能够有效抑制UHPC早期自收缩的主要原因在于：①由于粗骨料的掺入，更多的胶凝材料包裹在了粗骨料周围，而碎石体积是固定的，使得在单位体积内的胶凝材料占比减小，UHPC早期自收缩减小；②粗骨料本身强度高，不容易被周围胶凝材料压缩，故粗骨料的骨架刚性作用能够抵抗UHPC基体的收缩，粗骨料掺量的增加使得这种抵抗作用增强。

结语

综上所述，胶凝材料用量越高，混凝土黏度增大及屈服应力降低；水泥用量越高，混凝土黏聚性及强度提高，而水泥用量过低，会出现压力泌水现象；粉煤灰用量提高，混凝土扩展度增大，黏度降低，但强度略有下降；硅灰可显著改善混凝土和易性，黏度适中，屈服应力减小。应力监测结果显示，水化前期，个别点超过劈裂抗拉强度，整体结构抗裂性能良好。研究结果可为混凝土施工提供参考，为后续结构主体检测提供理论支撑。

参考文献

［1］翁荔丹，黄雪红．聚羧酸减水剂对水泥水化过程的影响［J］．福建师范大学学报:自然科学版，2007，23(1):54－57．

［2］张学建，葛林才，张云龙，等．养护方式对玄武岩活性粉末混凝土力学性能影响的试验研究［J］．吉林建筑大学学报，2019，36(2):50－56．

［3］戎贤，杨洪渭，张健新，等.钢节点板连接的装配式混凝土梁柱中节点抗震性能试验研究［J］.建筑科学，2020，36（1）：77-82.