2.1 低收缩免蒸养UHPC的制备技术

低收缩免蒸养UHPC的制备技术其本质是合理的配合比设计，其中包括低收缩免蒸养UHPC的配制和弯曲初裂应力的提高两个方面。

2.1.1 低收缩免蒸养UHPC的配制

UHPC的制备原理与普通混凝土不同，普通混凝土是以粗骨料形成受力骨架，以胶结材料维持粗骨料的稳定，即在普通混凝土中粗骨料是受力的主体。普通混凝土由固、液二相体构成，在液相胶凝材料的硬化中不可避免地会在骨料交界面出现微细裂缝，使得骨料交界面成为薄弱环节，这是普通混凝土抗拉强度低的主要原因。

UHPC的制备原理主要是通过提高密实度、降低水泥基的孔隙率等方法使得材料内部微裂缝等缺陷尽可能被消除，往往还掺入纤维，从而获得优异的材料性能。UHPC高强度的获得主要基于无限填充理论，优化材料颗粒级配，选用的颗粒粒径具有层次感（图2.1）。在反应过程中，一般大颗粒之间往往不能达到完全密实状态，这就要依赖较小颗粒来填充之间的空隙，而较小颗粒之间的空隙则由更小的颗粒来弥补，如此无限填充，材料的空隙不断减小，最终达到较密实状态。

一般获得超高性能混凝土材料的途径如下：

①提高匀质性，减少材料内部缺陷。

②优化颗粒级配，增大基体密实度。

③添加外加剂，降低孔隙率，改善材料微观结构。

④添加钢纤维，大大提高材料韧性。

粉末UHPC与骨料UHPC制备的最大区别在于对粗骨料的使用。粉末UHPC完全剔除了粗骨料，而骨料UHPC对骨料粒径没有严格的限制，允许适当粗骨料的存在。目前我国常用的UHPC为粉末UHPC，本书的研究针对粉末UHPC进行（图2.2）。

粉末UHPC剔除了粗骨料大幅减小了内部缺陷，使得其获得优良的力学性能和长期性能，也带来了其收缩明显较普通混凝土大的问题，一般情况下UHPC的收缩可达500~800με，几乎是普通混凝土的两倍。

混凝土的收缩主要包括3个部分，即塑性收缩、自收缩以及干燥收缩。对于普通混凝土而言，其收缩主要由干燥收缩组成，通常所指的收缩即为干燥收缩。对于UHPC这种骨料细化、水灰比很小、硅含量很高的混凝土而言，可散失的水分有限，其收缩主要由塑性收缩和自收缩组成，塑性收缩不引起温度自应力，这里主要讨论自收缩。自收缩主要包含两个方面：一是水泥水化反应，自由水减少，水化产物的体积小于原来未水化水泥和水的总体积（即水泥体积C+拌和水体积W>水化物体积P）；二是水泥凝结之后，形成硬化水泥石骨架，进一步水化将消耗体内水分，混凝土内部相对湿度降低，导致毛细管水表面张力增加，压缩水泥石骨架，使混凝土体积减小。对采用加热养护的UHPC，水蒸气的渗入及高温蒸汽使得内部空隙水体积膨胀，压力增加，在养护阶段其体积往往是膨胀的，在加热养护完毕的降温过程中其体积会有所减小，但其原因主要是温度变形。一般认为，加热养护的UHPC，在养护期不会产生不利的收缩自应力。这是UHPC目前主要采用蒸汽养护的主要原因。

此外，UHPC的水胶比一般为0.14~0.17，水胶比低，水化速度较慢，Kassel大学的研究表明，在标准养护条件下，70 d左右其水化反应才大致完成。蒸汽养护提高了水化反应的温度，可使水化反应在72 h内快速完成，即蒸汽养护72 h的UHPC的材料性能与标准养护70 d的性能相当。但国内外的研究均表明，标准养护28 d的强度可达70 d强度的85%以上，水化速度慢并非使用蒸养的主要原因。

综上所述，UHPC采用蒸汽养护的主要目的是解决其收缩过大的问题，一旦收缩得到有效控制，则UHPC是完全可以采用常规养护方式的。

控制UHPC的收缩有两个途径：其一为在其配方中添加微膨胀剂，但大量的研究表明，膨胀剂在早期可较好地补偿收缩，但随着时间的延长，仍会产生收缩；其二为增加UHPC的致密性，合理控制水胶比，这一方法对收缩的控制比较稳定，本书采用了这一方案。具体地，在UHPC配方中添加了纳米硅灰，进一步填充空隙，增加材料的致密性。但硅灰的加入将增加材料的比表面积，使得用水量增大，这会导致水胶比增大，增加收缩，同时会劣化材料的力学性能。为此，在配方中采用了高效减水剂，增加表面活性，在增加纳米硅灰的同时，不变化水胶比，从而达到控制收缩的目的。

2.1.2 收缩验证试验

收缩验证试验设计了两组共4个试件，其中组合板试件1 组，加筋板试件1 组（图2.3—图2.5）。根据计算结果，收缩应变在整个试件范围内是均匀分布的，综合考虑后期恒温室内测试的要求，组合板试件平面尺寸为2 000mm×630mm，钢板厚度为6mm，SR-RPC的厚度为55mm。加筋板试件的平面尺寸为1 500mm×350mm，厚度为55mm，在1 /2 板高位置布置9 根ϕ10 的钢筋。

采用UHPC收缩测试和钢筋应变测试相结合的方法。在试件顶面密布千分表直接测试UHPC的收缩，同步采集钢筋应变，由于需要长期测试，为保证可靠性，在每一个试件上布置了30 片应变片。测试系统如图2.6 所示。

对常规养护试件，其测试方法如下：

①在浇注混凝土时在混凝土中埋设温度传感器。

②收缩测量采用千分表进行，在试件浇注后5 h，安装千分表，并开始测量。

③在安装千分表24 h内，每2 h测量1 次。

④24 h后，进行标准养护，养护期间，每12 h测量1 次，测量时间为7~14 d。

⑤每次测量读数时，应同时用测温枪测试连接千分表连杆的温度，并测量混凝土温度。

⑥测量7~14 d后，在温度为（20±3）℃，湿度为60%±5%的环境内进行长期测试，测量频次为每天一次。

本小节针对常规养护的试件，测试了养护期的自收缩情况，测试时间共8 d，测试结果如图2.7—图2.10 所示。

需要说明的是，在养护期，随着RPC强度的发展，其弹性模量也在发展，由于试件中钢筋和钢板可能对收缩产生约束，因此，通过千分表测试得到的并非收缩应变，而是收缩应变与收缩导致的截面自应变之和。为此，采用组合结构收缩自应变的计算方法反演计算了收缩应变。在图中，标明“实测”者为千分表测量的应变结果，即收缩应变与收缩自应变之和（以下简称“测试应变”），未标明者为反演计算的自由收缩应变，两者之差则为收缩自应变，该应变将产生收缩自应力。

从图中可知，在养护初期（1~2 d），测试应变与自由收缩应变较为接近，这表明，此时UHPC弹性模量较小，钢板、钢筋对UHPC收缩变形的约束较小，收缩自应变很小。随着养护时间的增加，测试应变和自由收缩应变的差距逐渐增大，这表明，随着UHPC弹性模量的增加，钢板和钢筋的约束效应逐渐显现，也表明对加筋结构和组合结构，标养期间是存在约束自应力的，且约束自应力随着养护时间的增加逐渐增加。

由于内部约束条件不同，加筋板和组合板的测试应变发展规律不同。

对加筋试件，纵向钢筋布置在轴心处，直接约束了UHPC的纵向收缩，测试应变总是小于收缩应变，而且随着UHPC弹性模量的增长，测试应变与收缩应变的差距逐渐增大，显然这一差距即为UHPC中的收缩自应变，且为拉应变，这与组合结构收缩自应力计算理论的认识是一致的。进一步的计算表明，养护期为7 d时，BG1 试件RPC中的收缩拉应力为0.49 MPa，BG2 试件的收缩拉应力为0.80 MPa，已不可忽略。

对叠合板试件，钢板对UHPC的约束为偏心约束，除轴向约束外，还将附加偏心力矩的作用，测试应变为自由收缩应变、轴向约束应变和偏心力矩应变之和。本次试验，偏心力矩较大，轴向约束应变和偏心力矩应变叠加的结果使得UHPC顶面产生压应变，该应变的方向与收缩应变相同，测试应变总是大于自由收缩应变，而且随着UHPC弹性模量的发展，两者的差距逐渐增大。进一步的计算表明，养护期为7 d时，SG1 试件RPC中的收缩拉应力为2.4 MPa，UHPC-SG2 试件的收缩拉应力为2.6 MPa，也不可忽略。需要补充说明的是，虽然自收缩对UHPC顶面产生的效应为压应力，但对RPC底面其效应却是拉应力，计算表明，7 d时，RPC底部的附加拉应力可达2.0 MPa。

需要指出的是，测试及反演计算表明，本次试验的4个试件中，除BG1 的自收缩较小外，其余3个试件的自收缩应变相差不大，5 d龄期的自收缩约为75 με，7 d的自收缩应变为110~120 με，对比其他文献，这一自收缩值较其他配方的200~400 με要小得多，在一定程度上验证了该配方具有低收缩的优点。

早期自收缩测试完成后，在恒温室内进行长期收缩测试，测试时间共375 d，试件情况如图2.11 所示，测试结果如图2.12 所示，为消除测试误差，图中给出了4个试件收缩测试结果的均值。

由上图可知，采用改进后的低收缩UHPC配方，375 d收缩量为331 με，与普通混凝土基本相当，仅为常规UHPC的40%~50%，大大减小了收缩，为免蒸养提供了良好的条件。

2.1.3 主要力学指标验证

为了验证常规养护UHPC的力学性能，研究中对上述配方的UHPC进行了常规养护和加热养护的对比试验（表2.1、表2.2），考察的指标包括弯曲初裂强度和抗压强度，其中，常规养护时间为28 d，加热养护时间为72 h。

由以上两表的对比可知，常规养护时间的弯曲初裂强度和抗压强度均较加热养护略低，但相差较小，验证了本书研究的低收缩配合比可以采用常规养护方式。这一制备技术的研发克服了UHPC依赖蒸养的问题，将UHPC的应用范围拓展至现浇结构中。 aHlEm/5uwG6GrrTfp9bmM1XArVw5scXmoixnBkLgNsPWjUyOYAXOpXemFLHnyPyn