常溫養(yǎng)護UHPC井蓋的制備

楊建輝，張菁燕，葉云飛

（1. 常州綠馬特建筑科技有限公司，江蘇 常州 213163；（2. 常州市建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司，江蘇 常州 213001）

超高性能混凝土（簡稱 UHPC），是過去三十年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料，實現(xiàn)了工程材料性能的大跨越。UHPC 的抗壓強度可高達 230MP 及以上，與 Q235 鋼相近；另外，UHPC 中的特種纖維為其提供了高抗拉強度、類金屬的拉伸應(yīng)變強化、高延性、多點分布微裂紋開展以及高抗爆、抗侵徹等特性[1]，被稱為“液體鋼”，而且它可以彌補鋼材的缺點——無銹蝕性及高耐久性，具備極佳的抗?jié)B、抗凍融、耐腐蝕、耐高溫、抗沖磨等耐久性。

據(jù)調(diào)查，目前 C250 級和 D400 級 UHPC 井蓋所用UHPC 都需要蒸養(yǎng)[2]，能耗及投資較大。本文將制備一種 D400 級常溫養(yǎng)護 UHPC 井蓋，通過添加高活性晶化劑，UHPC 采用常溫養(yǎng)護方式，無需蒸養(yǎng)，避免了對蒸養(yǎng)空間與溫濕度的嚴格要求而帶來的成本問題，節(jié)約能源與空間投資，設(shè)備投資小、生產(chǎn)工藝簡單，整體生產(chǎn)成本大大降低，并且大大拓寬了應(yīng)用范圍。

1 常溫養(yǎng)護 UHPC 制備

1.1 原材料

（1）水泥：江蘇鎮(zhèn)江嘉新京陽水泥廠公司生產(chǎn)，52.5 級普通硅酸鹽水泥。

（2）粉煤灰：常州火電廠生產(chǎn)，Ⅰ 級粉煤灰。

（3）磨細高爐礦渣：常州中天鋼鐵集團有限公司生產(chǎn)，S95 級礦粉。

（4）硅灰：上海山鷹環(huán)保有限公司生產(chǎn)，灰白色粉末，為球狀體粒子。

（5）高效減水劑：聚羧酸減水劑，江蘇尼高科技有限公司生產(chǎn)，固含量 50%，減水率 30% 以上。

（6）石英砂：安徽滁州石英砂公司生產(chǎn)，粒徑20～40 目。

（7）鋼纖維：蘇州龍宇鋼纖維有限公司生產(chǎn)，鍍銅鋼纖維，平直型，直徑 0.2mm，長度 13～16mm。

（8）高活性晶化劑：自制，是一種新型基于分子活化技術(shù)的添加劑，常溫養(yǎng)護條件下能使 UHPC 膠凝體系發(fā)揮出最大功效，形成高度致密的無機質(zhì)基體，極大增強了 UHPC 的物理力學(xué)性能和耐久性，從而起到免蒸養(yǎng)的作用。

1.2 試驗測試方法

（1）抗壓強度的測試方法

根據(jù) GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》的方法，試件尺寸為 100mm×100mm×100mm，拆模后將試件放入標(biāo)準養(yǎng)護室，測試 7d 和 28d 的抗壓強度，不乘以尺寸換算系數(shù)。

（2）劈裂抗拉強度的測試方法

根據(jù) GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》的方法，試件尺寸為 100mm×100mm×100mm，拆模后將試件放入標(biāo)準養(yǎng)護室，測試 7d 和28d 的劈裂抗拉強度，不乘以尺寸換算系數(shù)。

（3）工作性能的測試方法

根據(jù) GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》的方法進行。

1.3 配合比設(shè)計

基于最緊密堆積級配理論，經(jīng)大量試驗，確立了基準 UHPC 配合比，然后添加不同含量的高活性晶化劑和鋼纖維。本試驗以水泥用量（以重量計）為基準，設(shè)為 1，其中鋼纖維摻量按體積計算，具體見表 1。

表 1 UHPC 配合比

2 試驗結(jié)果與討論

UHPC 性能試驗結(jié)果見表 2。

表 2 UHPC 性能結(jié)果

活性晶化劑能大幅度提高 28d 抗壓強度和 7d、28d劈裂抗拉強度，但對流動度有影響，會在一定程度上降低流動度。另外，摻加 1% 的高活性晶化劑還會大幅度降低 7d 抗壓強度，這對常溫養(yǎng)護型 UHPC 是極為有利的。因為，UHPC 是一種高膠凝材料、極低水膠比的體系，大部分膠凝材料實際上并不參加反應(yīng)，以填料形式存在，起到密實填充增強的作用。如果早期強度發(fā)展過快，說明水化反應(yīng)速度快，會大量消耗水，前期水消耗完了，會導(dǎo)致后期水量不足水化反應(yīng)難以為繼。由表 2 可知，基準配合比 UHPC 的 28d 抗壓強度只比7d 的高了 11.2MPa。而摻加 1% 的高活性晶化劑（2#）后，28d 抗壓強度比 7d 高 47.6MPa，且 28d 強度比基準組高了 18.1%。同時 28d 劈裂抗拉強度比基準組提升33.8%，說明韌性得到極大增強。

提高高活性晶化劑摻量到 3%（3#），會大幅度降低擴展度，且對 7d、28d 抗壓強度和劈裂抗拉強度提升不大，增大摻量也會增大成本。因此，固定其摻量為水泥量的 1%，將鋼纖維體積摻量由 2% 提高到 3%（4#），擴展度急劇下降到 690mm，相比 2#，下降了105mm，且對 7d、28d 抗壓強度和劈裂抗拉強度提升不明顯，為降低成本，固定其體積摻量為 2%。

3 常溫養(yǎng)護 UHPC 井蓋的制備

將適量水泥、石英砂、粉煤灰、礦粉、硅灰投入攪拌設(shè)備里面攪拌均勻，一般 3min 左右，同時將減水劑加入到計量好的水里面攪拌均勻，然后將減水劑和水混合液重量的一半加入到攪拌設(shè)備里，攪拌 3min 成流態(tài)，再邊攪拌邊加入計量好的鋼纖維，加完全部鋼纖維后繼續(xù)攪拌 2min 左右，得到符合井蓋生產(chǎn)要求的UHPC 拌合物。

將焊接好鋼筋的井蓋模具放在平坦處，然后將UHPC 拌合物倒入模具中讓其自流平，無需振搗，省工省力。一般蒸養(yǎng)型 UHPC 井蓋坍落擴展度不高，需要振搗。

待攪拌設(shè)備里 UHPC 拌合物全部澆筑完后，用農(nóng)用噴霧器向 UHPC 井蓋表面噴霧狀水，形成一層均勻的水膜層，然后覆蓋一層混凝土養(yǎng)護膜，視氣溫及溫濕度情況，覆完養(yǎng)護膜后需要再補噴一次水霧，養(yǎng)護 3d，3d 后拆模，得到 D400 級 UHPC 井蓋。

這里需要注意的是，攪拌設(shè)備里 UHPC 拌合物全部澆筑完后，若不繼續(xù)攪拌 UHPC，要立即清洗設(shè)備，防止 UHPC 拌合物黏在設(shè)備內(nèi)壁越積越多，因 UHPC 硬化后強度極高，很難清理，會導(dǎo)致設(shè)備報廢。UHPC 井蓋成品如圖 1 所示。

4 UHPC 井蓋成品性能測試

4.1 測試方法

按照 GB 26537—2011《鋼纖維混凝土檢查井蓋》對 D400 等級井蓋的要求，利用承載能力試驗裝置用測力儀進行測試（圖 2），測試破壞荷載和裂縫荷載，裂縫荷載系指井蓋加載時表面裂縫達到 0.2mm 時的試驗荷載值。

圖 1 UHPC 井蓋

圖 2 承載能力試驗示意圖

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)測試，本常溫養(yǎng)護 UHPC 井蓋裂縫荷載達到227kN，大于標(biāo)準要求的 200kN 要求，破壞荷載達到485kN，大于標(biāo)準要求的 400kN 要求。性能合格。

5 經(jīng)濟、社會效益分析

相比蒸養(yǎng)型 UHPC 井蓋，添加占水泥質(zhì)量 1% 的高活性晶化劑后，每方常溫養(yǎng)護型 UHPC 成本增加 179.7元，經(jīng)過市場調(diào)研，蒸養(yǎng)型 UHPC 蒸養(yǎng)成本分攤到每方 UHPC 上大概是 200～220 元，這方面每立方節(jié)約20.3～40.3 元之間。但是，使用常溫養(yǎng)護型 UHPC 可節(jié)約蒸養(yǎng)設(shè)備投資，一套蒸養(yǎng)設(shè)備投資大概 60～80 萬元。所以，采用常溫養(yǎng)護型 UHPC 制備井蓋具備明顯的性價比優(yōu)勢。

以主干道上大量使用的 750mm 直徑的井蓋為例，經(jīng)過核算，一套 UHPC 井蓋（包括井座）的所有生產(chǎn)成本加材料成本是 321.4 元，市場上此類型合格的一套球墨鑄鐵井蓋售價在 750 元及以上，假如一套 UHPC井蓋售價為 650 元，具備性價比優(yōu)勢。

UHPC 斷裂能為 20000～40000J/m2，這一數(shù)值比鑄鐵還高。鑄鐵井蓋承受超過其破壞荷載的力時，會產(chǎn)生爆炸式破壞，裂成碎片，容易傷到行人或車輛，并會使檢查井露出來，形成一個危險源。常溫養(yǎng)護 UHPC 井蓋即使承受超過其破壞荷載的力時，只會開裂而不會裂成碎片，而且其承載能力并沒有損失太多，仍可以暫時使用，就像玻璃中的安全玻璃一樣。

另外，UHPC 最具吸引力的另一個性能是潛在的超高耐久性。國外根據(jù)理論分析、暴露試驗以及實際工程檢驗結(jié)果對 UHPC 結(jié)構(gòu)壽命進行測試，預(yù)測其在腐蝕環(huán)境中（如海洋環(huán)境）可超過 200 年以上；在非腐蝕環(huán)境（如城市建筑）可達 1000 年。而相對保守的日本指南則認為，在正常環(huán)境下，UHPC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作壽命為 100 年[3]。根據(jù)理論和試驗研究結(jié)果，基本上可以確定：UHPC 沒有凍融循環(huán)、堿—骨料反應(yīng)（AAR）和延遲鈣礬石生成（DEF）破壞的問題[4]。一般鑄鐵井蓋的使用年限為 50 年，UHPC 井蓋的使用年限為 100 年，可以看出，UHPC 井蓋的周期使用成本更低。

6 結(jié)論

（1）在鋼纖維體積摻量為 2% 的條件下，加入占水泥質(zhì)量 1% 的高活性晶化劑后，標(biāo)準養(yǎng)護條件下UHPC 抗壓強度 28d 可達 143.4MPa，劈裂抗拉強度可達 18.6MPa，可以起到免蒸養(yǎng)的作用，且其坍落擴展度達到 795mm，自流平且不出現(xiàn)離析、扒底、泌水等現(xiàn)象，施工性能極佳。

（2）繼續(xù)增大高活性晶化劑和鋼纖維體積摻量物理力學(xué)性能增加有限且流動性下降過快，因此最終配比確定為水泥 : 硅灰 : 石英砂 : 粉煤灰 : 礦粉 : 減水劑 : 晶化劑比例為 1:0.19:1.54:0.19:0.46:0.021:0.01，水膠比為0.18，鋼纖維體積摻量為 2%。

（3）常溫養(yǎng)護 UHPC 井蓋完全能達到 D400 等級井蓋要求；且相比蒸養(yǎng)型 UHPC 井蓋和球墨鑄鐵井蓋都有較明顯的經(jīng)濟和社會效益優(yōu)勢，市場前景廣闊。