不同蒸養制度下多元膠凝體系超高韌性混凝土的性能

肖換芳 張華 宋海宏 崔圣愛 曾慧姣 李固華

1.中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030027；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031

超高韌性混凝土（Super Toughness Concrete，STC）是一種新型超高強度、超高韌性的水泥基復合材料，其具有強度高、韌性大、耐久性好、控制變形和裂縫能力優異［1］等特點。目前STC 主要應用于組合鋼橋面結構中，可以增加鋼橋面板剛度，有效解決鋼橋面板疲勞開裂、鋪裝層破損等問題。

文獻［2-7］研究發現，硅灰、微珠、納米材料摻入混凝土中，可通過其火山灰效應、微集料效應以及成核效應細化孔結構，改善界面過渡區，從而提高混凝土密實性及強度。但大摻量的活性粉體也會使STC早齡期收縮變形增大且工作性能變差，同時造價升高，一定程度上限制了STC 的推廣和應用。由正交異性鋼橋面板和STC 組成的超高韌性組合鋼橋面結構作為一種新型的組合橋面，目前尚沒有國家標準和行業標準。因此有必要采用不同膠凝體系，進一步優化STC配制技術。

蒸汽養護是STC 施工中常用的養護方式，而恒溫階段又是蒸養制度中最關鍵的階段。不同養護方式及恒溫時間對混凝土抗壓強度有顯著影響［8-9］。因此，本文設計水泥-微珠，水泥-微珠-硅灰及水泥-微珠-納米SiO2三種多元膠凝體系STC 配合比，通過STC 工作性能、抗壓強度試驗及光學顯微鏡測試，對比分析不同恒溫時間對力學性能的影響，優化蒸汽養護恒溫時間，并從細觀層面進行機理分析。

1 原材料及配合比

水泥采用P·O 52.5R 硅酸鹽水泥，其物理性能指標見表1。細骨料由10～20 目及70～140 目石英砂按照質量比6∶4 的比例混合而成，石英砂的化學組成見表2。礦物摻和料為硅灰、微珠以及納米SiO2；外加劑為STC 專用聚羧酸系高效減水劑，減水率為45%。纖維為平直型鍍銅微絲鋼纖維，長度13 mm，等效直徑0.2 mm，抗拉強度為2 850 MPa。拌和水為自來水。

表1 水泥的物理性能指標

表2 石英砂的化學組成

采用水泥-微珠、水泥-微珠-硅灰及水泥-微珠-納米SiO2三種膠凝體系。STC 配合比見表3。其中：CMS 代表水泥（Cement）-微珠（Microsphere）-硅灰（Silica Fume）膠凝體系超高韌性混凝土，CM 代表水泥-微珠膠凝體系超高韌性混凝土，CMN代表水泥-微珠-納米SiO2（Nano‐silica）膠凝體系超高韌性混凝土。三種STC 水膠比均為0.17，砂膠比均為1.1，礦物摻和料摻量為膠凝材料質量的25%，鋼纖維體積摻量為3%。

表3 STC配合比 kg·m-3

2 試驗及測試方案

依次投入石英砂、水泥及礦物摻和料進行攪拌，待干料混合均勻后加入水，通過減水劑調整拌和物工作性能，最后均勻撒入鋼纖維，攪拌均勻后，立即開展坍落度及擴展度測試。成型的試件為邊長100 mm 的立方體，將成型后的試件置于溫度20 °C 的自然環境下，覆膜靜停24 h 后拆模。將拆模后的試件進行蒸汽養護，養護結束后移至標準養護室繼續養護，至7、14、28 d 齡期開展STC 抗壓強度試驗。蒸汽養護制度：固定升溫速率為12°C/h，降溫速率為10°C/h，恒溫溫度為85 °C，恒溫時間分別為2、3、4 d。

坍落度和擴展度測試參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。抗壓強度測試參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進行，加載速率為1.4 MPa/s。STC 細觀結構采用光學顯微鏡測試。

3 試驗結果與分析

3.1 工作性能

新拌STC 的工作性能指標見表4。可知：摻入硅灰、納米SiO2均會降低STC 拌和物的擴展度。與CM相比，坍落度相同時CMS 和CMN 減水劑用量均提高至2.5 倍。在減水劑用量僅為1.0 %時CM 組坍落度240 mm，擴展度630 mm。這是由于微珠是一種球狀超細顆粒，其顆粒形態效應可以提高STC 的流動性，起到明顯的物理減水作用。

表4 三種混凝土減水劑摻量及工作性能指標

3.2 抗壓強度

不同蒸養制度下三種膠凝體系STC 抗壓強度隨齡期的變化見圖1。

圖1 不同蒸養制度下STC抗壓強度隨齡期的變化

由圖1 可知：不同蒸養制度下STC 抗壓強度變化規律相似。CMS、CM 和CMN 抗壓強度最高分別達到173.1、171.7、162.1 MPa。CMS 抗壓強度在 7 d 齡期幾乎達到最終穩定值，之后隨齡期的增長，強度變化小。這是由于蒸汽養護激發了礦物摻和料的火山灰效應，生成大量C‐S‐H 凝膠填充內部孔隙，細化孔結構，從而顯著提升了STC 早齡期強度。CM 抗壓強度隨齡期增長先增大后減小。這是由于微珠活性較低，早齡期強度發展較慢。隨著齡期增長，微珠的水化程度逐漸提高，在14 d 齡期時達到峰值。與硅灰和納米SiO2相比，微珠對早期高溫養護負效應的抑制作用稍弱，因此28 d強度較14 d略有降低。CMN 抗壓強度在7 d 齡期達到峰值。納米SiO2增強作用主要是由于其成核效應和火山灰效應，形成致密的C‐S‐H 凝膠。但由于納米SiO2比表面積高達500 m2/g，在攪拌過程中難以分散，納米粒子之間互相吸引形成絡合物。這些絡合物不能提高混凝土強度，反而在骨料和漿體界面處形成薄弱區，從而降低了后期強度［10-11］。

不同齡期時STC 抗壓強度隨恒溫時間的變化見圖2。可知：三種膠凝體系STC 抗壓強度均是在恒溫2 d時最高，恒溫時間過長對抗壓強度反而不利。恒溫時間由 2 d 增至 3 d 時，CMS、CM、CMN 的 7 d 抗壓強度分別降低3.9%、5.4%、6.1%，14 d 抗壓強度分別降低3.4%、4.5%、6.9%，28 d 抗壓強度分別降低 2.1%、4.7%、6.1%。當恒溫時間由3 d 增至4 d 時，三種膠凝體系STC抗壓強度均趨于穩定。

圖2 不同齡期時三種膠凝體系STC 抗壓強度隨恒溫時間的變化

4 光學顯微鏡測試

基于STC 抗壓強度測試結果，選取了恒溫時間為2、4 d 的 28 d 齡期 STC 樣品，通過光學顯微鏡觀察 STC內部結構，見表5、表6。

表5 恒溫時間2 d時STC細觀結構

表6 恒溫時間4 d時STC細觀結構

由表5 可見：①當恒溫時間為2 d 時，CMS 中水泥石結構致密，骨料與漿體黏結緊密，孔洞較少。采用水泥-微珠-硅灰膠凝體系時不同細度組分逐級填充，優化了微集料級配，細化了孔結構。同時，硅灰在高溫高濕環境下充分發揮火山灰效應，生成大量致密的水化產物，且微珠的顆粒形態效應，顯著改善混凝土的工作性能，二者協同作用使鋼纖維完全嵌固于基體內部，纖維表面附著的水化產物與混凝土基體緊密結合。②CM 中骨料與漿體界面處存在一些均勻分布的微小孔洞。這是因為微珠活性較低，早齡期水化產物較少，不足以填充內部孔隙。③CMN 中骨料與漿體界面處出現較大孔隙且分布不均勻，鋼纖維成團現象較嚴重。這是由于納米SiO2比表面積大，分散性較差，鋼纖維易聚集成團，在混凝土內相互搭接形成較大孔隙，造成水泥石結構不密實。

對比表5 和表6 可見：當恒溫時間由2 d 增至4 d時，三種膠凝體系STC 大孔均增多，且分布不均勻。這是由于過長時間的高溫養護使水化產物持續析出，漿體內部容納水化產物的空間不斷變小。新生成的水化產物對周圍的原水化產物產生擠壓作用，導致結構內部生成微裂紋。

5 結論

本文對比分析了三種膠凝體系STC 抗壓強度隨齡期和恒溫時間的變化規律，并結合顯微鏡圖像分析其強度發展機理。得出主要結論如下：

1）蒸汽養護制度下，水泥-微珠-硅灰膠凝體系STC抗壓強度最有優勢；水泥-微珠膠凝體系STC工作性能最佳。

2）三種膠凝體系STC 的抗壓強度均在恒溫時間為2 d 時達到最大值，恒溫時間過長會增加基體內部孔隙，降低鋼纖維與水泥基體黏結強度，對抗壓強度反而不利。

3）采用水泥-微珠-硅灰膠凝體系時水泥石結構比采用其他兩種膠凝體系時更致密。骨料與漿體、鋼纖維與基體的黏結亦更緊密。