養護溫度對UHPC力學性能的影響

侯慶剛 喬大瑋 胡鳳嬌 蔣雪妮 張愛勤 王日升

摘要：為分析標準養護（20 ℃）、高溫養護（70 ℃）對超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）力學性能的影響規律，在不同養護方式與養護齡期（3、7、28 d）下對不同配合比制備的UHPC進行抗壓、抗折、抗拉及彈性模量試驗，測試UHPC的力學性能。結果表明：高溫養護能有效改善UHPC的力學性能，抗壓強度增長均勻，抗折強度增幅顯著，養護7 d時UHPC的抗壓、抗折強度的增幅均最大，養護28 d時UHPC的抗壓與抗折強度增大緩慢；UHPC抗拉強度及彈性模量的增大規律基本一致，養護7 d時達到最大抗拉強度與彈性模量，養護28 d時，抗拉強度與彈性模量不再增大或略有下降。選擇在（70±2）℃進行高溫養護，養護齡期為7 d。

關鍵詞：UHPC；標準養護；高溫養護；強度；彈性模量

中圖分類號：U416.216;U414文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0042-05

引用格式：侯慶剛，喬大瑋，胡鳳嬌，等.養護溫度對UHPC力學性能的影響［J］.山東交通學院學報，2024，32（2）：42-46.

HOU Qinggang， QIAO Dawei， HU Fengjiao， et al.The influence of maintenance temperature on the mechanical properties of UHPC［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：42-46.

0?引言

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是近年備受關注的新型水泥基工程材料[1-3]，與傳統混凝土相比，具有較好的力學性能和耐久性。在制備UHPC過程中減小了水膠比，不使用粗骨料，增大水泥用量，成本相應增大。為降低UHPC的制備成本，常將粉煤灰、礦渣粉、爐渣等工業摻合料引入膠凝材料體系，代替部分水泥或硅灰[4-5]。

在標準養護條件下，UHPC中的水泥、硅灰常因缺水難以參與水化反應，只充當填充材料，限制了UHPC力學性能的發展，高溫養護可加速水泥熟料的水化和火山灰反應，使UHPC在較短時間內獲得優異的力學性能[6]。熱養護能加速UHPC的水化過程，比標準養護下制備的試件具有更高的早期抗拉壓強度和更致密的微觀結構[7-8]；高溫高濕的養護環境有助于水泥二次水化，優化孔隙結構，對UHPC力學性能的改善效果優于干熱養護[9]；采用40、60 ℃熱水養護，養護28 d的UHPC試件的抗壓強度為160、180 MPa[10]，采用80 ℃熱水養護，養護28 d的UHPC試件的抗折強度增大8%～15%[11]；經85 ℃蒸養3 d的UHPC的抗壓、抗折強度比標準養護90 d的UHPC分別增大33.3%、3.23%[12]；熱養護能顯著提高UHPC的早期抗拉壓強度，但不利于后期抗拉壓強度的發展，在150 ℃干熱養護條件下，養護120 d的UHPC的抗壓強度減小3%[13-15]；試件經250 ℃干熱養護后接觸水分，后期抗拉壓強度明顯減小，在90 ℃蒸養條件下，是否接觸水分對試件的強度和微觀結構的影響均較小[16]；高溫養護升溫速率不宜大于20 ℃/h，升溫速率過大易導致試件內外溫差較大，產生微裂縫[17]。關于養護溫度對UHPC性能的影響尚未有統一的定論。

本文通過制備不同配合比的UHPC，對UHPC進行抗拉、抗折、抗壓強度和彈性模量試驗，分析標準養護和高溫養護對UHPC力學性能的影響，研究不同養護溫度對UHPC力學性能影響的變化規律，以此確定UHPC工業化的最優技術參數和指導措施。

1?試驗材料與配合比

1.1?UHPC原材料

以P.O 42.5普通硅酸鹽水泥為原材料，對其進行化學分析和物理、力學性能檢測，主要成分MgO、SO3、CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2的質量分數分別為4.26%（技術標準為不大于6.00%）、2.37%（技術標準為不大于3.50%）、60.31%、5.14%、3.02%、20.13%。硅酸鈣礦物（CaO和SiO2）的質量分數為80.44%，滿足不小于66.00%的標準要求，CaO與SiO2的質量比為2.99，滿足不小于2.00的要求[18]。

P.O 42.5普通硅酸鹽水泥的主要物理及力學性能指標如表1所示。標準稠度用水量為28.6%，密度為2.62 g/cm3。由表1可知，P.O 42.5普通硅酸鹽水泥的物理與力學性能指標符合標準要求[18]。

UHPC的細集料為工業級石英砂，SiO2的質量分數為98.8%；選取粒徑分別為0.63～1.25 mm（粗砂）、0.315～0.63 mm（中砂）進行二級摻配，推薦粗砂與中砂的質量比為70∶30。

以減水率為30%的固態粉末狀聚羧酸減水劑為UHPC的外加劑。采用長12～16 mm、直徑為0.18～0.22 mm、抗拉強度為2 080 MPa的平直形短鋼纖維。

1.2?試驗配合比

以強度等級UHPC100為目標，以低水膠比、各組分用量規定和要求為設計原則進行UHPC配合比試驗研究[19-20]。設計2組UHPC試驗配合比如表2所示。

2?制備工藝與養護方法

采用振動攪拌機將稱量好的水泥、減水劑、摻合料干拌1 min，加入水，在攪拌鍋內慢攪3 min，加入鋼纖維、石英砂后快攪1 min，停拌30 s，再快攪1 min。拌制后，采用分層震動法將UHPC試件振實成型。將漿體倒入模具，滿1/3處停止傾倒，將模具放置在振動臺上，振跳25次后沿試模內壁進行插搗，再倒入剩余漿體，重復此步驟至漿體填滿模具，刮除模具表面多余拌合物并抹平，用濕塑料薄膜覆蓋試件表面，置于室內24 h后拆模，進行試件養護。

采用標準養護、高溫養護2種養護方式?；A養護方法為標準養護，采用標準養護箱，將養護溫度調至（20±2）℃，試件拆模后放入養護箱，表面浸沒水中，養護齡期分別為3、7、28 d，定期更換水槽內的水確保水質的清潔程度。對比養護方式為高溫養護，即將試件放置在恒溫水浴中，保持升溫速度小于12 ℃/h，升溫至70 ℃后，保證恒溫箱內溫度為（70±2）℃，分別養護3、7、28 d，完成養護后進行抗壓、抗折、抗拉等力學性能試驗。

3?力學試驗與結果分析

3.1?抗壓強度與抗折強度

按照文獻[21]要求進行試件的抗壓、抗折強度試驗。采用長、寬、高分別為160、40、40 mm的小梁試件，由每3個試件的平均抗壓、抗折強度確定最終破壞荷載。各組試件養護3、7、28 d的抗壓強度、抗折強度如表3所示，技術要求抗壓強度不小于100 MPa，抗折強度不小于12 MPa[19]。

由表3可知：試件分別經過高溫養護與標準養護3、7、28 d后的抗壓強度、抗折強度均隨養護齡期的增加而增大；與同齡期標準養護試件相比，高溫養護A1、A2組試件的抗壓強度分別增大9.8%～12.6%、8.9%～12.1%，高溫養護后抗壓強度的增幅較均勻；高溫養護3、7、28 d試件的抗折強度比標準養護試件的增大較顯著，A1試件分別增大13.2%、24.7%、18.3%，A2試件分別增大10.6%、13.8%、14.4%；A2試件在2種養護條件下的抗壓與抗折強度均比A1試件大，A2-b組試件養護3、7、28 d的抗壓強度、抗折強度比A1-a組試件均有大幅增大，分別增大27.9%～52.4%、37.4%～41.1%；2種養護條件下，A1、A2試件養護7 d的抗壓強度與抗折強度均高于UHPC的標準要求[22]。推薦A1、A2試件的最佳養護條件為高溫養護7 d；若能嚴格控制高溫養護條件，從經濟因素考慮選擇A2組，并適當考慮養護齡期為3 d。

高溫養護能提高水泥的早期水化速度，同時礦物摻合料中具有反應活性的成分能與水泥的水化產物Ca（OH）2反應生成大量C-S-H凝膠體，增大UHPC的早期密實度。礦物摻合料與高溫養護的共同作用大大改善UHPC的力學性能。UHPC的早期水化產物可強化其與鋼纖維的黏結力，在高溫養護環境中，A1-b與A2-b試件的抗折強度增幅比標準養護環境下試件大。

3.2?抗拉強度

參照文獻[22]要求進行抗拉強度試驗，試驗機為MTS-810材料動態測試系統，采用工字形試件，加工試模的結構如圖1所示，各組試件養護3、7、28 d的抗拉強度如表4所示。

由表4可知：在高溫養護條件下，A1組試件在養護3、7、28 d時的抗拉強度隨養護齡期的增加而先增大后緩慢減小，在標準養護條件下，UHPC的抗拉強度隨齡期的增加而線性增大；A2組試件在2種養護條件下的抗拉強度均隨齡期增加而增大。2種養護條件下，A1、A2組試件養護7 d的抗拉強度均滿足

UHPC不小于5.0 MPa的技術要求[22]，高溫養護環境下，UHPC的抗拉性能明顯更優，2組配比試件的抗拉強度比標準養護試件分別提高49.1%、16.2%；高溫養護條件下，A1養護28 d的抗拉強度比養護7 d略小，A2養護7 d的抗拉強度與養護28 d相差不大，為0.3 MPa，高溫養護環境對提高后期抗拉強度的效果不大。高溫養護7 d為最優養護齡期。依據抗拉強度技術要求，A2組在高溫養護條件下也可考慮選擇養護齡期為3 d。

高溫養護有助于水泥及摻合料水化產物的結晶生長，使其更緊密、均勻地分布在混凝土中，增大UHPC的致密性和均勻性，提高抗拉強度。高溫養護條件下，水泥水化產物-鈣礬石在混凝土表面聚集形成通道，混凝土界面過渡區出現明顯的孔隙和微裂縫，隨養護時間的延長而增長。UHPC養護28 d的抗拉強度增大速度緩慢，隨齡期繼續增加，后期抗拉強度增幅減小。

3.3?彈性模量

依據文獻[23]進行靜力受壓彈性模量試驗，采用TYE-2000B型壓力試驗機，試件長、寬、高分別為100、100、300 mm。各組試件養護3、7、28 d的彈性模量如表5所示。

由表5可知：1）UHPC的彈性模量受養護條件影響產生的變化規律，與抗拉強度的變化規律基本一致。在2種養護條件下，A1、A2組試件的彈性模量均隨養護齡期的延長而增大，養護超過7 d時，2組試件的彈性模量均滿足UHPC彈性模量不小于40.0 GPa的要求[22]。2）高溫養護環境下，A1組試件養護齡期為7、28 d的彈性模量相差不大；A2組試件的彈性模量始終保持線性增大，高溫養護28 d時，UHPC的彈性模量最大。高溫養護條件下，UHPC中的低密度C-S-H凝膠減少，高密度C-S-H凝膠比標準養護條件下明顯增多，養護28 d的UHPC中低、高密度C-S-H凝膠的壓痕模量分別提高約4.0%、12.9%[24]，間接增大了UHPC的彈性模量。3）在標準養護下，A1、A2組試件的彈性模量后期增幅均較大，養護28 d試件的彈性模量與高溫養護條件下養護7 d試件的彈性模量相當；高溫養護使養護7 d試件的彈性模量迅速增大，后期增速較緩。

4?結論

1）研究UHPC在標準養護與高溫養護條件下的抗壓、抗折、抗拉強度和彈性模量，2種養護條件下，UHPC的抗壓強度與抗折強度均隨養護齡期的增加而增大，高溫養護UHPC的抗壓、抗折強度比標準養護條件下的試件均有明顯增大。

2）UHPC的抗拉強度與彈性模量受養護條件影響的變化規律基本一致，均為高溫養護條件下無礦物摻合料的A1試件的抗拉強度與彈性模量隨養護齡期增加而先增大后緩慢減小，A2組線性增大；標準養護條件下，2組試件的抗拉強度與彈性模量隨養護齡期增加而線性增大。

3）2種養護方式均有利于提高UHPC的力學性能，工廠化生產選擇高溫養護（70±2）℃，最佳養護齡期為7 d。UHPC現場施工盡可能采用較高溫度養護至28 d。

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The influence of maintenance temperature on the mechanical

properties of UHPC

HOU Qinggang1， QIAO Dawei1， HU Fengjiao1， JIANG Xueni2，

ZHANG Aiqin2， WANG Risheng2

1. Weihai Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Weihai 264200， China;

2. School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357，China

Abstract：To analyze the influence of standard maintenance （20 ℃） and high-temperature maintenance （70 ℃） on the mechanical properties of ultra-high performance concrete （UHPC）， compressive tests， rupture tests， tensile strength tests， and elastic modulus tests are conducted on UHPC samples with different mix proportions under different maintenance methods and maintenance ages （3， 7， 28 days）. The results indicate that high-temperature maintenance effectively improves the mechanical properties of UHPC. The increase in compressive strength is uniform， with a significant increase in rupture strength. The greatest increase in compressive and rupture strength of UHPC is observed at 7 days of maintenance， while the increase of that is slower at 28 days. The trends for the increase in tensile strength and elastic modulus of UHPC are consistent， reaching their peak at 7 days of maintenance， and stabilizing or slightly decreasing at 28 days of maintenance. The maintenance temperature is （70±2） ℃， with a maintenance age of 7 days.

Keywords：UHPC; standard maintenance;high temperature maintenance; strength; elastic modulus

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2022-11-22

基金項目：山東省交通運輸科技計劃項目（2023B90）

第一作者簡介：侯慶剛（1979—），男，遼寧莊河人，高級工程師，主要研究方向為道路與橋梁設計，E-mail：19861835974@139.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.006