超高性能混凝土 (UHPC) 一般是指强度≥100MPa的混凝土。自密实混凝土 (SCC) 是一种与环境协调施工、省力化、省资源、省能源的混凝土。日本东京大学于1986年开展了研究, 并大规模应用于明石大桥工程中。超高性能自密实混凝土 (UHP-SCC) 是在超高性能混凝土和自密实混凝土技术的基础上发展起来的。我国清华大学和中国建筑第三工程局研发了C50的SCC, 并在高铁武汉站施工中应用了3 000m³;东塔项目试用了强度140MPa的UHP-SCC并泵送至510m的高度。粉体材料与高效减水剂是UHPC的物质基础, UHPC的技术难点是自密实性、自收缩开裂及高温爆裂。

工程中推广应用强度≥250~300MPa的混凝土, 可取得优良的技术和经济效果, 如图1所示。图1a中在承受相同大小的弯矩 (150k N·m) 作用下, 预应力的UHP-SCC和UHPC与工字钢的质量均为50kg/m;但预应力的普通混凝土 (NC) 质量为210kg/m, 预应力UHP-SCC和UHPC的承载力高、结构断面缩小、质量降低。图1b中超高层建筑的底层柱采用了UHP-SCC, 可使底层和顶层柱的断面大小一样, 便于施工, 增大可利用空间。图1c中, 用C150UHP-SCC代替C60~C80的HPC, 整个结构体系发生变化, 建筑可利用的空间与面积增大。UHPC相比NC不但强度高, 且耐久性能好;故研究者和设计者都努力去推动UHPC的发展。自水泥发明以来, 混凝土技术进步可归纳为: (1) 强度不断提高; (2) 工作性能不断改善; (3) 耐久性不断提高; (4) 降低成本与绿色环保; (5) W/C规律仍是指导混凝土配制的基本原则。SCC施工能与环境协调, 省力、省资源、省能源, 故UHPC与SCC协同发展是混凝土技术一个新的方向。

1) 水灰 (胶) 比 强度与水灰 (胶) 比的关系仍是配制UHP-SCC的指导原则。C100, C120, C130的W/B分别为20%, 15%及13%左右, 用水量≥50kg/m³。

2) 胶凝材料的组成 由水泥与矿物超细粉组成。采用低热水泥、中热水泥或C₃A, C₃S含量较低的P·O52.5水泥。超细粉如微珠和硅粉, 高效减水剂和超细粉是UHP-SCC不可缺少的组分, 如图2所示。

图2a为粉体粒子的填充效应, 普通硅酸盐水泥平均粒径为10.4μm。水泥中掺入30%硅粉, 粉体总孔隙率由40%下降至15%。图2b中高效减水剂掺量0.4%。不同细度、不同种类粉体及其组合的流动性不同, 如表1所示, C为水泥, BFS (1) , BFS (2) 为矿粉 (细度分别为6 820, 8 560cm²/g) , SF为硅粉。

比表面积小的矿粉与水泥搭配, 混凝土的黏度大, 倒筒时间长。3组分组合后流动性增大、黏度降低。广州东塔工程采用微珠超细粉配制C120 UHP-SCC, 起填充和分散作用, 是优质掺和料。天然沸石粉是内养护剂、增稠剂及减水剂的载体。

3) 坍落度的损失与控制 坍落度损失与控制的机理如图3所示, 水泥浆中高效减水剂逐渐被消耗是坍落度损失的原因。经过不同时间, 掺入相应数量的减水剂, 坍落度得以恢复。天然沸石超细粉能自由吸附及释放减水剂;吸附高效减水剂分子后, 在粒子表面形成双电层电位;在水泥颗粒孔隙中, 与水泥粒子双电层电位叠加, 水泥颗粒更容易分散 (见图4) , 并在一定时间内维持混凝土中减水剂的含量, 控制坍落度损失, 使混凝土保塑。

4) 增稠剂和自养护剂 SCC中的水泥浆必须具有足够的流动度与黏度, 使砂、石均匀分布其中, 共同流动, 才能在U型仪试验时上升到一定高度。天然沸石粉是一种具有多孔的结晶材料, 在混凝土中吸附游离水, 使水泥浆增稠, 黏聚力增大, 裹着砂石一起流动。混凝土凝结硬化时, 又将吸附的水缓慢排放出来, 供给水泥水化、抑制自收缩开裂。天然沸石粉同时作为混凝土的增稠剂、自养护剂和减水剂载体。

5) 粗骨料的粒径、粒型与级配选用粗骨料要考虑其断裂应力。如UHP-SCC的弹性模量E=4.5×10⁴MPa, 粒径D=10mm时的断裂应力为σ₁, D=20mm时的断裂应力为σ₂, σ₂=0.7σ₁, 粒径增大, 断裂应力降低, 应选D=10mm的粗骨料。

粗骨料的粒型如图5所示。三亚碎石 (1) 的针片状较多, 粒型较差;海口碎石及另一种三亚碎石粒型较好。相同配合比的C80管桩混凝土的性能如表2所示。混凝土性能差别很大, UHP-SCC应选粒型较好的粗骨料。

6) 细骨料应选择细度模量2.6左右的河砂或水洗海砂, 配制UHP-SCC的用砂量≥700~800kg/m³。

综上所述, UHP-SCC的配制建议如表3所示, 其中C为水泥, MB为微珠, SF为硅粉, NZ为天然沸石粉, W为用水量, S为砂, G为碎石, WRA为高效减水剂, CFA为载体流化剂。

UHP-SCC新拌混凝土的特性是浆体多、黏度大、流动慢、坍落度损失快。掺入微珠填充水泥的孔隙, 用硅粉填充微珠的孔隙, 粉体的总孔隙降低;相同用水量下, 浆体的流动性较大、黏度低 (见表1) 。载体流化剂 (CFA) 进入浆体的孔隙中并缓慢释放减水剂, 破坏水泥浆体结构, 释放其中的自由水, 提高流动性, 并能保塑。

1) 自密实性 UHP-SCC与大流动性的UHPC不同, 混凝土拌合物出机时, 两者的坍落度、扩展度可能相同, 但由于组成材料不同, 流变参数不同 (见表4) , U型仪试验时上升高度差别很大 (见图6) 。

UHP-SCC的结构黏度和剪切应力均超过UHPC, UHP-SCC的黏聚力大, 能使粗细骨料均匀分布于水泥浆中, 并裹着粗细骨料均匀地流动。而且经过超高泵送后, 仍然具有优良的自密实功能 (见表5) 。

2) 自收缩开 裂UHP-SCC初凝后, 水泥水化吸收混凝土中的水分, 产生自干燥收缩, 称为自收缩。自收缩受钢筋及模板约束及毛细管张力作用, 使混凝土受到拉力, 超过当时混凝土的抗拉强度, 就会开裂。如广州东塔工程剪力墙脱模时墙面上有120多根裂缝, 这是由于混凝土自收缩造成的。

要克服自收缩开裂, 需要降低单方混凝土的水泥用量, 使用C₃A及C₃S含量低的水泥, 水泥的比表面积小一些, W/B稍微放大一些, 采用60d或90d长龄期强度的混凝土, 采用微珠和硅粉作为掺和料, 少用矿粉, 采用天然沸石粉为自养护剂, 从混凝土内部供给水泥水化需水, 并掺入少量膨胀剂。通过这些措施, 广州东塔C80混凝土剪力墙的模拟试验及实大尺寸试验均未发生裂缝。C120自密实、自养护混凝土泵送至510m高的墙面上也未发现裂缝。

3) 高温爆裂U HPC在高温作用下, 混凝土中的水分迅速蒸发, 当水蒸气压力超过UHPC的劈裂抗拉强度时, 就发生爆裂。高温爆裂会使结构物倒塌, 造成生命财产的巨大损失。UHPC的高温爆裂比普通混凝土严重, 掺入有机纤维以及釆用耐火材料覆盖表面可以降低爆裂损伤。掺入聚丙烯纤维防高温爆裂的试验如图7~8所示。

C120的UHP-SCC分别掺入1kg/m³及2kg/m³聚丙烯纤维, 拌合均匀, 成型10cm×10cm×30cm方形及ф10cm×30cm圆柱形试件。28d龄期后, 在压力机上对试件加载同时加热, 在线测定混凝土耐高温性能。恒载耐火试验前后, 试件中的聚丙烯纤维变化如图9所示。

由恒荷载下耐火试验检测的结果可知: (1) 不掺纤维的基准试件在300~400℃的温度下, 就完全爆裂; (2) 掺1~2kg/m³聚丙烯纤维的试件在400~500℃恒荷、恒温中加热, 外观仍保持良好; (3) 高温下试件中的纤维熔融, 变成毛细管, 降低了混凝土中的水蒸气压力, 使爆裂得以控制。掺入聚丙烯纤维还能提高韧性、降低收缩、改善施工性能。

1) 现场检测混凝土的可泵性 JGJ/T10—2011《混凝土泵送施工技术规程》规定:可泵性用压力泌水试验结合施工经验进行判断。一般10s的压力泌水率S₁₀宜≤40%。中联重科的超高压泵出口压力为40MPa。对UHP-SCC拌合物进行了压力泌水试验, 结果如表6所示, 可满足超高泵送试验技术要求, 其中V₁₀表示30MPa压力下、10s混凝土泌水量;V₁₄₀表示30MPa压力下、140s混凝土泌水量。

2) 不同类型混凝土的流变特性 UHP-SCC, UHPC, MPC (多功能混凝土) 及NC组成材料的数量与质量不同, 新拌混凝土的黏性与流动性也不同, 因而泵送参数不同 (见图10) 。UHP-SCC, UHPC, MPC结构的黏度大, 而剪切强度低;NC结构的黏度低, 但剪切强度大;高流态、高性能混凝土结构的黏度与剪切强度大体相同, 故高流态混凝土比超高性能、超高强度的SCC便于泵送。

3) 泵送时摩擦阻力与泵送速度关系

混凝土在管内的摩擦阻力:

式中:k₁为黏度系数;k₂为速度系数;γ为泵管半径;l为管长;v为泵管内混凝土流动速度。

混凝土泵送时, 管壁的摩擦阻力f与混凝土的黏度和泵送速度有关。混凝土的W/B越低, 黏度越大, 则k₁大, 泵送时的摩擦阻力大, 混凝土在管内开始流动所需压力大。如泵送量比较大, 速度系数k₂大, 混凝土泵送时, k₁, k₂越小越好, 其与混凝土的组成材料及配合比有关, 也与施工时单位时间的泵送量有关。根据普通混凝土的施工经验, k₁, k₂仅与混凝土的坍落度有关, 前人总结出了以下2个公式。

式中:k₁为黏度系数;k₂为速度系数;S为混凝土坍落度。

k₁反映了混凝土的黏性, 与混凝土的组成材料及配合比有关。而混凝土坍落度S的大小则直接反映了k₁值的大小, 坍落度大、黏性低, k₁值小, 容易泵送。保塑的根本目的是维持坍落度和倒筒落下时间等参数不变, k₁值不变, 混凝土与管壁间的黏性阻力不变, 易于超高泵送。

4) 混凝土泵送高度的估算

在工程中, 根据混凝土泵送高度选择泵机的出口压力时, 或根据泵机出口压力估算泵送高度时, 以泵送混凝土水平管 (12.5cm) 每米长度的压力损失=0.01MPa计算。将垂直管、弯管及锥管都换算成水平管, 得到水平管总长, 乘以水平管每米长度的压力损失即可得到泵送所需的总压力。例如在工程中泵送C120UHP-SCC时: (1) 水平管长800m, P₁=800×0.01=8.0MPa; (2) 垂直管高度按500m计算, 换算成水平管长度为500×4=2 000m, 则P₂=2 000×0.01=20MPa; (3) 90°弯管有20个 (含布料) , 压力损失0.1MPa/个, 45°弯管有2个, 压力损失0.05MPa/个, 锥管1个, 压力损失0.1MPa/个;截止阀2个, 压力损失0.05MPa/个;分配阀1个, 压力损失0.2MPa/个。弯管及锥管总压力损失P₃=2.5MPa, 水平管、垂直管、弯管和锥管的总压力损失:8.0+20+2.5=30.5MPa。

另考虑还有30%的压力设备损失, 故选择泵机时要考虑出口压力≥30.5+30%×30.5=39.65MPa。现有泵机出口压力40MPa, 泵送能力足够。在广州西塔工程项目第1次416m的C100UHPC和C100 UHP-SCC的超高泵送试验时, 泵机的出口压力达28MPa。在泵送过程中, 因布料管出现问题要停机检修;30min后, 现场总指挥担心停放时间过长出问题, 命令开机把泵管内混凝土往外泵送, 这时泵机的出口压力>34MPa。即混凝土由静止到运动, 黏度系数提高, 阻力增大, 泵送压力增大, 故泵机的泵送压力要有一定数量的储备。工程上关于泵送高度的计算, 简化得多, 也符合工程实际。

广州东塔C120 UHP-SCC泵送至510m高度, 泵送试验混凝土性能如表7~8所示。东塔混凝土泵送试验及脱模后混凝土表观质量如图11所示。

水泥为华润PII52.5R, 矿粉、沸石粉均为超细粉, 碎石粒径5~16mm, AG-含固量40%的聚羧酸减水剂, 混凝土第1, 3, 7, 28d的抗压强度分别为104, 125.3, 136, 147MPa。

1) UHPC是混凝土技术突破性的进展, SCC是省力化、省能源、省资源与环境协调的混凝土。UHPC与SCC相结合的UHP-SCC是混凝土技术发展的新方向。

2) UHP-SCC强度高, 黏聚力好, 能裹着砂石一起均匀流动, 穿过钢筋, 填充模板。在U型仪试验时, 通过钢筋格栅, 上升30cm以上。技术关键是胶凝材料的组成、数量与质量及外加剂技术。

3) UHP-SCC的组成材料是胶凝材料, 用量偏大, 一般用不同细度的3组分复配, 降低粉体的总孔隙率;使相同用水量下流动性高。用砂量大、粗骨料少, 要选用粒型好、级配好及粒径5~10mm的粗骨料。用水量150kg/m³左右。

4) 超高泵送的关键是k₁, k₂值相对稳定, 即坍落度稳定。使用天然沸石粉载体流化剂 (CFA) , 3h内UHP-SCC的坍落度及自密实性不变;UHP-SCC泵送500m高并自密实。掺入少量天然沸石粉可作为增稠及自养护剂。

5) UHP-SCC施工过程中的自密实性、硬化过程中的自收缩开裂及使用过程中的高温爆裂, 都进行了相应试验研究, 可参考。