美國聯(lián)邦公路管理局研究和技術(shù)
協(xié)調(diào)、開發(fā)和交付公路運輸創(chuàng)新

超高性能混凝土：橋梁領(lǐng)域的最新報告(節(jié)選) 第 2 章材料與生產(chǎn) 構(gòu)成材料及配合比

UHPC 配方通常由硅酸鹽水泥、細砂、硅粉、高效減水劑 (HRWR)、纖維（通常是鋼）和水組成。有時使用小骨料，以及各種化學外加劑。根據(jù)應用和供應商的不同，可以使用這些材料的不同組合。本節(jié)描述了其中一些。

在北美最常用于研究和應用的 UHPC 是一種商業(yè)產(chǎn)品，稱為 Ductal?。表 1 顯示了這種材料的典型成分。(22)

表 1. Ductal? 的典型成分 材料 磅/碼3 公斤/米3 重量百分比 硅酸鹽水泥 1,200 712 28.5 細沙 1,720 1,020 40.8 微硅粉 390 231 9.3 磨砂石英 355 211 8.4 HRWR 51.8 30.7 1.2 加速器 50.5 30.0 1.2 鋼纖維 263 156 6.2 水 184 109 4.4

Aarup 報告說，CRC 由奧爾堡波特蘭公司于 1986 年開發(fā)，由大量鋼纖維（體積百分比為 2% 至 6%）、大量硅粉和水膠比為 0.16 或更低組成。(23)

為與市售成分材料一起使用，制定了以下混合比例建議：(24)

• 中等細度和 C 3 A 含量顯著低于 8% 的水泥。

• 最大粒徑為 0.8 毫米（0.03 英寸）的砂水泥比為 1.4。

• 含碳量極低的硅粉，占水泥重量的 25%。

• 中值粒徑為 67 x 10 -6英寸（1.7 μm）的玻璃粉，占水泥重量的 25%。

• 高效減水劑。

• 水灰比約為0.22。

• 鋼纖維含量為 2.5%（按體積計）。

通過優(yōu)化水泥基質(zhì)的抗壓強度、堆積密度和流動性；使用非常高強度、細直徑的鋼纖維；并調(diào)整鋼纖維和水泥基體之間的機械結(jié)合，在 2 英寸（50 毫米）的立方體上實現(xiàn)了超過 30 ksi（200 MPa）的 28 天抗壓強度，無需加熱或加壓固化。(25)此外，在 0.46% 的應變下獲得了 5.0 ksi (34.6 MPa) 的抗拉強度。UHPC 結(jié)合了美國可用的材料，并在傳統(tǒng)的混凝土攪拌機中混合。表2給出了一種混合比例。

表 2. CRC 的 UHPC 混合比例（按重量計）(25) 材料 比例 硅酸鹽水泥 1.0 細砂1 0.92 微硅粉 0.25 玻璃粉 0.25 HRWR 0.0108 鋼纖維 0.22 至 0.31 水 0.18 至 0.20 1最大尺寸為 0.008 英寸（0.2 毫米）

哈貝爾等人。據(jù)報道，可以生產(chǎn)用于預制產(chǎn)品和現(xiàn)場澆鑄 (CIP) 應用的自固結(jié) UHPC，而無需在固化過程中進行熱處理或壓力處理。(26)這種混合設(shè)計在 Kazemi 和 Lubell 進行的研究項目中得到進一步發(fā)展和實施。(27)

Holschemacher 和 Wei?l 研究了不同的混合比例，以在不犧牲 UHPC 有益特性的情況下最大限度地降低材料成本。(28)通過仔細選擇骨料、水泥類型、膠凝材料、惰性填料和 HRWR，可以生產(chǎn)出具有良好和易性和適中材料成本的 UHPC。

Plank 等人研究了結(jié)合不同大小的分子混合物以促進 UHPC 分散的概念。(29)

已經(jīng)研究了用偏高嶺土、粉煤灰、石灰石微填料、硅質(zhì)微填料、微粉化酚石或稻殼灰替代 UHPC 中的硅粉的可能性。(30,31)還追求使用當?shù)夭牧隙皇菍Ｓ挟a(chǎn)品。(32,33)

施密特等人。報道了德國一座橋梁的兩種混合比例。(34)第一種混合物包含 1,854 lb/yd 3 (1,100 kg/m 3 ) 的水泥、占水泥含量百分比為 26% 的硅粉、石英砂、體積百分比為 6% 的鋼纖維、HRWR 和水-粘合劑比為0.14。第二種混合物包含 2,422 lb/yd 3 (1,437 kg/m 3 ) 的水泥和 9% 的鋼絲絨和鋼纖維。

Collepardi 等。據(jù)報道，用等體積的最大尺寸為 0.3 英寸（8 毫米）的級配良好的天然骨料代替細磨石英砂，在相同的水灰比下不會改變抗壓強度。(35)

科波拉等人。研究了高效減水劑類型對抗壓強度的影響。他們報告說，與萘和三聚氰胺外加劑相比，丙烯酸聚合物外加劑允許使用較低的水灰比并產(chǎn)生更高的抗壓強度。(36)

在 UHPC 的耐久性研究中，Teichmann 和 Schmidt 使用了表 3 中所示的混合比例。(37)混合 1 的最大骨料尺寸為 0.32 英寸（8 毫米），由沙子提供。混合物 2 的最大骨料尺寸為 0.32 英寸（8 毫米），由玄武巖提供。

表 3. Teichmann 和 Schmidt (37)的 UHPC 混合比例 材料 混合 1 混合 2 磅/碼3 公斤/米3 磅/碼3 公斤/米3 水泥 1,235 733 978 580 硅粉 388 230 298 177 優(yōu)質(zhì)石英 1 308 183 503 131 優(yōu)質(zhì)石英 2 0 0 848 325 HRWR 55.5 32.9 56.2 33.4 沙 1,699 1,008 597 354 玄武巖 0 0 1,198 711 鋼纖維 327 194 324 192 水 271 161 238 141 水膠比 0.19 0.19 0.21 0.21

美國陸軍工程兵團工程師研發(fā)中心的研究人員報告了一種稱為 Cor-Tuf 的 UHPC 級材料。(38,39)此 UHPC 的比例如表 4 所示。

表 4. Cor-Tuf 的 UHPC 混合重量比例(38,39) 材料 比例 硅酸鹽水泥 1.0 沙 0.967 硅粉 0.277 微硅粉 0.389 HRWR 0.0171 鋼纖維 0.310 水 0.208

由 Rossi 領(lǐng)導的巴黎中央橋路實驗室 (LCPC) 的研究人員開發(fā)了一種稱為 CEMTEC多尺度的 UHPC 級材料。(40)該 UHPC 的比例如表 5 所示。

表 5. CEMTEC多尺度(40)的 UHPC 混合比例 材料 磅/碼3 公斤/米3 硅酸鹽水泥 1,770 1,050 沙 866 514 微硅粉 451 268 HRWR 74 44 鋼纖維 1,446人 858 水 303 180 混合和放置

Graybeal 對 UHPC 的混合總結(jié)如下：

幾乎任何傳統(tǒng)的混凝土攪拌機都可以攪拌 UHPC。但是，必須認識到，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC 需要增加能量輸入，因此混合時間會增加。這種增加的能量輸入，結(jié)合減少或消除的粗骨料和低含水量，需要使用改進的程序來確保 UHPC 在混合過程中不會過熱。這個問題可以通過使用高能混合器或降低成分的溫度并部分或全部用冰代替混合水來解決。這些程序使 UHPC 可以在傳統(tǒng)的盤式和滾筒式攪拌機（包括預拌卡車）中進行混合。（第 2 頁）(1)

UHPC 的混合時間為 7 至 18 分鐘，比傳統(tǒng)混凝土的混合時間長得多。(41,42)這阻礙了連續(xù)生產(chǎn)過程并降低了混凝土廠的產(chǎn)能。可以通過優(yōu)化粒度分布、硅粉替代水泥和石英花、匹配HRWR和水泥的類型以及提高攪拌機的速度來減少攪拌時間。(42)通過將混合過程分成兩個階段也可以減少混合時間。高速混合 40 秒后低速混合 70 秒，總時間約為 2 分鐘。(41)

放置 UHPC 的方法對纖維的取向和分散有影響。(43)取向不影響第一次開裂載荷，但對彎曲時的極限抗拉強度有高達 50% 的影響。當沿測得的抗拉強度方向放置時，可獲得最高強度。斯蒂爾等人。報告了在三點彎曲測試中水平和垂直鑄造梁之間的顯著差異。(44)垂直澆鑄梁中的纖維在垂直于澆鑄方向的層中對齊。結(jié)果，劈裂強度和抗彎強度僅為水平澆注梁相應值的 24% 和 34%。然而，在 39 英寸（1 米）厚的板中，纖維是隨機排列的。纖維的取向?qū)箟簭姸群蛷椥阅Ａ繘]有顯著影響。

Graybeal 總結(jié)了 UHPC 的布局如下：

UHPC 的放置可能會在混合后立即放置，也可能會在其他混合完成后延遲放置。盡管水泥水化反應開始前的停留時間會受到溫度和化學促進劑等因素的影響，但通常需要數(shù)小時才能開始 UHPC 凝固。在延長停留時間期間，不應允許 UHPC 自行干燥。

纖維增強混凝土的澆筑需要在澆筑操作方面進行特殊考慮。UHPC 往往表現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)自密實混凝土的流變行為，因此可能需要額外的模板準備，但也可以減少澆筑過程中的工作量。由于纖維增強，不推薦 UHPC 的內(nèi)部振動，但可以采用有限的外部形式振動作為促進夾帶空氣釋放的手段。（第 3 頁）(1)

對于弗吉尼亞州里士滿 Cat Point Creek 上的 624 號公路橋上使用的 UHPC 梁，承包商必須使用經(jīng)過預審的 UHPC 生產(chǎn)工廠，并且 UHPC 生產(chǎn)商的代表必須在場。(45) UHPC 在 8-yd 3 (6-m 3 ) 雙軸攪拌機中以 4-yd 3 (3-m 3 ) 批次混合，并卸入預拌混凝土卡車進行運輸。裝載混合物、混合 UHPC 和排出混合器需要大約 20 到 25 分鐘。

從卡車上卸下時，在混合物中觀察到水泥球。這歸因于袋子在儲存期間暴露于水分。將混合物排放到梁的一端并使其流動。僅施加有限的外部振動 1 或 2 秒。

養(yǎng)護

UHPC 的固化考慮了兩個不同的因素，特別是溫度和濕度。與任何水泥復合材料一樣，保持適當?shù)臏囟葘τ趯崿F(xiàn)所需的水泥反應速率至關(guān)重要。此外，鑒于 UHPC 的含水量較低，通過密封系統(tǒng)或保持高濕度環(huán)境來消除內(nèi)部水分流失也很關(guān)鍵。

UHPC 的固化分兩個階段進行。(1,46)鑒于 UHPC 在初始凝固之前往往會表現(xiàn)出休眠期，因此初始固化階段包括保持適當?shù)臏囟龋瑫r防止水分流失，直到發(fā)生凝固并發(fā)生快速的機械性能增長。第二固化階段可能包括也可能不包括升高的溫度條件和高濕度環(huán)境，這取決于是否需要加速獲得特定材料特性。

Graybeal 報告了一個廣泛的項目，該項目使用四種不同的固化后固化程序來確定 UHPC 的材料特性。(22)這些涉及在 194 °F (90 °C) 或 140 °F (60 °C) 下進行 48 小時的蒸汽養(yǎng)護，在鑄造后約 24 小時開始；在 194 °F (90 °C) 下進行蒸汽養(yǎng)護，標準養(yǎng)護 15 天后開始；并在標準實驗室溫度下固化直至測試年齡。

這三種蒸汽養(yǎng)護方法提高了測得的壓縮強度和彈性模量，減少了蠕變，幾乎消除了干燥收縮，降低了氯離子滲透性，并提高了耐磨性。通過較低的蒸汽溫度和延遲的蒸汽固化實現(xiàn)的增強略小于通過在較高溫度下的蒸汽固化實現(xiàn)的。在 194 °F (90 °C) 下蒸汽固化 24 小時后的樣本在鑄造后 4 天內(nèi)達到了它們的完全抗壓強度。本報告第 3 章介紹了測試結(jié)果的更多詳細信息。

Graybeal 最近的工作重點是表征環(huán)境固化 UHPC 的性能。(47)這項研究源于這樣一種認識，即在蒸汽環(huán)境中加速固化通常是不切實際的，而且 UHPC 的環(huán)境固化特性適用于許多應用。

Ay 比較了通過以下三種方法固化的 4 英寸（100 毫米）立方體的抗壓強度：(48)

• 在水中固化直至測試前 1 小時。

• 在水中固化 5 天，然后進行空氣固化。

• 將立方體密封在塑料布中，然后將它們儲存在 68 °F (20 °C) 的溫度下直至進行測試。

存儲在水中然后空氣固化的 UHPC 立方體的抗壓強度略高于通過其他兩種方法固化的立方體。

UHPC 的抗壓強度可以通過使用后固化熱固化顯著提高。(49) Heinz 和 Ludwig 表明，在 149 和 356 °F（65 和 180 °C）之間的不同溫度下進行的熱固化產(chǎn)生的 28 天抗壓強度高達 41 ksi（280 MPa），而強度為 25 和 27 ksi （178 和 189 MPa）在 68 °F (20 °C) 下固化時。較高的固化溫度導致較高的抗壓強度。此外，澆注后約 48 小時固化期結(jié)束時的強度與相應的 28 天強度大致相同。作者還得出結(jié)論，在 194 °F (90 °C) 下固化不會出現(xiàn)鈣礬石延遲形成的危險。(49)

沙欽格等人。觀察到在 68 °F (20 °C) 下初始固化 5 天，然后在 122 至 149 °F（50 至 65 °C）下進行熱固化，是在長達 28 天時達到高強度的最有利組合. (50)在 6 至 8 歲時達到了 36 至 43.5 ksi（250 至 300 MPa）范圍內(nèi)的抗壓強度。

亨氏等。在 68 °F（20 °C）下儲存 8 小時，然后在 194 °F（90 °C）水中儲存 8 小時后，24 小時后的抗壓強度高于 29 ksi（200 MPa）。(51)當 UHPC 中包含磨碎的高爐礦渣時，較長的初始儲存或熱處理時間會導致較高的強度。作者通過加入飛灰并在 300 °F (150 °C) 下對 UHPC 進行 8 小時高壓滅菌獲得了最高強度。

馬西達等人。表明，與在 68 °F (20 °C) 下固化的樣品相比，在 356 °F (180 °C) 和 145 psi (1 MPa) 的溫度下用飽和蒸汽進行高壓滅菌會產(chǎn)生更高的抗壓強度和抗彎強度。(52)

質(zhì)量控制測試

在美國，UHPC 的質(zhì)量控制測試通常使用與常規(guī)混凝土或砂漿相同或相似的測試，無論是否進行改性。測量新鮮和硬化混凝土的性能。

UHPC 的流量經(jīng)常使用 ASTM C1437（水硬性水泥砂漿流量的標準測試方法）進行測量。(1,53)該測試方法適用于表現(xiàn)出塑性到流動性的砂漿，因此它通常適用于新鮮的 UHPC。在此測試中，測量初始流量和動態(tài)流量?；旌虾罅⒓赐瓿蓽y試，以評估混合物之間的一致性和鑄造的適用性。(1)在 Cat Point Creek 上的 24 號公路橋上，要求最小動態(tài)流量為 9 英寸（230 毫米）以獲得令人滿意的可操作性。(45)

由于針對不同應用開發(fā)了不同版本的 UHPC，因此需要進行替代的可操作性測試。對于更硬的非自固結(jié) UHPC，ASTM C143 – 水硬水泥混凝土坍落度標準測試方法可能是合適的。(54) Scheffler 和 Schmidt 報告說，為路面鋪白面等應用開發(fā)硬質(zhì) UHPC 配方是可行的。(55)

UHPC 的初始和最終凝固時間可能比許多傳統(tǒng)水泥材料觀察到的時間更長。凝固時間受固化溫度的影響很大。(47) Graybeal 使用美國國家公路和運輸官員協(xié)會 (AASHTO) T 197 抗穿透性測試方法測量了不同 UHPC 配方的初始凝固時間，范圍從 70 分鐘到 15 小時不等。(22,56,57)相應的終凝時間為 5 至 20 小時。

UHPC 的抗壓強度測試經(jīng)常使用 ASTM C39 的修改版本完成 – 圓柱形混凝土試樣抗壓強度的標準測試方法。(58)修改測試方法以包括增加 150 psi/秒（1 MPa/秒）的負載率，以響應 UHPC 表現(xiàn)出的高抗壓強度。(47)適當?shù)臍飧锥藴蕚浜苤匾?，因為不平坦或不平行的端面會導致觀察到的抗壓強度降低。(1)早期抗壓強度低于 12 ksi 的圓柱體的端面準備可以使用多種方法完成，包括根據(jù) ASTM C617 加蓋。(1,47,59)強度較高的圓柱體應將端部磨削至 0.5 度以內(nèi)。(58)

較小的圓柱體已被證明可提供與傳統(tǒng)尺寸圓柱體相當?shù)膹姸?。Graybeal 報告說，3 x 6 英寸（76 x 152 毫米）圓柱體表現(xiàn)出與 4 x 8 英寸（102 x 203 毫米）圓柱體相似的強度，同時允許使用顯著降低的測試機容量。(22,60)不推薦使用 2 x 4 英寸（51 x 102 毫米）的圓柱體，因為結(jié)果中出現(xiàn)的離散度增加。

研究表明，ASTM C109——水硬水泥砂漿抗壓強度的標準測試方法（使用 2 英寸（50 毫米）立方體試樣）也可應用于 UHPC。(61) Graybeal 報告說，2 英寸、2.8 英寸和 4 英寸立方體的抗壓強度比 3 x 6 英寸和 4 x 8 英寸（76 x 152 -mm 和 102- x 203-mm) 圓柱體。(22,60) Alhborn 和 Kollmorgen 也報告了類似的發(fā)現(xiàn)。(62)

在愛荷華州波塔瓦托米縣 Keg Creek 上的美國 6 號公路橋上，UHPC 用于混凝土面板之間的縱向和橫向接縫。(63)該項目的特殊規(guī)定要求承包商鑄造 12 個 75 x 150 毫米（3 x 6 英寸）的圓柱體，用于驗證混凝土的抗壓強度。(64)將測試三個氣缸以在 96 小時時驗證 10.0 ksi（69 MPa），三個在打開橋梁時驗證 15.0 ksi（103 MPa），以及三個在 28 天。其余三個標本作為備用。要求試樣的末端磨平至 1 度平面度。

對于現(xiàn)場鑄造的 UHPC 接頭，紐約州交通部 (NYSDOT) 還要求鑄造 12 個 3 x 6 英寸（75 x 150 毫米）的圓柱體，以三個為一組進行測試。(65) 4 天測試一套，28 天測試一套，一套提供給 NYSDOT，一套作為備用。

對于擬議的 UHPC 混合物的資格測試，NYSDOT 要求至少鑄造 64 個 2 英寸（50 毫米）的立方體。測試年齡為 4、7、14 和 28 天。4 天時的最小抗壓強度為 14.3 ksi（100 MPa），28 天時的最小抗壓強度為 21.8 ksi（150 MPa）。

Fr?lich 和 Schmidt 研究了新鮮 UHPC 測試方法的可重復性和再現(xiàn)性。(66)他們觀察到測量的新鮮特性值受測量時間、混合設(shè)備、實驗室條件、操作員和空隙率的影響。作者得出結(jié)論，質(zhì)量控制測試應在混合開始后 30 分鐘進行，流動稠度應使用坍落度流動測試來測量。

材料和生產(chǎn)概要

UHPC的組成材料一般由硅酸鹽水泥、細砂、石英粉、HRWR、促凝劑、鋼纖維和水組成。作為一類，UHPC 具有高膠凝材料含量和非常低的水-膠凝材料比。超高性能混凝土可以在傳統(tǒng)攪拌機中混合，但超高性能混凝土的混合時間比傳統(tǒng)混凝土長。放置UHPC的方法對纖維的取向和分散有影響，從而影響UHPC的拉伸性能。UHPC 的特性受固化方法、持續(xù)時間和固化類型的影響。與傳統(tǒng)混凝土一樣，熱固化加速了強度和相關(guān)性能的發(fā)展。延遲幾天加熱可以提高測量的性能，盡管它可能與預制操作中的快速生產(chǎn)不兼容。較小尺寸的圓柱體已用于質(zhì)量控制以測量抗壓強度。

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