摘 要

超高性能混凝土（UHPC）具有高强度、高流动性和高耐久性等特点，但是具有抗折性能差、韧性低和脆性大等缺点。钙矾石类膨胀剂（CSA）所具有的的膨胀性能可以有效地减小其产生的收缩，提高UHPC的体积稳定性，具有良好的补偿收缩效果。本文为了对比研究CSA的膨胀性能，另外加入了MgO和CaO两种膨胀剂，分别从砂浆流动度、凝结时间、体积稳定性和力学性能等方面对比分析三种膨胀剂对UHPC性能的影响。研究结果表明，CSA的补偿收缩能力最强，同时掺CSA的UHPC力学性能也较好，但CSA对养护条件要求较高；CaO的补偿收缩能力次之，其膨胀性能主要体现在养护中后期阶段；MgO的早期补偿收缩能力较强，但是后期对UHPC的体积稳定性的作用达不到预期效果。

关键词：超高性能混凝土；CSA膨胀剂；MgO膨胀剂；CaO膨胀剂；体积稳定性；力学性能

Abstract

Ultra-high performance concrete (UHPC) has the characteristics of high strength, high fluidity and high durability, but has the advantages of poor bending resistance, low toughness and brittleness. The swelling properties of ettringite expansion agent (CSA) can effectively reduce the shrinkage, increase the volume stability of UHPC, and have good compensatory shrinkage effect. In order to study the swelling properties of CSA, the effects of three kinds of swelling agents on the performance of UHPC were analyzed from the aspects of mortar fluidity, coagulation time, volume stability and mechanical properties. The results show that the compensation ability of CSA is the strongest, and the mechanical properties of CSA are better, but CSA has higher requirement of curing condition. CaO has the ability of compensating shrinkage, and its expansion performance is mainly reflected in the later stage of conservation ; MgO has a strong ability to compensate early shrinkage, but the effect of late volume stability on UHPC does not achieve the desired effect.

Key Words：Ultra - high performance concrete；CSA bulking agent；MgO expansive agent；CaO expansive agent；volumetric stability；mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究进展 2

1.3 研究内容 3

1.3.1 UHPC的配制原理 3

1.3.2 UHPC的配制技术 3

1.3.3 膨胀剂对UHPC抗裂性能的影响 4

1.4 预期目标 6

第2章 实验材料、设备及实验方法 7

2.1 实验原材料 7

2.1.1 水泥 7

2.1.2 粉煤灰 7

2.1.3 硅灰 7

2.1.4 细沙 8

2.1.5 减水剂 8

2.1.6 钙矾石类膨胀剂 8

2.1.7 氧化镁膨胀剂 8

2.1.8 氧化钙膨胀剂 8

2.2试验方法 9

2.2.1 实验所需原材料、膨胀剂配比 9

2.2.2 氧化镁氧化钙活性检测方法 10

2.2.3 凝结时间测试方法 10

2.2.4 砂浆流动度测试方法 10

2.2.5 抗压强度测试方法 11

2.2.6 混凝土体积稳定性测试方法 11

第3章 实验结果及分析评价 13

3.1 活性测试结果分析 13

3.1.1 氧化镁膨胀剂活性检测分析 13

3.1.2 氧化钙膨胀剂活性检测分析 14

3.2 砂浆流动度测试分析 14

3.3 凝结时间与针入度实验分析 15

3.4 膨胀剂对UHPC体积稳定性影响 15

3.4.1 钙矾石类膨胀剂（CSA）对UHPC自收缩、干燥收缩的影响 15

3.4.2 不同烧成温度MgO膨胀剂对UHPC自收缩、干燥收缩的影响 17

3.4.3 不同烧成温度CaO膨胀剂对UHPC自收缩、干燥收缩的影响 18

3.4.4 不同掺量MgO膨胀剂对UHPC自收缩、干燥收缩的影响 19

3.4.5 不同掺量CaO膨胀剂对UHPC自收缩、干燥收缩的影响 20

3.4.6 相同掺量三种膨胀剂对UHPC体积稳定性的影响 22

3.5抗压强度测试结果分析 23

3.5.1 钙矾石膨胀剂（CSA）对UHPC抗压强度的影响 23

3.5.2 MgO膨胀剂对UHPC抗压强度的影响 24

3.5.3 CaO膨胀剂对UHPC抗压强度的影响 25

3.6本章小结 26

第4章 结论与展望 28

4.1 结论 28

4.2 展望 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

混凝土已经成为了当今世界上用量最大、范围最广、而且最为经济实用的建筑工程材料，在数千年前，古埃及人就已经能够实用石灰和砂的混合物形成的浆体来建造房屋了，再到后来，我国人民和古希腊人把沙子加入了早期形成的浆体中，经过试验做出了可能是世界上最早的混凝土，并且由于古希腊人住在黑海边，他们在原料中创造性的加入了其附近火山喷出的火山灰，做出了一种强度更高的混凝土。1824年英国的工程师阿斯普丁发明了波特兰水泥，波特兰水泥的发明，意味着硅酸盐水泥材料将会广泛地运用到迅猛发展工程建筑材料中去，而且可以发挥更大的作用。

到了20世纪以来，为了不断满足社会经济的发展，建筑工程材料也迎来了更大的要求以及发展的契机，人们对建筑工程材料提出了新的发展方向，那就是朝着更高、更长、更深的三个方向发展。为了满足所提出的要求，随着科研人员的不断努力，混凝土的强度得到了不断的提升^[1]。经过50余年的不断发展，抗压强度达到45MPa的混凝土出现在了人们的面前。但是随着超高层建筑的设计，之前的强度并不能满足人们的需求，科研人员开发出了减水剂，但是减水剂的加入不能达到理想状态，又加入了高活性的掺合料，随之抗压强度超过65MPa的高强混凝土（High Strength concrete,HSC）问世，从此以后高强混凝土在工程建筑中得到了广泛的运用。由于时间的推移，人们发现如果一味地追求提高混凝土的抗压强度，而不去关注混凝土的体积稳定性能和耐久性能等等其他的性能，仍然无法解决混凝土容易产生断裂（脆性大）和抗拉强度低的致命缺点。发达国家的科研人员在20世纪90年代初在对HSC进行了大量研究的基础上，他们专注于混凝土结构耐久性的基础上提出了一种全新概念的混凝土，我们称作“超高性能混凝土”（Ultra-High Performance Concrete ，UHPC）。UHPC的设计理念是针对于提高混凝土的耐久性为其设计指标。耐久性的具体指标制成的UHPC具有耐久性、体积稳定性、具有良好的力学性能而且UHPC在流动性、均匀性、耐酸碱腐蚀、密实性、耐高温、抗冻融性上都有着出色的表现^[2]。

为了使UHPC具有高强度、高流动性、密实性而且具有良好的耐久性能，在其中加入矿物超细粉，可以更好的增强减水剂的作用，所以加入超细粉，既可以提高混凝土的流动性而且也可以提高混凝土的强度和耐久性，同时超细粉对于混凝土的作用除了能够增强其内部更密实性的同时，还可以提高混凝土的成型塑化度和超细粉发生的火山灰反应等。目前主要使用的超细粉种类为矿渣、硅灰、粉煤灰和复合性超细粉等。但是在混凝土中加入超细粉，就必须得加入高效减水剂。加入高效减水剂可以便于混凝土的施工操作、减小了水灰比，提高了混凝土的力学性能 ^[3]。但是减水剂就像一个双刃剑，有好处，有坏处。加入减水剂后，使得水灰比变低。由于水灰比变低，水泥在水化硬化早期，其中大量未水化的水泥吸收其中的水分，加之进行进一步水化，促使毛细管处于负压的状态，从而使水泥浆体发生了收缩^[4]。混凝土的收缩应力大于其抗拉强度时，导致开裂。在混凝土中增加了胶凝材料的用量、加入超细粉、加入塑化剂等措施降低了其水胶比，这是制备高性能混凝土的主要技术途径。但是低水胶比和大量超细粉的掺入导致了混凝土在硬化的过程中产生了早期UHPC的体积稳定性差，导致其容易发生开裂等问题，从而严重制约了高性能混凝土在实际工程结构中的应用^[5]。

为此，如何减小甚至能够完全消除其产生的收缩，一直是科研人员所探讨的问题。经过不断的研究和实验，人们发现，如果在UHPC中加入膨胀剂组分，利用膨胀剂在水泥水化过程中产生的膨胀来消除水泥基材料产生的收缩^[6]。加入膨胀剂，是一种既可以有效避免UHPC发生开裂，而且是很经济的措施。

1.2国内外研究进展

在国外，一些发达国家在20世纪中后期出现了以高性能混凝土为课题的研究热潮，并且得到了英国、澳大利亚、美国等发达国家的重视。在90年代中期，美国的建筑与防水研究实验室在美国自然科学基金会和联邦公路局以及州政府的资助下开展了关于高性能混凝土的研究，此项目由一些企业和美国国家预拌混凝土协会共同合作，在众多业内工作者的不断努力下，美国的研究人员在高强高性能混凝土以及活性粉末混凝土的研究上取得了让世界瞩目的成果，并且为了让关于高强混凝土的研究与发展更加的规范化，也制定了一系列的规范化措施，有利于高强混凝土的良性发展。

在20世纪90年代初期清华大学的相关研究人员对UHPC进行的大量的研究，并且其

向国内的相关作者报道了UHPC的研究进展以及其所具有的的重要意义，因此UHPC在我国得到了前所未有的重视^[7]。1993年在各大基金会以及铁道部和国家建材局的共同资助下我国的科研人员开展了重点科研项目《高强与高性能混凝土材料的结构力学性态研究》的研究，一时间全国各个地区的工程建筑材料研究单位都陆续开始了关于高强高性能混凝土的研究，UHPC在我国的研究在90年代末期得到了快速的发展。进入20世纪初期，工程院建筑学部提出了关于高强混凝土在工程中结构的稳定性和耐久性的研究课题。提出这个项目课题的目的就是在高强混凝土取得许多重大研究成果以及飞速发展的大背景下，提出我国对高强高性能混凝土的具体规定的规范，并且经过的不断的改进和发展之后编写了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》这本书，对于我国高强高性能混凝土的研究与发展起到了重要的作用^[8]。自此之后，高性能混凝土不断的出现在了人们的面前，比如用于我们的国家工程三峡大坝的建设以及享誉世界的杭州湾跨海大桥的建设等等。但是目前国内对UHPC的实际应用方面没有取得很大的进展，其研究仍然属于试验性工程。

日本是全世界最早开始研究和发展膨胀剂的国家，在20世纪90年代，日本在膨胀水泥的基础上成功研制出了硫铝酸钙膨胀剂(Calcium Sulfo-Aluminate，CSA)，CSA是由无水硫铝酸钙、CaO熟料和CaSO₄经过一定的配比粉磨制成的^[9]。经过工业上的不断研究，在1969年，日本的水泥公司成功在市场上发售CSA膨胀剂。其发售的CSA在水泥中的掺量为8%~11%，即可制成补偿收缩性混凝土；若在水泥中的掺量为15%-20%可以制成自应力混凝土，在市场上得到了极大的关注度^[10]。

随着中国社会经济的迅猛发展，在高强混凝土不能满足其他重大建筑结构工程的条件下，补偿收缩混凝土在我国得到了极其迅速的发展，而且补偿收缩混凝土的应用领域也在不断的增大。伴随着社会主义经济的飞速发展，我国的科学研究院院士吴中伟，对混凝土的补偿收缩理论的指导下，我国在混凝土膨胀剂的开发应用上取得前所未有的成果^[11]。我们在膨胀剂对混凝土的补偿收缩方面的性能研究系统已经初步具备规范化，特别是在掺加膨胀剂后对混凝土开裂形成裂缝方面的控制日趋成熟，而且膨胀剂的应用领域在不断的扩大，开发前景非常的广阔。

1.3研究内容

1.3.1 UHPC的配制原理

UHPC是通过各种原料的配比提高组分的细度与活性。在骨料的选用上不使用粗骨料，使用细骨料，从而可以减少材料内部的缺陷，提高致密性，使其获得超高强度与高耐久性。

UHPC所用原料：水泥、级配良好的细沙、硅灰、粉煤灰、高效减水剂、膨胀剂、钢纤维。

1.3.2 UHPC的配制技术

（1）在原料的配制上去除粒径大于1mm的粗骨料，使用通过良好级配的细骨料。细骨料的使用可以提高UHPC内部的均匀性，同时由于细骨料的作用，也可以极大的改善其产生的微裂纹的长度和宽度。同时由于整体粒径的不断减小，其自身产生缺陷的可能性也在不断的降低，从而使UHPC的整体性变得更好。