文|邱明红邵旭东
复核|黄政宇
引言
混凝土收缩是混凝土在凝结硬化过程中自发地、不可避免地产生的体积变形。当混凝土处于自由状态，混凝土因某种原因引起的收缩不会导致不良后果；当混凝土受到约束时，混凝土的收缩就会产生各种拉应力。对于普通混凝土，其抗拉强度不高，因而易引起收缩开裂，影响混凝土结构的安全性和耐久性。对于超高性能混凝土（UHPC），由于低水胶比、不含粗骨料、掺入活性矿物掺合料的特性，其力学性能和耐久性能得到大大提高，但与此同时也导致了UHPC的收缩一般比普通混凝土的要大。因此，充分认识UHPC的收缩特性和掌握避免UHPC收缩开裂的方法，成为UHPC应用于实际工程中的重大课题之一。
本期，将从概述、测试方法、影响因素和各国UHPC规范收缩值规定等四个方面与大家分享UHPC收缩特性，以供大家参考。
概述
UHPC材料的收缩，主要包括自收缩和干燥收缩。自收缩是由胶凝材料水化反应引起的体积减少而产生的，而干燥收缩主要是UHPC表面水分损失而造成的。UHPC的自收缩表现为凝结硬化的早期自收缩发展快，数值大，对UHPC的成型制作阶段的开裂有重要影响，UHPC凝结硬化后，随着水化的继续进行，自收缩仍然有较大的发展；UHPC的干燥收缩也是随着混凝土龄期的增加而增大，干缩值的发展呈现出先快后慢的趋势。
图1不同水胶比混凝土的收缩应变
图1给出了不同水胶比的混凝土收缩应变对比曲线。对于普通混凝土，水胶比较高（一般为0.4~0.6），毛细空隙中含有大量自由水，能够为胶凝材料水化反应提供充足的水分，保证内部湿度，因而自收缩较小，收缩以干燥收缩为主。但随着水胶比的减小，混凝土的自缩占整个收缩的比重会增大。因此，低水胶比（一般约0.16~0.2）的UHPC的自收缩占总收缩的比例较大，干燥收缩（养护后在干燥环境失水产生的收缩）则比较小，这与普通混凝土的收缩明显不同。
分析原因：UHPC的水胶比非常低，对于外部干燥引起的失水，因UHPC的密实结构能有效阻止内部水分的损失，所以UHPC的干燥收缩较小。而UHPC具有低水胶比、胶凝材料用量大、掺入大量活性掺合料的特点，而自收缩的动力来源于胶凝材料的水化，随着水化的进行，自收缩也在不断的增加，且数值较大。
测试方法
目前，各国UHPC规范中对UHPC收缩测试方法的规定均是按照本国普通混凝土收缩测试方法的相关条文执行。我国活性粉末混凝土（一种UHPC）规范规定UHPC的收缩测试方法应符合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082）的规定，即与普通混凝土的收缩测试方法一致。《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082）将混凝土收缩试验方法分为接触法和非接触法两种。
非接触法主要适用于测定初凝或接近初凝后早龄期混凝土的自由收缩变形，也可用于无约束状态下混凝土早龄期与外界隔绝湿交换的条件下的自收缩变形的测定。测定仪器原理如图2所示。非接触法测量混凝土收缩试件采用100mm×100mm×515mm棱柱体试件，每组3个试件。若需要测试混凝土的自收缩值，应在浇筑振捣后立即采用塑料薄膜作密封处理。
图2非接触式混凝土收缩变形测定仪原理示意图
接触法用于测定在无约束和规定的温湿度条件下硬化混凝土的收缩变形性能。测量混凝土收缩试件采用100mm×100mm×515mm混凝土棱柱体，试件两端预埋金属测头，试件成型1天后拆模，然后置于温度（20±2）℃、湿度为（60±5）%的恒温恒湿试验室中养护3天，以养护结束时刻为测量起点，用千分表测量试件两端金属测头之间的长度来反映混凝土收缩随龄期的变化情况。该方法对普通混凝土是合适的，因为普通混凝土的干燥收缩为总收缩的主要部分，用干燥收缩代替总收缩不会引起较大的误差。但对于低水胶比的UHPC来说，该方法不太妥当，因为比起后期的干燥收缩，UHPC早期的自收缩占总收缩的比重更大，该方法显然忽略了大部分的早期自收缩（收缩初始读数的龄期规定为3天）。
影响UHPC收缩性能因素
引起UHPC材料收缩变形的因素众多，如水胶比、钢纤维、掺合料、外加剂、养护条件等内部因素，还包括环境温度、湿度、风速等外部因素。UHPC也是一种水泥基材料，因此外部因素对其收缩性能的影响与普通混凝土是类似的。为此，下面将仅和大家详细分享水胶比、钢纤维等内部因素对UHPC收缩性能的影响。
水胶比
影响普通混凝土收缩的因素有狠多，水胶比是其中最重要的因素之一，对于UHPC也是如此。图3给出了标准养护条件下不同水胶比的UHPC自收缩和干燥收缩的影响，可以看出，随着水胶比的减小，UHPC的自收缩明显增大，而干燥收缩减小。需要说明的是图3（a）所示的自收缩是自浇筑成型开始水泥基材料的表观长度变化，包括了塑性阶段的变形。此外，低水胶比使UHPC自收缩更大，这是因为相对较少的含水量更易于因水化反应而被消耗，从而更容易导致内部的相对湿度较低，自干燥效应加剧，最终导致自收缩增大。
图3不同水胶比对UHPC收缩的影响
钢纤维
龙广成等研究了不同减缩方法（掺入粗骨料、减缩剂、钢纤维）对UHPC收缩的改善结果，如图4所示，从图中可以看到，三种减缩方法对UHPC收缩的改善效果明显不同。UHPC中掺入钢纤维可以有效地抑制UHPC的总收缩值，而掺入轻骨料效果不明显，试验所选择的化学减缩剂没有起到减缩作用。随着纤维掺量的增加，收缩值进一步降低。这是因为混凝土中掺入的钢纤维弹性模量高、尺度较小、间距较密，这对混凝土的收缩有一定的抑制和限制作用。
图4不同减缩措施对UHPC收缩的影响
掺合料
目前，硅灰己成为UHPC中重要的矿物掺合料之一，对混凝土的性能产生显著的影响，对混凝土的密实度及孔隙结构进行有效的改善，使混凝土能够得到超高强度以及良好的耐久性能。但是，硅灰对UHPC自收缩具有较大的增长作用。己有研究表明，随着硅灰的掺量增加，当混凝土的水胶比较低时，其干缩略有增加，而自收缩却增长得非常明显，如图5所示。有两点需要说明：1）图5所示UHPC的养护制度为标准养护；2)图5（a）所示的自收缩是指水泥基材料自浇筑成型开始在密封和等温的环境下所表现出来的表观体积收缩，是化学收缩及自干燥收缩共同作用的结果。
图5硅灰掺量对UHPC自收缩和干燥收缩影响
以此为出发点，己有学者研究通过另外的材料取代部分硅灰，既能保留硅灰对UHPC性能具有改善作用的部分，又能够减少硅灰对UHPC自收缩影响，是解决上述问题的有效途径之一。
在相同水胶比UHPC中，用粉煤灰替代一部分硅灰，可以减小自收缩。且随着粉煤灰掺量的增加，UHPC的收缩呈减小的趋势。粉煤灰的形态是多类粒径颗粒形状的聚集体，其大部分是球状玻璃体，这使得其在UHPC的拌合物中具有显著的“形态效应”。粉煤灰掺入UHPC中，不仅改变拌合物的流变性和内部结构，也影响UHPC的早期水化进程。粉煤灰对UHPC收缩性能的影响主要是表现在粉煤灰的填充效应。粉煤灰掺入UHPC中，会在水泥基体拌合物中发挥微集料填充作用。该效应会使拌合物水分蒸发通道通畅性降低，减小水分蒸发，降低UHPC的收缩。
稻壳灰(RHA)中含有无定形SiO2，其量在90%以上，且得到的RHA具有比硅灰更大的比表面积以及更高的火山灰活性，可将其作为活性矿物掺料。叶光等研究了RHA的掺入对UHPC收缩性能影响，得到了RHA取代硅灰掺入UHPC后能够起到减少混凝土早期自收缩的效果，当RHA的平均粒径为5.6μm且掺入量为20%时，经过15天养护后其收缩量几乎为零。其原因是RHA具有特殊的多孔结构、高比表面积、含活性SiO2等特性。
受此启发，黄政宇等研究了具有与RHA类似的多孔结构、高比表面积、含活性SiO2等特性的硼泥酸性浸渣对UHPC自收缩和干燥收缩的影响，研究结果表明随着硼泥酸性浸渣取代硅灰量的增加，UHPC的自收缩和干燥收缩减小（图6），但对UHPC的流动度和抗压强度影响较小，可延长UHPC的凝结时间。UHPC自收缩和干燥收缩的减少，一部分原因是由于硅灰的掺量减少，另一部分原因是由于多孔超细粉结构（RHA或硼泥酸性浸渣）具有较大的比表面积和良好的保水性能，对UHPC起到内养护作用，浆体内部的湿度下降缓慢，从而降低早期自收缩，在干燥硬化阶段具有类似效果，从而对干燥收缩也起到降低作用。
图6硼泥酸性浸渣掺量对UHPC自收缩和干燥收缩影响
外加剂
因UHPC的收缩量大，许多学者开展了通过掺入减缩剂、膨胀剂等外加剂来减少UHPC收缩的研究。Kim等人指出因膨胀剂和减缩剂的掺加可将90天总收缩量由800με降至400με；刘永强的研究表明掺入高性能膨胀剂可将56天总收缩量由680με降至207με。减缩剂可以降低混凝土孔隙中水的表面张力，降低毛细孔的压力，显著降低混凝土的干燥收缩，但减缩剂的掺入也具有潜在风险，会降低混凝土的早期强度，延长凝结时间。
高吸水性树脂（Superabsorbent Polymer, 简称SAP）是一种具有松散网络结构的低交联度的亲水性高分子化合物，具有迅速吸收和保持大于自身质量几百倍甚至上千倍水分的能力。由于高吸水性树脂具有吸水率高、保水性强、吸水率快等性质，并且具有弹性，因而添加到混凝土中前期吸水保水，后期缓慢释放放出水分，为后期水化提供水分，用于致密结构的内部自养护，以减少基体的自缩。
黄政宇等选用不同种类的SAP作为内养护剂，对UHPC进行内部养护，以研究SAP对UHPC自收缩和干燥收缩的影响，研究结果表明：SAP的加入对自收缩的降低有明显的效果，28d自收缩应变是不添加SAP时的32％～46％；SAP掺量的增加，能更有效的降低UHPC的自收缩。SAP的吸水量(附加水胶比)越高，对自收缩的减小效果越好，但附加水胶比太大时，考虑到流动性的提高过大，应控制附加水胶比在一定范围内。此外，标准养护条件下，SAP的加入对UHPC基体的干燥收缩有降低作用，降幅可达20％左右，但不同种类的SAP对结果影响差异不大。热水养护条件下，SAP的加入，对UHPC基体的干燥收缩的降低效果不明显。黄政宇等解释：SAP对干燥收缩的降低作用，主要是由于附加水分的引入使得水化进行中不断有水分从高吸水性树脂中释放到基体中。基体中的自由水蒸发后，有新的自由水补充，降低了由于水分消耗及蒸发所引起的干燥收缩，而热水养护本身就有利于减小超高性能混凝土的干燥收缩变形，高吸水性树脂的掺入对改善UHPC在热水养护下的干燥收缩效果并不明显。
Dudziak等也对掺入SAP以减小UHPC体积变形做了相关的研究，结果表明：与为添加SAP的对比组试件相比，掺入SAP的UHPC自收缩大大较小，如图7所示。这与黄政宇等的研究结论一致。
图7掺入和未掺入SAP的UHPC自收缩发展曲线
养护条件
养护条件对UHPC收缩有至关重要的影响，延长养护时间有利于改善混凝土的收缩性能。大量的研究表明，UHPC热养护（蒸汽养护）之后几乎不会再产生较大的收缩，即UHPC的收缩主要在热养护（蒸汽养护）阶段基本完成，如图8所示。
图8标准养护和蒸汽养护UHPC收缩曲线
热养护（蒸汽养护）阶段，UHPC的收缩以自收缩为主，基体内部的水化反应和二次水化反应基本完成。UHPC处于热养护（蒸汽养护）阶段，试件外表面没有水分散失，因此热养护（蒸汽养护）过程中几乎不产生干燥收缩。非常有意思是，黄政宇等对通过恒温装置，采用非接触式混凝土收缩变形测定仪研究了UHPC热养护过程中的收缩特性。研究结果（如图9所示）表明：热养护过程中，在热处理时间在60分钟以内（温度在50℃以内），UHPC基本不发生收缩，热养护初期，养护温度不高，基体内部水化反应程度较小，没有产生较大的自收缩。且试件表面没有水分散失，也没有发生干燥收缩；当热处理时间达到90分钟（温度接近70℃）时，UHPC收缩值迅速增加，表明随着温度升高，加速基体中活性掺合料的二次水化反应，热养护10小时后，收缩曲线趋于平缓，收缩基本完成，实测最终值约450με。为反映实际工程中，配筋普通钢筋对UHPC收缩的影响，研究了不同配筋率下热养护过程中UHPC收缩特性，研究结果如图10所示。研究结果表明配置普通钢筋的UHPC热养护过程中的收缩发展过程与不配置不同钢筋的相似，提高配筋率可以抑制热养护过程中UHPC的收缩。
图9热养护过程中UHPC收缩曲线
图10不同配筋率下UHPC热养护过程中收缩曲线
各国UHPC规范规定
目前，关于UHPC收缩性能的相关研究成果已被纳入UHPC规范中，但是对于外加剂的减缩效果，各国UHPC规范均未纳入，主要原因是长期效果没有定论。下面将对目前主要的UHPC规范（或设计指南）中对UHPC的收缩应变的相关规定进行介绍。
法国NFP18-710-2016规范
由于UHPC的先驱活性粉末混凝土（RPC）最早研发于法国的实验室，因此，法国是对UHPC研究最早的国家，其于2002年制定了最早的、较为完善的UHPC规范，即AFGC-2002规范；而后，于2013年推出了基于2002版规范的完善和更新版，即AFGC-2013规范，并于2016年颁布正式的UHPC设计规范，即NFP18-710-2016规范。该规范基于大量的实验研究，其中关于UHPC材料及结构设计等的规定亦较为全面完善，目前在世界范围内应用最为广泛。
法国NFP18-710-2016规范规定，在温度65℃以下的热养护条件下，自收缩部分完成；若采用90℃的蒸汽养护条件，可近似认为养护结束后将不会产生后期收缩变形。在缺少实验数据的初步设计阶段，建议采用如下长期效应值：(a)若未进行热养护，在平均相对湿度为50%~70%室外环境中，UHPC的自收缩可取550με，干燥收缩取为150με，总收缩为700με；(b)对于温度65℃以下的热养护条件下，在相对湿度50%~70%的室外环境中，总收缩为550με；(c)对于90℃的蒸汽养护条件，在蒸养结束前的总收缩量为550με，养护完成后收缩为零。
此外，法国NFP18-710-2016规范建议UHPC收缩应变随时间的发展规律如下列公式所示。
式中：
εcs—UHPC总收缩应变值；
εcd—UHPC干燥收缩应变值；
εca—UHPC自收缩应变值。
对于自缩（常温养护和65℃以下热养护）
βca数值介于300~600μm/m，tca为第100d。
对于干缩（常温养护和65℃以下热养护）
βcd数值介于0.003~0.01 days/mm2；K为第5d；RH为平均相对湿度（%）；ts为收缩开始时混凝土龄期；h0为构件理论厚度。
UHPC收缩应变随时间的发展方面，热养护可在48小时蒸汽养护时间内完成全部收缩，未进行热养护则在28天完成约全部收缩的60%左右。
日本JSCE-2006规范
日本于2006年颁布了UHPC规范，规范中关于UHPC收缩应变的规定是基于收缩实验结果（图11所示）。日本JSCE-2006规范规定，对于未进行热养护的UHPC应取总收缩量为550με；热养护的UHPC收缩总应变取为500με，其中热养护期间完成约450με，后期完成约50με。UHPC收缩应变随时间的发展方面，热养护可在48小时蒸汽养护时间内约完成全部收缩的90%，未进行热养护则在28天完成全部收缩的70%左右。
瑞士SIA-2016规范
瑞士SIA-2016UHPC规范规定，UHPC收缩应变随时间变化按下式计算。
计算发现，常温养护28天，完成总收缩量62.1%。
美国联邦公路管理局（FHWA）研究报告
2006年，美国联邦公路管理局（FHWA）推出了关于UHPC材料性能的研究报告，其中关于UHPC收缩应变的实验结果如图12所示。研究报告中建议，取热养护和非热养护的总收缩应变相同，600~800με。UHPC收缩应变随时间的发展方面，热养护可在48小时蒸汽养护时间内基本完成全部收缩，未进行热养护则在28天完成全部收缩的70%左右。
图12美国联邦公路管理局研究报告关于UHPC收缩应变的实验结果
表1不同UHPC规范（或设计指南）28天收缩应变以及终极收缩应变
*注：数据从实验数据图中量测获得近似值。
通过对比各国UHPC规范，可以得出以下结论：（1）无论热养护与否，UHPC的总收缩应变介于500~950 με。众所周知，普通混凝土的的收缩一般为300-500 με。因此，总体而言，UHPC的收缩应变高于普通混凝土，若处理不当可能诱发收缩开裂，在设计中应引起足够重视。（2）UHPC在完成热养护后，可基本完成全部收缩应变，而热养护的工艺成本并不高，因此，热养护是彻底消除UHPC桥梁结构收缩开裂风险的最有效手段。未进行热养护时，UHPC的28天收缩应变为总收缩应变的60%~70%。
