超高性能混凝土（UHPC）以其卓越的力學(xué)性能和耐久性，為彈性混凝土基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建提供了一種先進(jìn)的解決方案。然而，自收縮行為是UHPC應(yīng)用存在的一個(gè)主要缺陷問題，特別是在現(xiàn)澆工程中需引起重視。收縮引起的裂縫可能會(huì)對(duì)UHPC結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性造成危害。目前，減少UHPC自收縮的方法（如使用飽和輕骨料，引入減縮外加劑，使用高吸水性聚合物，加入碳基納米材料等）已被廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有的減緩UHPC收縮的技術(shù)(使用高吸水性聚合物、減縮外加劑、膨脹劑)由于會(huì)導(dǎo)致孔隙增加而對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。另一方面，在使用疏水性碳基納米纖維(尤其是納米碳纖維和碳納米管)時(shí)難以在親水膠凝材料中分散。而納米纖維素絲（CF）具有親水性、吸濕性、高表明活性等顯著特性，在提高混凝土的體積穩(wěn)定性，特別是自收縮方面，具有很大潛力。

加拿大舍布魯克大學(xué)Ousmane A. Hisseine課題組提出一種使用納米級(jí)纖維素絲（CF）作為控制UHPC自收縮新方法?？紤]了納米纖維素?fù)搅浚ㄕ妓噘|(zhì)量分?jǐn)?shù)的0-0.30%）和硅粉摻量（25-15%水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)）兩個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)UHPC配比并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，納米纖維素可以通過兩方面的機(jī)制控制UHPC自收縮：其一，在水泥水化早期，納米纖維素?fù)饺牒蟪霈F(xiàn)了特有的體積膨脹行為，將大大降低了復(fù)合材料自收縮率。UHPC的24小時(shí)、7天和14天對(duì)應(yīng)自收縮率分別降低了45-75%，22-53%，和20-40%。其二，納米纖維素在水泥基體中的橋接和強(qiáng)化效應(yīng)，提高了材料整體的體積穩(wěn)定性，進(jìn)而控制了復(fù)合材料自收縮。相關(guān)論文以“Nano-engineered ultra-high performance concrete for controlled autogenous shrinkage using nanocellulose為題，于2020年發(fā)表在Cement and Concrete Research上。

（1）納米纖維素（CF）及硅粉（SF）對(duì)UHPC極早齡期階段自收縮影響

圖1 不同超高性能混凝土(UHPC)混合物的極早齡期(0 ~ 12h)自收縮變形演化

摻入與未摻CF的混合物自收縮變化在12h內(nèi)展現(xiàn)出明顯的差異。未摻CF的混合物在測(cè)試過程一直呈現(xiàn)出收縮變形增長(zhǎng)的趨勢(shì)（12h內(nèi)收縮達(dá)到100μ?），而含有CF的混合物在最初的7小時(shí)內(nèi)，具有40-60μ?的微膨脹，之后開始產(chǎn)生收縮，在13-16小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定在大約0μ?。產(chǎn)生微小膨脹變形的原因可能是由于CF原本吸收的水分逐漸釋放出來造成的。在含有CF的混合物中，大約15小時(shí)后才觀察到自收縮變形的急劇增大?？傮w來說，CF的摻入將有利于減小UHPC混合物極早期自收縮行為，而硅粉（SF）摻量變化對(duì)其影響不明顯。

圖2 根據(jù)變形速率和熱流密度確定凝固閾值：以0CF/25SF混合物為例

圖3 根據(jù)變形速率和熱流密度確定凝固閾值：以0.30CF/25SF混合物為例

本研究以凝固閾值對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為測(cè)量自收縮的基準(zhǔn)。這是因?yàn)樵诖酥?，由于超高性能混凝土仍然是可塑性的，變形受水化過程中基質(zhì)中發(fā)生的變化的影響很大。這些變形主要是由伴隨著水泥水化的劇烈放熱的熱化學(xué)反應(yīng)引起的。為準(zhǔn)確的確定凝固閾值，進(jìn)一步測(cè)試了0CF/25SF和0.30CF/25SF組混合物在前48小時(shí)內(nèi)變形率和熱通量的演變趨勢(shì)。結(jié)果表明，0CF/25SF組的變形率在前5小時(shí)為幾乎零，之后急劇增加在20 小時(shí)左右達(dá)到峰值（80μ?/h) 并逐步回零。而0.30CF/25SF組在5-12小時(shí)之間呈現(xiàn)出早期擴(kuò)張變形。此后，反向產(chǎn)生收縮變形并在大約 15小時(shí)達(dá)到收縮變形率峰值(約為61 μ?/h)，與之相對(duì)應(yīng)的熱通量也在該時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)最大峰值。超過該時(shí)間段后，變形速率和熱通量逐步回零。

圖4 不同超高性能混凝土(UHPC)混合物中早期(12小時(shí)-7天)自生變形的演變

前7天（約160小時(shí)）自收縮變形結(jié)果顯示：在24h內(nèi)，由于混合物向硬化狀態(tài)過渡，6組混合物自收縮都產(chǎn)生急劇增大的現(xiàn)象。24h-7d階段的自收縮變化產(chǎn)生了一定的改變：第一，摻入CF的混合物自收縮率都低于未摻CF時(shí)。第二，含有15%SF的混合物比含有25%SF的混合物的自收縮率低。第三，0.30%的CF的自生收縮率比0.15%的混合物低。CF對(duì)自收縮降低的貢獻(xiàn)主要來源于兩方面措施：內(nèi)養(yǎng)護(hù)和基體橋接作用。一方面CF可釋放足夠的水分有助于穩(wěn)定內(nèi)部相對(duì)濕度，從而提升內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果。第二方面，CF通過橋接作用約束混合物形變，從而有效控制自收縮。

（3）納米纖維素及硅粉對(duì)UHPC長(zhǎng)期自收縮影響

長(zhǎng)期自收縮變形（0-90d）測(cè)試表明，SF摻量從15%提升到25%將使得UPHC收縮變形量提高。而摻入CF后，UHPC長(zhǎng)期自收縮明顯下降。0.30CF/25SF相對(duì)于0CF/25SF在 7-14 天時(shí)自收縮下降約為29%，在28天和91天之間下降約20-25%。0.30CF/15SF混合物相對(duì)于0CF/15SF混合物自收縮的減少約為30%。CF對(duì)長(zhǎng)期自收縮的降低主要是通過橋接的方式來實(shí)現(xiàn)。

圖5 不同超高性能混凝土(UHPC)混合物的長(zhǎng)期變形

（4）納米纖維素及硅粉對(duì)UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度影響

圖6 不同超高性能混凝土(UHPC)的抗壓強(qiáng)度結(jié)果

6組UHPC試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明：在1d齡期時(shí)，0.15%CF摻入基本達(dá)到與未摻CF相同的強(qiáng)度水平。超過7天其強(qiáng)度提升幅度顯示增加，尤其是在56天和91 天（提升約10%）。然而，在0.30% CF摻入時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度存在明顯降低，尤其是在1d和7d齡期降低較為顯著。7d之后不利影響稍微減弱。造成該現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為，高摻量的CF加入可能會(huì)有較明顯的引氣作用，更多的空氣被截留在UHPC內(nèi)部，使得強(qiáng)度降低。對(duì)于SF摻量變化時(shí)（15%-25%），56d之前沒有看出明顯的增強(qiáng)效果，然而，到 91d時(shí)，25% SF 摻入分別比15%SF摻入下提升了8% 和12% （未含和含有CF）。此現(xiàn)象可歸因于化學(xué)和物理的結(jié)合影響：一方面，硅粉的火山灰效應(yīng)。在水泥水化產(chǎn)生一定量氫氧化鈣后，硅粉與其發(fā)生二次水化形成更多C-S-H凝膠，從而細(xì)化基體孔隙度，強(qiáng)化顯微組織，并減少微裂紋。第二方面，顆粒堆積效應(yīng)，導(dǎo)致更致密的微觀結(jié)構(gòu)，從而提升復(fù)合材料強(qiáng)度。

圖7  不同超高性能混凝土(UHPC)的抗折強(qiáng)度結(jié)果

開裂和破壞模式

測(cè)試了不同組UHPC試件的28d、91d抗折強(qiáng)度，結(jié)果表明：CF的摻入對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度有一定的提升，且以0.15%摻量下提升更為顯著（抗折強(qiáng)度約提升10%）。CF對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的提升主要可歸結(jié)為橋接效應(yīng)，而當(dāng)CF摻量由0.15%提升至0.30%時(shí)空氣滯留效應(yīng)的影響導(dǎo)致其提升效果下降。關(guān)于SF摻量的影響，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相同，25% SF的混合物相比含15% SF的混合物抗折強(qiáng)度分別提升了 25%、23% 和 21% （CF 含量對(duì)應(yīng) 0、0.15 和 0.30%）。

本文研究使用納米級(jí)纖維素絲(CF)作為一種新的緩解UHPC自收縮的材料。研究了CF(0、0.15、0.30% 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù))的摻入和硅灰(SF)含量(25 ~ 15%)的調(diào)整對(duì)UHPC自收縮的影響。具體研究結(jié)果表明：（1）CF顯著影響UHPC的自收縮行為，特別是在早期齡期(從澆筑到前7天)。CF具有在同類混合物中沒有觀察到的自膨脹特性，這可以歸因于其親水性和吸濕性導(dǎo)致CF中原本吸收的水分隨時(shí)間變化而釋放，從而有助于補(bǔ)充空出的基質(zhì)孔隙。（2）0.15%CF摻入時(shí)可使抗壓強(qiáng)度提升約10%，然而，0.30% 的CF摻入量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度不利，尤其是在1d和7d齡期降低較為顯著。（3）硅粉摻量從 25% 調(diào)整到 15% 不會(huì)對(duì)水泥基材料早期自收縮產(chǎn)生影響，但對(duì)其 7 d齡期的自收縮降低高達(dá)28%，且其抗折強(qiáng)度降低約21-25%。而摻入納米纖維素后，25%硅灰摻量的UHPC表現(xiàn)出與15%摻量時(shí)同樣低的自生收縮率，且其抗折強(qiáng)度未受到影響。這表明納米纖維素的摻入可以有效控制高摻量硅灰引起的UHPC自收縮變化。