杭州超高性能混凝土

　　超高性能混凝土的制备与性能

　　超高性能混凝土(UHPC)是一种强度极高、耐久性极佳的新型水泥基复合材料，钢纤维的掺入能有效提高其韧性，使其在建筑工程领域有很好的应用前景。对国际、国内主要研究成果进行归纳，介绍UHPC的带3备原理，对UHPC的组成材料、配合比及制备工艺进行分析和说明，阐述其基本力学性能、耐久性及应用方式。

　　20世纪90年代，法国RichardP等以超细粒聚密水泥和粉末，使用高效减水剂降低水胶比，高温养护，另外通常掺人适量微细纤维。其中，去除粗骨料有助于提高UHPC材料的均质性，并可提高骨料与水泥浆的界面粘结性能，减少微裂缝。在微观结构上，混凝土受力后骨料与胶凝材料界面的剪应力和拉应力导致裂缝出现在粘结面，由于骨料粒径与裂宏观无缺陷水泥为基础，研发出一种新型混凝土材料——活性粉末混凝土，并申请了专利。现欧洲通常将采用RPC制备原理的水泥基材料称为超高性能混凝土。为强调纤维的作用，国际上通常将掺人纤维的UHPC称为缝大小呈比例关系，减小骨料粒径抑制了荷载作用下骨料与浆体界面裂缝的产生与发展。传统混凝土中水泥浆的收缩被骨料构成的刚性骨架限制，造成骨料与浆体的界面缺陷，因此UHPC增大了胶材用量，并选择细骨料，使骨料包裹在超高性能纤维混凝土，该材料其实是一种超高性能(纤水泥浆中，当浆体收缩时骨料随其作用力移动，减少因浆体收缩引起的界面缺陷。维增强)水泥砂浆。与传统混凝土相比，UHPC具有优异的力学性能，包括极高的抗压强度，优良的抗冲击、抗疲劳性能，掺入纤维后材料的抗拉性能、韧性显著提高;另外，UH—PC材料内部致密，具有极佳的耐久性。

　　1.1通常以硅粉作为超细活性粉末，它可以填充水泥颗粒间的空隙;同时，硅粉为细微球体，可提高拌合物的流变性;另外，其二次水化反应生成的C一孓H凝胶亦有助于提高材料强度。I愀的制备制备原理高温养护的目的是改善UHPC的微观结构。由于在UHPC的制备过程中通常使用硅粉，90℃左右的高温养护UHPC的基本制备原则为：去除粗骨料，掺人超细活性可有效加速硅粉参与的二次水化反应，其晶体形貌也会发生变化。在250～400℃的高温下，硬化的浆体脱水生成硬硅钙石，此时UHPC具有更高的强度。不掺入纤维时，UHPC材料基本无延性，在荷载作用下发生脆性破坏，纤维的掺入可改善UHPC材料的延性和抗拉性能。

　　1.2组成材料、配合比及制备工艺

　　1.2.1组成材料RichardP等u]使用细石英砂、水泥、石英粉、硅粉、高效减水剂、钢纤维制备RPC，并使用钢粉来制备抗压强度超过600MPa的RPC800。随后研究者发现可将其它一些矿物掺合料加入到UHPC中替代部分原有组成材料。UHPC的组成材料可以按用途分为超细活性粉末、水泥、掺合料、高效减水剂、纤维。

　　(1)超细活性粉末超细活性粉末具有三大特点：颗粒粒径小，可填充较粗的胶凝材料的颗粒间空隙;改善拌合物流变性，减少用水量;有足够活性，反应后有效提高UHPC强度。由于硅粉具备上述特点，自UHPC材料出现后，该材料一直被视为难以取代的超细活性粉末组分。*新研究发现，可将水泥磨细至规定细度成为超细水泥，使其具备超细活性粉末的特点，实现不使用硅粉制备UHPCI2-5]。

　　(2)水泥水泥在UHPC中的作用与混凝土相同，即通过水泥浆体的硬化将骨料胶结成一个坚实的整体。由于水泥中C。A水化反应需水量较高，因此建议采用低C。A含量的水泥n]。若不采用普通水泥，直接用超细水泥制备UH—PC，虽然对材料的经济性有所影响，但制备更便捷。由于UHPC水泥用量大，导致材料在养护过程中产生大的收缩变形，因此建议在构件设计中使用非闭合截面形式，避免收缩造成应力分布不均匀。

　　(3)掺合料加入适量的掺合料可节约水泥和降低成本，并改善UHPC性能。石英粉作为石粉的一种，也可被视为掺合料。YaziclH等口3采用高炉粒化矿渣和粉煤灰取代UHPC中的部分胶凝材料，研究了不同养护条件下材料的力学性能，发现高炉粒化矿渣的取代效果好，并可降低硅粉用量。若采用超细水泥作为超细活性粉末，高炉粒化矿渣也能取代部分水泥，并可保证材料性能和降低成本。

　　(4)骨料骨料在UHPC中起到填充和骨架作用。骨料的种类、粒径、颗粒形状、用量都会影响材料的流变性和强度。RichardP等n1选用的骨料是粒径范围0.15～0.6mm的石英砂，在之后的研究和应用中，骨料粒径范围往往被放宽。YangSL等m分别采用传统石英砂、两类粒径小于5mm的细砂、回收的碎玻璃作为骨料制备UHPC并进行对比试验，发现碎玻璃作为骨料时UHPC的力学性能明显降低，原因是碎玻璃骨料的颗粒级配不佳导致密实度相对较低，且玻璃光滑的表面弱化了浆体与骨料之间的粘结性能。

　　(5)纤维纤维主要用于提高材料的延性和抗拉性能，因长纤维易相互搭接，降低拌合物流动性，故不宜使用长度超过30mm的钢纤维，通常采用长度13mm以下的微细钢纤维。RedaMM等嘲采用长度3～6mm的微型碳纤维制备新型UHPC，发现50mmX50mmX50mm立方体抗压万方数据..强度可超过200MPa，但由于纤维过短，粘结力较差，导致材料受弯时延性不足。RyuGS等嘲研究了钢纤维类型对UHPC力学性能的影响，发现选用的几种钢纤维在UHPC的制备便捷性和抗压性能方面差异不大，但合适的纤维长度和长径比可改善UHPC的受弯性能。另外，纤维的分布方式也会明显影响材料的受弯、受拉性能。

　　(6)水为减小孔隙率，UHPC的用水量很低，但用水量过低也会使气泡因拌合物流变性变差而不易排出，并影响材料强度。在UHPC的制备过程中，通常先寻找*小用水量，然后再对用水量、减水剂等进行微调，在保证力学性能的同时获得*佳的工作性。

　　(7)减水剂为了控制用水量，需要大量掺入高效减使拌合物具有较优的工作性。

　　1.2.2配合比基于获得较佳的力学性能同时保证材料的经济性，UH—PC配合比中超细活性粉末在胶凝材料中所占比例一般为5%～20%，掺合料的用量通常不超过40%，适量掺人石英粉可有效降低用水量，利于提高材料的密实度和强度。在低用水量下，为保证拌合物的工作性，砂胶比一般为0.9左右。高效减水剂的用量一般为o%～2%。为使UHPC具有较好的韧性同时保证材料的经济性，钢纤维的体积掺率通常为1.5%～3%。

　　1.2.3制备工艺一般采用以下常规工艺制备UHPC：首先将骨料和胶凝材料倒入搅拌机进行搅拌;搅拌均匀后加人水和减水剂(逐渐或分次加入更有利于水和减水剂的分散);拌合物由颗粒状转变为胶体状态后，加入钢纤维进行搅拌(当钢纤维用量较大时，可以逐渐或分次加入);待钢纤维分散均匀后进行浇筑，并振动成形(高流动度的UHPC可实现自密实);*后进行养护。高温可改变C-S-H凝胶的结构，并激发硅粉等参与的火山灰反应，因而可使UHPC获得更高的强度。在试件拆模后，主要有3种养护方式：常温养护、90℃左右高温养护和200℃以上蒸压养护。一般情况下，常温养护的UHPC强度比90℃高温养护的低10%～30%，虽然采用200℃以上蒸压养护可以获得更高的强度，但由于设备限制，一般采用前两种养护方式。KaufmannjEll]采用离心法、SchachingerI等和Gerli—cherT等通过抽真空的特殊工艺，降低了材料含气量，使材料强度明显提高。与高性能混凝土(HPC)相比，UHPC抗压强度显著提高，因此可有效降低构件的自重和截面尺寸。钢纤维的掺入使UHPC延性增加，抗弯、抗拉强度以及断裂能均明显优于HPC。水剂，一般选用聚羧酸减水剂。但是，减水剂掺量过多易导致UHPC拌合物的缓凝。因此，应注意控制减水剂用量，以n41采用单轴压缩试验研究不同钢纤维掺量下UHPC的力学特征，并对其破坏形态进行分析，结果表明：钢受弯性能UHPC的弯曲性能试验研究n63表明，试件的峰值荷载随着纤维含量的增大而提高，荷载一挠度曲线的下降段随纤维掺量的增大而变缓，材料韧性提高。掺入钢纤维后UHPC纤维掺量较低时(不超过1%)，轴压试验试块以劈裂破坏为主，试件超过极限应变后产生多条轴向裂缝，并随压力的增大逐渐扩展、连通，其中～条裂缝发展成为主裂缝，导致试件开裂破坏;钢纤维掺量较高时(2%以上)，试件以剪切破坏为主，破坏时会出现一条贯穿试件的剪切裂缝，裂缝与轴向成30。，剪切面上的钢纤维被拔出或拉断。的受弯破坏过程分为3个阶段：处于弹性阶段时，荷载较小，钢纤维与基体共同承担荷载，荷载一挠度曲线呈直线;随着荷载的增大，拉区变形达到UHPC初裂应变，材料基体出现裂缝，跨越裂缝的纤维通过界面传递应力，此阶段为弹塑性阶段;*后随着钢纤维与基体之间的粘结强度达到极限，钢纤维被逐步拔出，同时吸收很大的能量，荷载一挠度曲线进入下降段。

　　2.1.1拉伸性能安明甜等D5]通过拉伸试验发现未掺钢纤维的UHPC试件受拉开裂即断裂，应力一应变曲线的下降段难以获得，为脆性破坏。当钢纤维掺量达到1%时，试件开裂后应力一应变曲

　　2.1.2其它性能掺人纤维后的UHPC具有优良的动态力学性能。对线出现明显下降段;当钢纤维掺量达到2%时，破坏过程与钢纤维掺量1%的试件相似，但应力一应变曲线的下降段更加平UHPC抗冲击性能的研究表明，掺入钢纤维降低了UHPC高速冲击下的损伤，材料的抗冲击性能提高[17J8|。另外，安明船等[1们通过2%钢纤维体积掺率的UHPC单轴受压疲劳性能试验获得了疲劳曲线(S-N曲线)，疲劳极限强度为其静极限轴心抗压强度的57%，明显优于普通混凝土。受弯疲劳性能试验表明在低周和高周疲劳荷载作用下，掺入钢纤维的UHPC即使出现裂缝，仍拥有优异的耐疲劳性能[2…。缓且延伸较长，试件开裂后可承受更大的拉力。其原因是基体开裂以后，跨越裂缝的钢纤维开始承受外力作用，随着裂缝的发展，钢纤维承受的拉力逐渐增大，随着钢纤维的拔出或拉断，曲线逐渐下降。若钢纤维用量合理，可出现多裂纹扩展现象。表1Table1UItPC材料的基本力学性能BasicmechanicalpropertiesofUHPC表2超高性能混凝土、高性能混凝土和普通混凝土的耐久性对比Table2DurabilityofUHPC.HPCandOPC2.2耐久性SchmidtS等[26。总结了欧洲UHPC耐久性的研究情况，究表明其28d碳化深度仅为0～0.3mm，远低于HPC和OPC(普通混凝土)。在耐腐蚀性方面，刘斯凤等将UHPC浸入我国新疆盐湖卤水中进行试验，3个月后UHPC的质量损失为0，动弹模损失仅为0.5%;杨吴生等晒3将养护后的试件置于人工海水和自来水中浸泡180d，测得的抗压如表2所示。国内对UHPC的耐久性也已有系统研究。在抗冻性方面，试验表明在300次冻融循环以后，UHPC的耐久性系数均保持在99以上。对UHPC抗氯离子渗透性(NEL法)的研究发现，其氯离子扩散系数均低于0.4，故材料的抗氯离子渗透性能极佳Ez8，30]。UHPC的抗碳化性研强度和抗折强度略高于浸泡前，证明UHPC具有很好的抗化学侵蚀性能。另外，研究表明UHPC的耐磨性可达到优万方数据超高性能混凝土的制备与性能等等品路面砖的要求。

　　综上所述，国内外的研究均表明UHPC具有极佳的耐久性，且远高于HPC和OPC，这是因为UHPC极低的水胶比和合理的颗粒级配使其具有极小的孔隙率和良好的微观结构。3UHPC的应用与展望目前，UHPC在国外已有不少工程应用，国内的工程应用也已逐步展开。UHPC主要可应用于人行桥、楼梯板、阳台板及外挂板等一些有轻质、美观要求的结构构件;在大跨桥梁的梁、预制构件中采用UHPC，可减少构件的截面、配筋，减轻结构质量，增大跨度，而且UHPC极佳的抗渗性可增强结构的耐久性;用UHPC建造压力管道可提高其工作压力，并增强抗侵蚀能力;用UHPC制备的固体废料储存容器可长期储存中、低放射性废料，其使用寿命可长达500年;L7-IPC也可用于路面和桥面易磨损区的修补修复;另外，由于其具有优异的防爆和防腐性能，所以在国防工程领域也有巨大的应用价值与潜力。为指导UHPC结构设计与应用，一些国家结合相关试验，在已有的混凝土、纤维混凝土结构设计规范的基础上根据UHPC材料的特点进行修正和改进，提出了UHPC结构构件的设计方法。法国AFGC/SETRAc32]和德国DAfStBUHPCI33]均明确了UHPC构件的设计方法。国内，李莉[341分别对UHPC简支梁和连续梁进行试验研究，给出了UH—PC梁承载力、刚度和裂缝的计算公式，并建立了塑性铰长度和弯矩调幅系数的计算公式。

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