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超高性能混凝土(UHPC)的性能和应用简述
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超高性能混凝土(UHPC)的性能和应用简述

  • 分类:行业知识
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2020-08-24 18:35
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【概要描述】超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete,简称UHPC),因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete,简称UHPFRC)。

超高性能混凝土(UHPC)的性能和应用简述

【概要描述】超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete,简称UHPC),因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete,简称UHPFRC)。

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  一、超高性能混凝土(UHPC)定义与发展历程

  超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete,简称UHPC),因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete,简称UHPFRC)。UHPC不同于传统的高强混凝土(HSC)和钢纤维混凝土(SFRC),也不是传统意义“高性能混凝土(HPC)”的高强化,而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。1999年清华大学覃维祖教授等发表文章《一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土》最早介绍了UHPC,至今在中国仍然较多地使用“活性粉末混凝土(简称RPC)”名称。RPC是法国一个公司的专利产品名称,宣传介绍较多而广为人知。1994年法国学者DeLarrard等将这类新材料称作UHPC,由于UHPC或UHPFRC名称没有商业色彩,且能更好表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能,逐步被广泛接受和采用。

  UHPC较有代表性的定义或需要具备的特性如下:

  · 是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料;

  · 水胶比小于0.25,含有较高比例的微细短钢纤维增强材料;

  · 抗压强度不低于150MPa;具有受拉状态的韧性,开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa(法国要求7MPa);

  · 内部具有不连通孔结构,有很高抵抗气、液体浸入的能力,与传统混凝土和高性能混凝土(HPC)相比,耐久性可大幅度提高。

  UHPC属于现代先进材料,创新了水泥基材料(混凝土或砂浆)与纤维、钢材(钢筋或高强预应力钢筋)的复合模式,大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率,使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。使用UHPC可以建造轻质高强和高韧性的结构,彻底改变混凝土结构“肥梁胖柱”状态;其结构所拥有的耐久性和工作寿命,远远超越钢、铝、塑料等其它所有结构材料。

  UHPC在上世纪七十年代末起源于丹麦,八、九十年代在欧洲进行了比较系统深入的研究,并开始在小型工程和制品上应用。进入本世纪,在欧美、日韩等许多国家均将UHPC作为新型、未来的或战略性工程材料进行研究与发展,法国和日本率先制定了设计指南。目前,UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟,结构性能与设计规范正处于发展完善过程,工程结构与制品的应用不断取得新进展,定期举办国际UHPC/UHPFRC研讨会进行学术交流。

  二、UHPC的制备与增强、增韧原理

  上世纪七十年代初的一些试验研究证实,提高水泥净浆的密实度,可以有效提高强度。丹麦学者H.H. Bache教授发展的DSP(Densified System with Ultra-Fine Particles)理论,即:用充分分散的超细颗粒(硅灰)填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中,实现颗粒堆积致密化,见图1。借助高效减水剂的分散作用,硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间,从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量,DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料,DSP基体混凝土的抗压强度可以达到280MPa,但脆性非常大;同时使用钢纤维增强增韧(即UHPC),抗压强度可达到400MPa(常温养护)。更进一步,法国使用高压成型和高温高压(压蒸)养护的活性粉末混凝土(RPC),最高抗压强度达到了800MPa。

  

  图1 水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度示意图

  三、UHPC的力学性能

  单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”,并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度(单轴抗拉和弯曲抗拉强度)和高韧性,这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维,可将UHPC的抗拉强度提高到30Ma,断裂能达到1,500~40,000 N/m(钢纤维体积含量2%~12%,详见表1),使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列(断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料)。现在,使用异形,特别是扭转形高强钢纤维,可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外,高强高模的聚乙烯醇(PVA)纤维也用于UHPC的增强与增韧;聚乙烯(PP)纤维用于提高UHPC的耐火能力。

  表1 高强混凝土、UHPC、钢筋增强UHPC和高强韧性钢材的性能对比

  

  图2单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力-应变特征与其它材料对比(OC/HSC-普通/高强混凝土,FRC/HSFRC-普通/高强纤维混凝土,ECC-高延性水泥基复合材料)

  四、UHPC的耐久性与可持续发展

  UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。根据理论和试验研究结果,基本上可以确定:UHPC没有冻融循环、碱-骨料反应(AAR)和延迟钙矾石生成(DEF)破坏的问题;在无裂缝状态,UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标,与传统高强高性能混凝土(HSC/HPC)相比,有数量级或倍数的提高。但UHPC不耐硝酸氨腐蚀,因为钢纤维会较快锈蚀。

  UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低,UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低,UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化,绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此,水或水汽进入UHPC的裂缝,暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化;结合了外界水分的水化产物体积大于水泥熟料体积,多出来的体积能够填堵裂缝,见图3。试验和工程验证表明,UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性,同时还起“胶结”裂缝作用,可在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能。

  

  图3 水泥熟料水化封闭了微裂缝

  UHPC的耐久性能中,表面钢纤维的锈蚀一直令人关注。靠近表面的钢纤维保护层很小,还可能露出表面,在潮湿或腐蚀性环境(氯盐、酸性等环境),表面钢纤维有较快发生锈蚀的危险性。目前10~15年的试验和实际工程观察表明,只要钢纤维不露出表面,UHPC密实的基体能够非常有效地保护钢纤维不锈蚀,露出表面钢纤维的锈蚀没有扩展到内部,仅限于表面,但会影响表面美观。因此,对于有装饰功能的UHPC结构,需要采取措施防止钢纤维暴露或使用不锈蚀纤维。

  与钢结构相比,UHPC结构的优势在于高耐久性和几乎没有维护费用,并容易达到建筑防火要求。与传统的钢筋混凝土结构相比,UHPC结构寿命可成倍提高。根据理论分析、现有的暴露试验以及实际工程检验结果,预期UHPC结构寿命,在腐蚀性自然环境中(如海洋环境)可以超过200年以上;在非腐蚀环境(如城市建筑)可以达到1000年。相对保守的日本指南认为,在正常使用环境条件下,UHPC结构的设计工作寿命为100年。耐久性中的碳化、钢纤维与钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱-骨料反应属于免检项目,但重化学腐蚀和耐火性能是需要检验的项目。

  使用B.L.Damineli等提出的胶凝材料浓度指数bi(binderintensity )和碳浓度指数ci(CO2intensity )两个水泥应用的生态效率指标进行评定,UHPC属于最高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土,同时也是最低碳的混凝土材料。通过具体工程结构的计算比较,可以量化分析UHPC的节材、节能和减排效果。例如,对比典型的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥与UHPC门型梁的梁板一体公路桥(两个桥的材质与结构不同,长度、宽度和功能完全相同),定量分析表明:UHPC桥节材体积为24%,节材重量为35%;节能54%;减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP(当量CO2排放)分别达到59%和44%。

  五、UHPC的应用

  · 法国的研究规模大、参与单位多,向世界展示出UHPC的价值,引领在多方面应用的发展,如桥梁、建筑结构和幕墙、结构连接、长寿命路面等,其中拉法基的Ductal®产品在世界范围推广应用,见图4;

  · 瑞士的研究与应用在混凝土结构维修加固方面领先,用UHPC维修加固公路桥梁正在成为一种最佳方法而获得较多应用,见图5。

  

  图4 法国UHPC建筑承重结构和幕墙

  

  图5瑞士A9公路Chillon城堡高架桥面板维修加固和保护工程(UHPC用量2400m3,加固桥面面积50,000m2)

  六、结语

  UHPC的价值和潜力体现在:

  · 超高强度与韧性,可以建造以前不可能的或新型轻质高强结构;

  · 耐久性大幅度超越传统的工程结构材料,使UHPC结构具有超长工作寿命和低养护维修费用,获得比传统结构低的寿命周期成本(LCC,Life Cycle Cost);

  · 充分发挥UHPC的性能优势,在一些场合应用,有可能降低结构或工程的综合建造成本;

  · 应用UHPC建造的结构,具有显著的节材、节能和减排效果,有利于可持续发展。

  新一代工程材料——UHPC同时蕴涵着机遇和挑战。UHPC可以制造性能更好的产品,建造轻巧优美、坚固韧性、耐久耐用的结构,但这需要科学系统深入的材料研究为基础,需要严谨扎实的结构性能试验、生产施工实践为技术支撑,需要材料工程师、结构工程师和建筑师的通力合作。期望UHPC能够得到国内广大同行的重视,在现有国际研究应用成果的基础上,自主开展系统深入的高水平研究与应用,跟上并超越国际上发展进步的步伐,开发利用UHPC的价值,进一步挖掘UHPC的潜力。

  转载自赵筠:超高性能混凝土(UHPC)的性能和应用简述

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