超高性能混凝土的材料性能

張 宇 鮑小宇 彭曉靜 李晨輝 李 琛

(長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710000)

1 概述

自混凝土發(fā)展以來，因混凝土具有原料豐富，價格低廉，生產工藝簡單，使用方便的特點，使其使用量越來越大，使用范圍越來越廣，成為當代最主要的土木工程材料之一。但是混凝土由于本身自重大，易脆斷，抗拉強度低，處理困難等缺點，使得混凝土在使用過程中容易造成資源浪費，能源消耗，污染環(huán)境等嚴重問題。

為了改善混凝土使用帶來的不利狀況，提高混凝土的材料性能，混凝土的研究有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了高強混凝土，輕骨料混凝土以及聚合物混凝土等等。然而混凝土在大跨結構、橋梁、薄壁結構和高層建筑的應用中仍不占優(yōu)勢。國內外學者進行了大量的研究，提出了超高性能混凝土的概念。超高性能混凝土的抗壓強度達150 MPa以上，自重輕，具有優(yōu)異的耐久性和防腐蝕性，降低了工程造價[1]。

超高性能混凝土具有的顯著優(yōu)點使其研究與應用得到了較快的發(fā)展。

2 材料性能

2.1 抗壓強度

超高性能混凝土的抗壓強度約為普通混凝土的3倍[1]，其強度大小主要與其水膠比，膠凝材料用量，礦物摻合料摻量及鋼纖維摻量有關。

水膠比含量的不同對超高性能混凝土的抗壓強度有明顯影響[2]。朋改非等人[2]測定了質量分數(shù)為0.21～0.24的水膠比含量和低于0.2時的超高性能混凝土抗壓強度。水膠比在質量分數(shù)為0.21～0.24時，其各齡期抗壓強度隨水膠比的增大而遞減。水膠比質量分數(shù)小于0.2時，摻入不同礦物摻合料及不同水膠比的抗壓強度不同，但無論僅摻硅灰(SF)還是SF，F(xiàn)A，GGBS混摻，水膠比在0.18時抗壓強度均達到最大。王軍委等人[3]測定了質量分數(shù)為0.24～0.26的水膠比含量在不同礦物摻合料摻量，不同膠凝材料含量下的超高性能混凝土抗壓強度。養(yǎng)護3 d，7 d，28 d，56 d下，抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的增加而增加，隨水膠比的增大而減小。

膠凝材料摻量對制備超高性能混凝土起到關鍵作用，養(yǎng)護3 d及7 d，超高性能混凝土抗壓強度隨膠凝材料的增加而略有降低。而養(yǎng)護28 d及56 d，超高性能混凝土隨膠凝材料的增加而增大并趨于穩(wěn)定。水膠比一定時，增加膠凝材料摻量可增加混凝土的流動性。

李云峰等人[4]，王斌等人[5]，朋改非等人[2]和王軍委等人[3]通過對硅灰，粉煤灰，礦粉礦物摻合料的不同含量和不同組合，測試了超高性能混凝土的抗壓強度，得出礦物摻合料顯著影響了超高性能混凝土的抗壓強度，單摻，雙摻及三種混摻對抗壓強度的影響不同。單摻硅灰摻量為8%時，抗壓強度達到最大。雙摻硅灰與粉煤灰的早期強度低于基準UHPC強度，后期強度可超過基準UHPC強度，且當硅灰摻量為10%，粉煤灰摻量為20%時，超高性能混凝土的抗壓強度最高。雙摻硅灰與礦粉的后期強度可超過基準UHPC強度，且在礦粉摻量不變時，硅灰摻量增加使超高性能混凝土早期強度增加。硅灰，粉煤灰，礦粉三種混摻時，總摻量在30%～50%時，硅灰含量在8%～10%時，抗壓強度較高。

鋼纖維的加入能改善混凝土的脆性，提高混凝土的韌性。當鋼纖維含量從0.5%增加到2.5%時，超高性能混凝土的立方體抗壓強度可提高7.64%～25.69%[6]。建議最優(yōu)鋼纖維摻量為1%。

2.2 抗拉強度

由于混凝土材料的抗壓強度很高，抗拉強度低的特點，使其在外荷載作用時表現(xiàn)出受壓不受拉的現(xiàn)象，混凝土構件在實際工程中也常常搭配鋼筋來抵抗拉力。杜任遠等人利用軸拉試驗，抗折試驗和劈裂試驗測定了超高性能混凝土在不同鋼纖維摻量下的抗拉強度值[7]。超高性能混凝土在不摻鋼纖維時，其抗拉強度是普通混凝土的3倍。摻入鋼纖維后，超高性能混凝土的抗拉強度顯著提高，遠遠大于普通混凝土。較高的抗拉強度使得超高性能混凝土在應用中可以有效地阻止裂縫的發(fā)生與蔓延，確保混凝土構件的強度與穩(wěn)定。而且超高性能混凝土擁有極強的拉伸韌性，其極限拉應變可達3%～4%，有較強的裂縫控制能力[8]。

2.3 軸壓應力—應變曲線

混凝土的軸壓應力—應變曲線可以反映混凝土的塑性、脆性與強度。王勇威等人[9]，柯曉軍等人[10]測定了高強高性能混凝土在軸向壓力作用下的應力—應變曲線，發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土軸心抗壓強度與峰值應變隨混凝土抗壓強度的提高而增大，其峰值應變可達2 500 με，軸壓強度與抗壓強度比為0.85，甚至更高。但是超高性能混凝土的極限應變卻在降低，維持在3 000 με左右。

泊松比隨混凝土強度等級的提高而增大，均值為0.211，與普通混凝土泊松比相差不大[10]。

彈性模量與單純高強度混凝土彈性模量相近，但是無法得出超高性能混凝土的變化原理[11]。

2.4 耐久性

耐久性是衡量混凝土性能的一項重要指標。超高性能混凝土有著低水膠比和高礦物摻合量，毛細孔較少，密實性較高。Narald S.Müller[12]與劉娟紅等人[13]通過混凝土耐久性試驗，發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土表現(xiàn)出明顯致密的微觀結構，總孔隙率相較水泥石，高性能混凝土低很多，其較低的毛細孔隙率使得有害介質很難侵入其中。超高性能混凝土孔隙率小，密實性高，有較好的抗碳化性能、抗?jié)B性與抗凍性可以有效抑制堿骨料反應。超高性能混凝土在腐蝕環(huán)境下質量損失很低，抗氯離子腐蝕較強，其氯離子擴散系數(shù)只有10-9cm2/s數(shù)量級。

3 研究方向

超高性能混凝土研究應該響應新時代經(jīng)濟，綠色，節(jié)能的理念，結合現(xiàn)階段發(fā)展歷程，它還有以下研究方向：

1)制備超高性能混凝土需要的鋼纖維和礦物摻合料用量較大，成本較高。未來應該充分利用工業(yè)廢渣和其他高韌性纖維作為替代品，既滿足強度與耐久性要求，又有一定的經(jīng)濟性。

2)超高性能混凝土制備工藝較為復雜，精細，且需要高溫高壓蒸汽養(yǎng)護。能源消耗較高，難以推廣應用。應研究利用簡單工藝，制備出滿足要求的商品超高性能混凝土。

3)超高性能混凝土的力學性能、強度發(fā)展規(guī)律及其影響因素研究還未定論，仍需要繼續(xù)研究，得出一套理論體系。

4)需要制定出超高性能混凝土制備，設計與施工規(guī)范，滿足其材料性能與應用要求。

4 結語

超高性能混凝土自誕生至今，已有20年的發(fā)展歷程。它的材料配合比，制備工藝，材料性能和微觀機理等都進行了大量的研究，在實際應用中也取得了不錯的成績。超高性能混凝土的主要性能有以下幾個方面：

1)超高性能混凝土相比普通混凝土擁有較高的抗壓強度和抗拉強度。

2)超高性能混凝土具有良好的裂縫控制能力，鋼纖維的摻入極大改善了超高性能混凝土的韌性。

3)超高性能混凝土擁有致密的微觀結構，水膠比很低，耐久性優(yōu)良。