超高性能混凝土國內(nèi)進(jìn)展及性能試驗研究

史曉婉

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司,上海 200080；2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能工程技術(shù)研究中心,上海 201114)

隨著科技的快速發(fā)展,土木行業(yè)也迎來了一次又一次的跨越。混凝土強度越來越高,繼高強、高性能混凝土之后,超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)應(yīng)運而生。超高性能混凝土以其超高力學(xué)性能、超高耐久性和優(yōu)良的耐磨和抗爆性能及抗沖擊性能等特點,可以有效減小結(jié)構(gòu)自重,在越來越多的工程中得到應(yīng)用。本文將從力學(xué)性能方面對當(dāng)前超高性能混凝土技術(shù)的研究成果進(jìn)行簡要綜述,并對今后的研究方向進(jìn)行探討。

1 我國UHPC發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1994年,De.Larrard[1]等首次提出“超高性能混凝土(UHPC)”的概念。超高性能混凝土一般為抗壓強度不低于150MPa,水膠比小于0.25,含有較高比例的微細(xì)短鋼纖維的增強材料,由最大堆積密度理論組成的最佳比例的不同粒徑顆粒,并加入高效減水劑等的水泥基結(jié)構(gòu)工程材料。

我國對UHPC的研究起步較晚,較早研究UHPC的是湖南大學(xué)的黃政宇[2]教授,通過硅酸鹽水泥硅灰、高效減水劑,體積含量為6%短鋼纖維,熱水養(yǎng)護(hù)條件下配制出強度超過200Mpa的超高強混凝土。隨后北京交通大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)等高校陸續(xù)開始UHPC分別配合比、礦物摻合料、養(yǎng)護(hù)制度等對其力學(xué)性能影響以及微觀結(jié)構(gòu)下UHPC的增韌機(jī)理等方面的研究。

覃維祖[3]等提出了超高性能活性粉末混凝土,即在RPC的基礎(chǔ)上摻入了短鋼纖維。RPC的制備采取去除粗骨料、優(yōu)化顆粒級配并且熱養(yǎng)護(hù),在此基礎(chǔ)制備出的混凝土比普通混凝土的勻質(zhì)性更好,密實度更高,且改善了微觀結(jié)構(gòu),可達(dá)到較高的抗壓強度,但僅僅這三條措施不足以獲得足夠韌性和延性,而鋼纖維的加入明顯改善了其抗彎拉強度。

劉斯鳳[4]等人結(jié)合我國國情,研究天然細(xì)骨料和外摻料代替石英粉和硅灰配制的超高性能混凝土,測試其在不同養(yǎng)護(hù)制度下的力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律,最高強度達(dá)200MPa,抗折強度達(dá)50MPa,并在市政井蓋上應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

閻培渝[5]介紹了UHPC的特性、優(yōu)缺點和適用對象,闡述了UHPC的配制原理,提到鋼管與UHPC的結(jié)合強度和延性進(jìn)一步提高,UHPC的流動性優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土,利于灌注,更加經(jīng)濟(jì)適用。這是UHPC的進(jìn)一步應(yīng)用,鋼管與UHPC結(jié)合,完全可以取代純鋼結(jié)構(gòu),鋼管的延性和剛度都遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土,而UHPC優(yōu)于普通混凝土又接近鋼材,兩者結(jié)合可以大幅降低純鋼結(jié)構(gòu)的造價,但鋼管UHPC對UHPC的流動性要求更高。

黃政宇、曹方良[6]對比實驗研究了納米CaCO3和納米SiO2及養(yǎng)護(hù)制度對UHPC強度的影響,并對摻納米材料的UHPC進(jìn)行了微觀形貌分析。納米材料的微粒填充效應(yīng)增加了混凝土的粘聚性,從而降低UHPC的流動性,兩者都提高UHPC的抗折強度以及韌性,相對于NC,NS的加入對抗壓強度影響較小,選擇熱水養(yǎng)護(hù)對強度的提高作用明顯,并從微觀方面解釋了納米材料對UHPC的增韌機(jī)理。但納米材料的價格因素,以及納米材料作為摻合料加入UHPC中的分散問題如何解決,都是制約其在UHPC實際工程中運用的難點。

史才軍[7]等通過材料組成對UHPC的影響,分別對水膠比、硅灰摻量、石英粉摻量、砂灰比摻量以及減水劑摻量進(jìn)行了正交試驗,測試其組成對UHPC的流動性以及力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果表明,其中,在保證流動性的前提下,降低水膠比可提高試件強度；硅灰與高效減水劑的協(xié)同作用可以更好的提高UHPC的流動性,而硅灰的摻量對試件的抗壓強度影響效果不顯著；石英石的加入可以在一定程度上改善基體與骨料界面區(qū)的結(jié)構(gòu),可以小范圍增大UHPC的強度,確定了砂灰比和減水劑的最佳摻量40%和2.5%。

張浩等[8]基于最緊堆積密度理論設(shè)計出了UHPFRCC(超高性能水泥基纖維增強復(fù)合材料)的優(yōu)選配合比,并研究混雜纖維(鋼-POM,鋼-PVA)對UHPFRCC流動度、抗壓強度及抗折強度,與基準(zhǔn)超高性能混凝土相比,鋼-合成纖維的加入降低UHPFRCC的流動度,抗壓強度與抗折強度相對于基準(zhǔn)超高性能混凝土升高,混雜纖維增加其中合成纖維的含量,抗壓強度成上升趨勢,而抗折強度下降,但低均于僅摻2%的長鋼纖維超高性能混凝土,且相同合成纖維替代率情況下,抗折強度摻PVA纖維時高于摻POM纖維。

馮乃謙、葉浩文[9]等2018年在UHPC和SCC的基礎(chǔ)上配制出UHP-SCC,即超高性能自密實混凝土,其中加入了天然沸石粉,作為一種增稠劑及自養(yǎng)護(hù)劑和減水劑的載體,使砂漿強度更加粘稠,混凝土凝結(jié)硬化的過程中緩慢釋放自由水,供水泥水化,并抑制其收縮開裂。在廣州東塔施工過程中進(jìn)行了泵送試驗,將C120 UHP-SCC泵送至510m的高度,并測試了其性能。

2 UHPC的配制原理及性能優(yōu)點

2.1 配制原理

UHPC不同于傳統(tǒng)混凝土,其需要低水膠比,在保證混凝土拌合物具有足夠和易性的前提下,剔除粗骨料,加入高效減水劑和超細(xì)活性粉末,盡量減少用水量,從而降低水膠比,并摻入纖維來增加其韌性。

最大堆積密度理論：UHPC的設(shè)計理論是最大堆積密度理論,即膠凝材料的顆粒堆積能夠達(dá)到最大密實度或最小的孔隙率,粒徑分布達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),即毫米級顆粒堆積的間隙由微米級顆粒填充,微米級堆積的間隙由亞微米級或納米級顆粒填充。

纖維增強機(jī)理：混凝土纖維增強機(jī)理研究現(xiàn)階段為止主要有復(fù)合力學(xué)理論和纖維間距理論。復(fù)合力學(xué)理論主要是將纖維混凝土中看作纖維和混凝土基體兩相的材質(zhì),其中假定纖維連續(xù)且均勻的分布在混凝土中,纖維排列與受力方向一致；纖維與機(jī)體的受力同時無相對滑移；纖維與混凝土變形在彈性范圍內(nèi)。纖維間距理論則認(rèn)為,纖維混凝土的抗裂強度與纖維的間距有關(guān),纖維間距取決于纖維的體積率和纖維直徑。基于這兩種理論,基體強度、纖維的體積率、纖維的長徑比、纖維與基體的粘結(jié)強度等決定了纖維增強效果。

UHPC的水灰比很低,活性粉末的加入提高了界面的粘結(jié)強度,使得鋼纖維與混凝土的界面薄弱區(qū)得到了改善,從而形成了鋼纖維與活性粉末復(fù)合增強效果,進(jìn)而提高了混凝土的抗拉強度和韌性。

2.2 UHPC性能優(yōu)點

UHPC不同于高強混凝土,不是單純的在超高強混凝土的基礎(chǔ)上的強化,而是整體性能的提升。UHPC去除了粗骨料,且減少了鋼筋的重量,因此結(jié)構(gòu)的自重變輕,可以給結(jié)構(gòu)更多自由設(shè)計空間,且有較高的韌性、耐久性,符合綠色建造和可持續(xù)發(fā)展的要求。

UHPC的超高韌性表現(xiàn)在其超高的裂縫控制能力上,極限拉應(yīng)變高達(dá)3%,且其優(yōu)異的裂縫無害化分散能力可以使得裂縫的逢高比達(dá)0.5[10]。鋼纖維的摻入提高了UHPC的抗裂性能,從而提高了構(gòu)件的承載力和延性,延緩了構(gòu)件的破壞。

UHPC基于最大堆積密度理論,剔除了粗骨料,優(yōu)化細(xì)骨料級配,使骨料更加均勻,摻入的硅粉、粉煤灰等超細(xì)活性粉末,對孔隙起到填充效果,使其密實度更高,滲透性很低,幾乎無滲透、無碳化,且具有良好的抗腐蝕、抗凍融、耐高溫和抗沖磨性能,因此UHPC具有優(yōu)異的耐久性能,可大幅提高結(jié)構(gòu)的使用壽命,降低維修費用。

3 鋼纖維形狀及硅灰摻量對UHPC性能的影響研究

基于國內(nèi)現(xiàn)有對UHPC性能的研究,筆者通過兩個因素即鋼纖維形狀和硅灰摻量對UHPC展開了初步的試驗研究。

原材料：選用P.Ⅱ52.5型水泥,天愷微硅粉,13mm的微絲端鉤型鋼纖維(長徑比60)與7mm微絲直線型鋼纖維(長徑比57),BASF高效減水劑。

3.1 鋼纖維的形狀對UHPC工作性的影響研究；

鋼纖維摻量為25%,測試不同水灰比和鋼纖維形狀對UHPC流動性影響,配比見表1。

表1 UHPC不同鋼纖維形狀配合比

其流動度的測試結(jié)果見圖1。

圖1可看出,隨著水膠比的增大,流動度也有一定幅度的改善,但是明顯小于鋼纖維的形狀對流動度影響。原因有兩點：1、端鉤型鋼纖維的長度大于直線型鋼纖維,長度會直接影響混凝土穿過間隙的能力。2、端鉤型鋼纖維的端部對漿體有更強的粘結(jié)力,降低其流動度,但可防止離析。

端鉤形鋼纖維可加大UHPC的密實性,且增加其抗裂性能,對比直線型微絲鋼纖維,端鉤型鋼纖維在UHPC力學(xué)性能的提高上面有更大的優(yōu)勢。

3.2 硅灰摻量對UHPC力學(xué)性能的影響研究。

選擇摻入25%的端鉤型鋼纖維,測試不同硅灰摻量對UHPC的性能影響。試驗配合比見表2,分別測試1d抗折強度與抗壓強度,28天抗折強度與抗壓強度,試驗結(jié)果對比見圖3,圖4。

表2 不同硅灰摻量UHPC配合比

測試結(jié)果如表3。

表3 不同硅灰摻量UHPC測試結(jié)果

圖2 不同硅灰摻量UHPC抗壓強度

圖3 不同硅灰摻量UHPC抗折強度

圖2可以看出,隨著硅灰含量的提高,UHPC的抗壓強度先提高,而后并無顯著提高,圖3可看出,抗折強度在硅灰含量為5%最高,之后呈緩慢下降趨勢,硅灰含量在一定范圍內(nèi)對UHPC的力學(xué)性能有提高,但是過量的硅灰對UHPC性能并不會有太大提升,這是由于,硅灰的粒徑很小,比表面積很大,加入硅灰后,硅灰的微珠效應(yīng)可以填滿漿體中的孔隙,增加漿體的密實性,與高效減水劑協(xié)同作用,從而改善UHPC的各項性能,但效果有限,因此,實際工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合成本,保證流動性和強度的同時,盡量降低硅灰摻量,從而降低工程費用。

筆者通過試驗對鋼纖維形狀及硅灰摻量對UHPC進(jìn)行了初步的探索,但數(shù)據(jù)有限,今后還有更多研究空間,希望這些數(shù)據(jù)能夠給今后的研究人員以經(jīng)驗參考。

4 結(jié)語

盡管超高性能混凝土已經(jīng)在國際上許多實際工程中應(yīng)用,如裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件、大型基礎(chǔ)設(shè)施的屋蓋、輕型屋面、橋梁工程以及核電站的冷卻塔等等,但是其每立方幾千甚至到幾萬元超過普通混凝土幾十倍的價格,且UHPC較高的施工條件和技術(shù)要求,制約了其在國內(nèi)工程的普及,國內(nèi)在高鐵、國防等特殊工程已有應(yīng)用,但在其他工程應(yīng)用較少。

目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范作為支撐,法國、日本、美國等已經(jīng)出了相應(yīng)的指南,我國希望國內(nèi)能夠盡早出臺相應(yīng)的指南或規(guī)范,目前已經(jīng)有國家標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015),UHPC的相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)也正在制訂中,相信隨著國內(nèi)學(xué)者和工程單位的研究應(yīng)用,UHPC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也會更加完善,今后UHPC應(yīng)用也會得到較快和長遠(yuǎn)的發(fā)展。