超高性能混凝土在建筑工程中的研究和應(yīng)用

余華

摘? ?要：文章結(jié)合超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)的研究背景，分析了超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)建筑工程方面的研究現(xiàn)狀，并探討其在中國(guó)的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土;力學(xué)性能;應(yīng)用

超高性能混凝土是當(dāng)代新型水泥基材料，在諸多方面有著卓越的優(yōu)勢(shì)。超高性能混凝土這一產(chǎn)物自出現(xiàn)至今，與其相關(guān)的研究成了國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)，在原材料、生產(chǎn)工藝等多個(gè)方面都有深入的探索及創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)針對(duì)超高性能混凝土的研究較落后于部分發(fā)達(dá)國(guó)家，但現(xiàn)下也對(duì)超高性能混凝土有了一定的重視，并在工程施工中有了廣泛的應(yīng)用。

1? ? 超高性能混凝土的研究背景

混凝土誕生至今，因其能耗低、生產(chǎn)原料易獲取、生產(chǎn)成本小、生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在土木工程建設(shè)中有非常廣泛的應(yīng)用。混凝土較磚石等有更好的防火性能與耐久性，且適應(yīng)性更強(qiáng)，是國(guó)際上建筑工程建設(shè)中用量最大的材料。但混凝土也有一些缺陷，嚴(yán)重阻礙了其使用范圍的擴(kuò)展，如自重大、抗拉強(qiáng)度低等問(wèn)題，加大了能源消耗，并不利于環(huán)境保護(hù)的效果。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得環(huán)保概念在土木工程建設(shè)行業(yè)上有了廣泛的傳播，工程施工也對(duì)混凝土的質(zhì)量與性能有了更高的要求，針對(duì)高強(qiáng)度混凝土的研究成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。國(guó)際專(zhuān)家們經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，于20世紀(jì)末提出了超高性能混凝土的概念。隨著該理論的不斷完善改進(jìn)，當(dāng)代超高性能混凝土在韌性、耐久性、抗腐蝕等多個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)超過(guò)普通混凝土，以其自修復(fù)功能、抗斷裂性能等特點(diǎn)，在土木工程里得到了重視與廣泛使用，并有效降低了生產(chǎn)成本與工程造價(jià)。但在實(shí)際使用中，超高性能混凝土自身也存在缺陷，如生產(chǎn)工藝復(fù)雜、澆筑尺寸穩(wěn)定性易受影響等，導(dǎo)致超高性能混凝土的應(yīng)用范圍受到限制。國(guó)內(nèi)對(duì)于超高性能混凝土的研究要晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，研究水平略顯落后，應(yīng)用方面還不成熟，但國(guó)內(nèi)對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能等方面的研究給予較多的重視，在未來(lái)會(huì)有更深入、更成熟的研究成果，其應(yīng)用領(lǐng)域也必將有所擴(kuò)展[1]。

2? ? 超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

2.1? 原材料方面

超高性能混凝土的研究過(guò)程中，研究者大多傾向于使用鋼纖維等材料來(lái)加強(qiáng)產(chǎn)物的強(qiáng)度，并使用稻殼灰等作為生產(chǎn)超高性能混凝土的替代材料，來(lái)降低水泥等材料的使用量，并采取各種方式來(lái)降低生產(chǎn)成本、提升環(huán)保效果，使超高性能混凝土能更好地應(yīng)用于土木工程建設(shè)中。

謝友均等將水泥、硅灰、超細(xì)粉煤灰作為材料，在一定條件下提高了產(chǎn)物的強(qiáng)度，最終制備的超高性能混凝土的抗塔強(qiáng)度在250 MPa左右，抗折強(qiáng)度也高達(dá)45 MPa。

胡曙光等利用鋼渣粉與水泥、天然細(xì)沙、超細(xì)粉煤灰、硅灰作為原材料，經(jīng)熱水養(yǎng)護(hù)的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到了152 MPa 。

鄧宗才等在制備超高性能混凝土的過(guò)程中，剔除硅灰后再進(jìn)行生產(chǎn)，其產(chǎn)物有更高的流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度。

在研究過(guò)程中，如需提升混凝土的強(qiáng)度，就要在制備工藝上添加熱養(yǎng)護(hù)工序，而熱養(yǎng)護(hù)工作會(huì)導(dǎo)致超高性能混凝土的應(yīng)用范圍嚴(yán)重受到限制，只能在預(yù)制構(gòu)件領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮作用。國(guó)內(nèi)近期對(duì)超高性能混凝土的研究，已經(jīng)能克服這個(gè)缺點(diǎn)。

超高性能混凝土的生產(chǎn)過(guò)程因有能源的消耗，會(huì)造成一定的環(huán)境污染等負(fù)面作用。Zhao等將鐵礦石殘?jiān)厥绽米鳛樯a(chǎn)混凝土的材料，當(dāng)鐵礦石殘?jiān)鼡搅勘壤刂圃谝欢ǚ秶鷷r(shí)，生產(chǎn)的超高性能混凝土在抗折強(qiáng)度上有一定提升。

2.2? 抗拉強(qiáng)度

混凝土材料普遍具有抗壓性能強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度低的問(wèn)題，而抗拉強(qiáng)度在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的作用不大，且抗拉強(qiáng)度測(cè)試的實(shí)現(xiàn)難度偏大，導(dǎo)致在對(duì)混凝土的生產(chǎn)研究中未對(duì)其抗拉強(qiáng)度有過(guò)重視。但超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度要更勝于普通混凝土，能在建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮顯著的作用，使得超高性能混凝土抗拉強(qiáng)度相關(guān)的課題成了研究工作的重點(diǎn)之一。當(dāng)下國(guó)內(nèi)針對(duì)超高性能混凝土抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方法主要還是沿襲了普通混凝土的測(cè)試手段，即軸拉試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)。研究結(jié)果中超高性能混凝土在軸拉強(qiáng)度測(cè)試上有良好的表現(xiàn)，在彎拉強(qiáng)度測(cè)試中表現(xiàn)略低于前兩者，在裂縫控制方面有較高的性能。

2.3? 抗壓強(qiáng)度

柯曉軍等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土與普通混凝土相較，前者更不易受尺寸效應(yīng)的影響，有更大的彈性模量。在超高性能混凝土的制備生產(chǎn)環(huán)節(jié)加入鋼渣粉等材料，并結(jié)合熱養(yǎng)護(hù)等工藝，能提升產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度。鋼纖維的使用能提高混凝土的抗折強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，而聚丙烯纖維材料在混凝土抗折強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度方面的表現(xiàn)不佳。

2.4? 軸壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線

柯曉軍等對(duì)于超高性能混凝土軸壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度越高，軸心抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變?cè)酱螅逯祽?yīng)變是隨超高性能混凝土強(qiáng)度的變化而變化的，要高于普通混凝土。超高性能混凝土的極限應(yīng)變與強(qiáng)度等級(jí)成反比，強(qiáng)度等級(jí)越高，則極限應(yīng)變?cè)降停陀谄胀ɑ炷痢?/p>

2.5? 耐久性能

劉娟紅等在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土有很強(qiáng)的抗碳化、抗?jié)B透性能力。凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，超高性能混凝土質(zhì)量損失在1%以下，能滿足寒冷區(qū)域?qū)τ诨炷量箖鲂阅艿男枨蟆３咝阅芑炷恋目追植季鶆颍谀途眯苑矫嬉糜谄胀ɑ炷痢３咝阅芑炷吝€能抑制鋼筋銹蝕，延伸混凝土的使用期限。在加速銹蝕條件下的試驗(yàn)中，超高性能混凝土質(zhì)量損失非常小，銹蝕只影響混凝土的表面[2]。

2.6? 抗疲勞性能

循環(huán)壽命比的增加，使超高性能混凝土疲勞后剩余抗壓強(qiáng)度的衰減率降低，衰減速度增加。超高性能混凝土的生產(chǎn)階段如加入鋼纖維材料，能大幅度提高產(chǎn)品的抗疲勞性能。

2.7? 韌性

超高性能混凝土的制備階段如不使用鋼纖維，則產(chǎn)品的強(qiáng)度越大，其拉壓比和折壓比越小。超高性能混凝土在受到外力作用時(shí)，其脆性比普通混凝土更大。鋼纖維的摻入與鋼纖維的形狀都會(huì)影響超高性能混凝土的韌性。摻入鋼纖維后，超高性能混凝土在韌性方面的能力較普通混凝土更強(qiáng)。