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超高性能混凝土(UHPC)知识问答

来源:http://www.gjljd.com 作者:中德新亚-建材 发布时间:2021-09-09

1、超高性能混凝土有明确的定义吗?

有,且比较清晰明确,但还没有形成国际上 统一的定义。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),因为一般需掺入短切钢纤维或聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance 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, 较有代表性的定义和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。

2、超高性能混凝土与活性粉末混凝土有什么差异?

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, 简称RPC)是UHPC中的一个产品名称。

商业化生产供应的UHPC产品均为专利配方产品,有独自的名称或商标。最早的UHPC专利是丹麦H.H. Bache在1979年申请的,20世纪80 年代他所在公司注册商业化产品商标为Densit®, 至今仍由Densit公司使用和营销。到上世纪90年代,法国出现多个UHPC产品品牌,包括RPC、 Ductal、BSI、CEMTEC、BCV等,其中Ductal® 是拉 法基公司的产品商标,RPC则是Bouygues公司产 品名称。

有关RPC的研发、性能介绍和宣传较多,知名度相对较高。1999年清华大学教授覃维祖等 发表文章“一种超高性能混凝土-活性粉末混凝 土”,最早以“活性粉末混凝土(RPC)”名称介绍 UHPC,并与其研究生曹峰进行试验研究,实现了 RPC相同的力学性质;北京科技大学教授刘娟红和北京建筑大学教授宋少民在2013出版编著的 《活性粉末混凝土》中系统介绍了国内外有关研 究成果;2015年我国颁布了RPC的国标《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)。目前,RPC在中国还与UHPC并列使用。

1994年法国学者De Larrard等将这类新材料称作UHPC(超高性能混凝土),由于该名称没 有商业色彩,而且能更好地表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能,在国际上逐步被广泛接受 和采用。其中,“超高性能”表达的是混凝土(或水泥基复合材料)同时具备“超高强”、“高韧性 “和“高耐久性”等优良性能特征,与“高性能混凝土(HPC)”内涵范围不同。因此,UHPC并不是 HPC的延伸或高强化,而是具有新本构关系和结构寿命的水泥基工程材料。

3、超高性能混凝土到底是混凝土还是砂浆?

传统上,混凝土和砂浆是以最大骨料粒径来划分的。最大骨料粒径超过5mm(或4.75mm)即含有粗骨料,是混凝土,否则是砂浆。有的UHPC 使用粗骨料,有的不使用粗骨料,所以UHPC既可以是混凝土,也可以是砂浆。但是从广义上说,我国普遍称之为混凝土骨料的aggregate(亦译成集料)除砂石等粗、细骨料外,还可以是各种纤维和例如加气混凝土中的气泡等,所以把砂浆叫做混凝土,并无可非议。

最早的UHPC(丹麦Densit®)最大骨料粒径 16mm。法国研发RPC时提出,为了提高材料的匀质性,不使用粗骨料,所使用细骨料的最大粒径小于0.6mm。但是,使用粗骨料的UHPC在某些方面性能更好,如收缩小、耐磨性好等,而且搅拌的均匀性也更好。目前实际应用的UHPC,最大骨料粒径大多在2mm~8mm。应根据UHPC用途、成本或特殊性能要求,确定UHPC适宜的最大骨料 粒径。

4、超高性能混凝土具有什么性能特点?

UHPC的性能特点可以用“超高强、高韧性和 高耐久性”来概括。

“超高强”指UHPC可实现水泥基材料强度 (抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击等强度)跨越式的提高,更重要的是UHPC能够有效利用 钢纤维的强度及其与胶凝材料浆体的紧密粘接来实现拉伸的“应变硬化”行为(如图1所示,类似钢材的“屈服”),有较大的变形能力;钢纤维体积掺量1%~2%的UHPC就能跨入韧性材料的行列(见表1,断裂能超过1000N/m的材料被划分为韧性材料)。UHPC可大幅度提高钢在混凝 土中的强度利用效率,形成混凝土、钢纤维、钢筋更加协调的钢-混凝土复合的新模式,实现混凝土结构的轻质高强和高韧性。此外,还可制备具有优良耐磨、抗冲击、抗爆和耐高温等性能的UHPC。

在无裂缝的状态下,UHPC的气体、液体渗透性非常低;而在高应变和微裂缝状态下,UHPC的渗透性也能够保持在很低的水平,而微裂缝还具备良好的自愈合能力,因此UHPC结构拥有高耐久性的潜力,已得到迄今15年恶劣环境暴露试验的证实。UHPC的耐久、耐候性能远远超越其他结构工程材料(钢材、铝材、塑料等)。

5、超高性能混凝土的强度比钢材强度还高吗?

没有。UHPC是纤维增强增韧的水泥基复合材料,还可以进一步用钢筋增强。与其他材料相比,需要明确UHPC的增强增韧状态:

● 混凝土材料的抗拉强度与抗压强度的比值 (以下简称拉压比)随其抗压强度的增长而几乎呈直线下降。C10混凝土拉压比约为1/10,C80的则可下降到约1/18。UHPC基体(未掺用钢纤维 时)即超高强混凝土,脆性非常大(因材料抗拉 强度/抗压强度比值很低而使构件延性比很低), 无法与韧性材料如钢材相比。

● 随钢纤维强度提高、掺量增大和尺寸、形状优化,以及基体强度的提高,UHPC成为韧性 或高韧性材料,抗拉强度大幅度提高(远远高于其他的各种水泥基材料,如图1所示),但比钢材抗拉强度还是要低约一个数量级(见表1 中对比)。

● 钢筋增强UHPC(也被称作CRC、HRUHPC 或R-UHPFRC),以及预应力高强钢筋UHPC的抗拉、抗弯强度可比传统高强钢筋混凝土的高出2个数量级,比较接近高强韧性钢材的强度(见表1 和图2中对比)。需要注意的是,UHPC作为复合材料或结构达到如此高强度,依靠的是钢材—钢纤维和钢筋的强度,因此,UHPC的本征强度不可能超过钢材。

与钢材相比,UHPC在强度方面并没有优势, 其优势主要是与传统的钢筋混凝土或钢纤维增强的钢筋混凝土相比,因表观密度(容重)相对较低,使构件比强度(强度/质量比)和比刚度(刚 度/质量比)可以达到并超过钢材的水平(见表1中对比),而且因具有一定的应变硬化的能力,可大大提高构件的延性比,适合建造轻质高强、高韧性的结构。

6、超高性能混凝土的最高强度有多少?

目前,研究报告所获得的最高抗压强度是 810MPa(即RPC800,使用短钢纤维和钢骨料, 50MPa压力压制成型试件,并采用250℃~400℃高温高压养护)。

UHPC获得超高强度的先决条件是获得高 密实度的基体混凝土(或砂浆)。按照丹麦H.H. Bache发展的DSP(Densified System with ultrafine 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,可以实现胶凝材料体系颗粒堆积致密化和非常低水胶比,从而使UHPC基体混凝土或砂浆具备 超高抗压强度。使用优化的钢纤维提高抗压、 抗拉强度和韧性。依靠机械性压力压实,采用常压或高压热养护,可以进一步提高UHPC密实度和强度。

如 今,常用 UHPC 抗压强度在 1 5 0 MPa ~250MPa范围。在此范围,采用常规的强制式搅 拌、密实方法(自密实或振动)成型和养护(常温保湿或常压蒸汽养护),就能够进行现浇和预制应用。UHPC的抗压强度通常只有质量指标的意 义,因为在结构应用中,主要关注的是UHPC抗拉或抗弯强度以及应变硬化。需要根据应用场合, 选用适宜的纤维品种和掺量,实现要求的UHPC 抗拉或抗弯强度;配置钢筋或预应力技术,实现 UHPC结构的轻质高强。

7、超高性能混凝土现在有哪些工程应用?应用的目的?

在世界范围,UHPC已经有很多工程应用, 包括:

● 桥梁:人行天桥(1997年最早的UHPC结构 应用)、公路和铁路桥的多种桥梁结构,用于提 高桥梁跨径或减小桥梁高/跨比、实现桥梁快速施工和提高桥梁耐久性与寿命。

● 桥面板:解决桥面板受冻融和除冰盐作用劣化快的难题,提高耐久性、快速施工。

● 结构连接:预制混凝土桥面板、风电钢塔筒等灌缝连接,实现高强度结构连接。

● 维修加固:桥梁和建筑的梁板柱、灯塔、道路路面、水工冲磨结构等,用于结构保护、功能恢复,或结构加固、提高结构承载能力,延长结构使用寿命。

● 房屋建筑:薄壁阳台与楼梯、镂空幕墙等, 用于轻巧美观结构,或承载、功能和装饰一体的结构。

● 污水设施:污水管道、污水处理厂设施,降低维护维修费用,提高使用寿命或替代不锈钢降 低建造成本。

● 街具、家具:城市雕塑、街具、家具等,造型优美、耐久耐用。

● 盖板:高铁电缆沟盖板(中国的主 要应 用),减小重量、高耐久性。

● 某些替代铸铁铸钢产品:钻孔桩钻头、检查井盖、雨水篦子等,降低成本、提高使用寿命。

● 抗爆、抗侵入结构:军事工程、银行金库等,提高安全性等等。

8、超高性能混凝土结构的优缺点有哪些?

与高强和高性能混凝土(HSC/HPC)结构对比:从表观密度比较,UHPC的稍高。UHPC似乎 不能算是“轻质材料”。然而,在力学性能方面, UHPC大幅度超越了HSC/HPC,从强度/质量比 (比强度)和刚度/质量比(比刚度)以及可建造 的轻质高强结构来分析对比,UHPC应归入“轻 质高强”材料。UHPC适合于建造“细、薄、巧、 轻”的混凝土结构,改变了混凝土结构“肥梁胖 柱”的面貌。在耐久性方面,UHPC也比HPC有了长足的进步。从理论上和目前试验结果分析, 在大多数恶劣自然环境中,UHPC的结构寿命预 期是HPC结构寿命的至少2倍以上。在海洋环境中,UHPC结构的工作寿命超过200年是完全可能的。

与钢结构对比:在比强度和比刚度上,钢筋 UHPC(CRC、HRUHPC或R-UHPFRC)梁能够达到钢梁的水平(参考表1和图2)。在耐久与耐火性 能方面,UHPC结构则具有显著优势。

UHPC结构的缺点:UHPC材料制备成本相对 较高,结构设计和施工相对复杂,目前应用技术 发展的成熟程度还较低。在性能上,相应于很高的抗压强度,UHPC的弹性模量与钢材的相差很远,碳素钢的弹性模量约为210GPa,而UHPC弹性模量只有50GPa~60GPa。此外,必须要注意到很低的水胶比造成较大的自收缩。现在已有人在研究解决此问题的技术。


9、超高性能混凝土容易配制吗?

配制出UHPC不难,但工业化生产制备性能优良、稳定的UHPC并不容易。

UHPC制备理论经历了近40年发展,已经比较成熟,遵循的基本原则是使基体密实度最大化。现在,配制UHPC的技术途径和使用材料呈现多样化发展,除了水泥和硅灰外,应用或研究的矿物原材料包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米碳管、磨细或分选超细粉煤灰、超细矿粉、超细水泥、稻壳灰、偏高岭土、石英 粉、玻璃粉,等等。因为原材料质量和性能要求较高、原材料种类增多以及使用纤维等,UHPC材料性能的影响因素多元和复杂,增加了生产质量控制的难度。

10、超高性能混凝土工程应用的瓶颈在哪?会广泛应用吗?

瓶颈在于还比较缺乏设计方法和规范,缺乏施工经验以及材料成本较高。

作为新型工程结构材料,需要新建立UHPC 的本构关系、设计方法和规范,作为应用的指导。至今,许多国家“设计规范”的瓶颈正逐步 被突破,法国、日本和韩国已有UHPC设计指南可以作为结构设计依据,有些国家和国际组织 (fib、ACI等)的规范或指南已经在起草或完善阶段。现浇施工、构件与产品预制技术,相关专 用生产、施工设备或机具,还处于开发或改进完善阶段。随着应用增多,预计施工与装备技术会快速进步。

在UHPC的材料成本构成中,钢纤维所占的比重最大,达到UHPC总材料成本的一半以上;基体材料包括胶凝材料(水泥、硅灰等)、减水剂和骨料则属于通用的优质材料,虽需要“精挑细选”,成本也高,但高得有限。因此,提高纤 维的增强增韧效率,是降低UHPC材料成本的 关键。现在UHPC应用规模较小,也是其成本较高的原因。随着应用规模的增大,UHPC的原材料,特别是纤维的大规模工业化生产和充分的市场竞争,价格有望显著降低,使UHPC的成本降低。

与普通、高强 / 高性能混凝土相比,由于 UHPC制备、施工技术的复杂性和较高的成本,决定了UHPC不会是普遍适用的工程材料,而是现代工程材料的有益补充,是用于解决工程中遇到的难题,建造性能更好、更美观的工程结构。然而,UHPC的价值和潜力,现在还远远没有得到 充分挖掘和有效利用,还面临巨大的发展空间。UHPC的价值将体现在:

● 用于创新轻质高强韧性混凝土结构;在一些场合,降低结构或工程的综合建造成本;

● 建造超高耐久性和超长工作寿命的工程结构,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);

● 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。决定了UHPC不会是普遍适用的工程材料,而是现代工程材料的有益补充,是用于解决工程中遇到的难题,建造性能更好、更美观的工程结构。然而,UHPC的价值和潜力,现在还远远没有得到充分挖掘和有效利用,还面临巨大的发展空间。UHPC的价值将体现在:

● 用于创新轻质高强韧性混凝土结构;在一些场合,降低结构或工程的综合建造成本;

● 建造超高耐久性和超长工作寿命的工程结构,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);

● 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。

11、UHPC的高耐久性与“高强不一定耐久”是否形成悖论?

传统的混凝土“高强不一定耐久”的原因主要是抗压强度越高,抗拉强度与抗压强度的比值越低,则开裂敏感性越高,在混凝土结构服役期间,长期大气温、湿度交替变化作用会促使不可见裂缝的开展而变得可见,进而使空气和水进入,促使钢筋锈蚀,结构劣化。在服役期间这 样的裂缝主要是干燥收缩裂缝。在一定的浆骨 比下,影响干燥收缩大小的因素主要是水胶比。UHPC的水胶比很低,一般不大于0.2,则其干缩值就很低,而且,水化进行到一定程度后,其密实的结构则有效阻止内部水分的损失,90天的干缩值约为80×10-6~170×10-6 。因此,这个因素在 UHPC中应当不存在。

混凝土总的收缩值中包括失水引起的干燥 收缩和当体积较大而硬化后内部与外部环境难 以进行水分交换时因继续水化消耗毛细孔中的水 而产生的自干燥收缩(简称自收缩)。如图3所示, 在水胶比较大时(例如大于0.3),这两种收缩之和值与水胶比基本上没有关系。水胶比越低,自收缩越大,而干缩越大。当水胶比很低时(例如 小于0.3),尽管干缩减小,而自收缩值却随水胶比的降低而增长迅速,则二者叠加的总收缩值不再是常量,而是随之增大。但是UHPC中的钢纤维应当对裂缝有限制和分散的作用。这方面的研 究工作还需要进一步加强。目前UHPC在结构工 程中的应用还不足20年,尚需经过更长时间的考验,例如30年、50年。