超高性能混凝土國內進展及性能試驗研究

史曉婉

(1.上海建工集團股份有限公司,上海 200080；2.上海高大結構高性能工程技術研究中心,上海 201114)

隨著科技的快速發展,土木行業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)應運而生。超高性能混凝土以其超高力學性能、超高耐久性和優良的耐磨和抗爆性能及抗沖擊性能等特點,可以有效減小結構自重,在越來越多的工程中得到應用。本文將從力學性能方面對當前超高性能混凝土技術的研究成果進行簡要綜述,并對今后的研究方向進行探討。

1 我國UHPC發展及研究現狀

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構工程材料。

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,熱水養護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、清華大學、東南大學等高校陸續開始UHPC分別配合比、礦物摻合料、養護制度等對其力學性能影響以及微觀結構下UHPC的增韌機理等方面的研究。

覃維祖[3]等提出了超高性能活性粉末混凝土,即在RPC的基礎上摻入了短鋼纖維。RPC的制備采取去除粗骨料、優化顆粒級配并且熱養護,在此基礎制備出的混凝土比普通混凝土的勻質性更好,密實度更高,且改善了微觀結構,可達到較高的抗壓強度,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]等人結合我國國情,研究天然細骨料和外摻料代替石英粉和硅灰配制的超高性能混凝土,測試其在不同養護制度下的力學性能發展規律,最高強度達200MPa,抗折強度達50MPa,并在市政井蓋上應用,取得了良好的經濟效益。

閻培渝[5]介紹了UHPC的特性、優缺點和適用對象,闡述了UHPC的配制原理,提到鋼管與UHPC的結合強度和延性進一步提高,UHPC的流動性優于傳統混凝土,利于灌注,更加經濟適用。這是UHPC的進一步應用,鋼管與UHPC結合,完全可以取代純鋼結構,鋼管的延性和剛度都遠優于混凝土,而UHPC優于普通混凝土又接近鋼材,兩者結合可以大幅降低純鋼結構的造價,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及養護制度對UHPC強度的影響,并對摻納米材料的UHPC進行了微觀形貌分析。納米材料的微粒填充效應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,選擇熱水養護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行了正交試驗,測試其組成對UHPC的流動性以及力學性能的影響。試驗結果表明,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的結構,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計出了UHPFRCC(超高性能水泥基纖維增強復合材料)的優選配合比,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護劑和減水劑的載體,使砂漿強度更加粘稠,混凝土凝結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點

2.1 配制原理

UHPC不同于傳統混凝土,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到最大密實度或最小的孔隙率,粒徑分布達到最優狀態,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。

纖維增強機理：混凝土纖維增強機理研究現階段為止主要有復合力學理論和纖維間距理論。復合力學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,其中假定纖維連續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。纖維間距理論則認為,纖維混凝土的抗裂強度與纖維的間距有關,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強度,使得鋼纖維與混凝土的界面薄弱區得到了改善,從而形成了鋼纖維與活性粉末復合增強效果,進而提高了混凝土的抗拉強度和韌性。

2.2 UHPC性能優點

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,因此結構的自重變輕,可以給結構更多自由設計空間,且有較高的韌性、耐久性,符合綠色建造和可持續發展的要求。

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

UHPC基于最大堆積密度理論,剔除了粗骨料,優化細骨料級配,使骨料更加均勻,摻入的硅粉、粉煤灰等超細活性粉末,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具有優異的耐久性能,可大幅提高結構的使用壽命,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

基于國內現有對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力學性能的提高上面有更大的優勢。

3.2 硅灰摻量對UHPC力學性能的影響研究。

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,試驗結果對比見圖3,圖4。

表2 不同硅灰摻量UHPC配合比

測試結果如表3。

表3 不同硅灰摻量UHPC測試結果

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對UHPC的力學性能有提高,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,實際工程應用中應結合成本,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進行了初步的探索,但數據有限,今后還有更多研究空間,希望這些數據能夠給今后的研究人員以經驗參考。

4 結語

盡管超高性能混凝土已經在國際上許多實際工程中應用,如裝配式結構構件、大型基礎設施的屋蓋、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要求,制約了其在國內工程的普及,國內在高鐵、國防等特殊工程已有應用,但在其他工程應用較少。

目前國內還沒有相應的標準或規范作為支撐,法國、日本、美國等已經出了相應的指南,我國希望國內能夠盡早出臺相應的指南或規范,目前已經有國家標準《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015),UHPC的相關地方標準也正在制訂中,相信隨著國內學者和工程單位的研究應用,UHPC的相關標準規范也會更加完善,今后UHPC應用也會得到較快和長遠的發展。