超高性能混凝土力學(xué)和耐久性能研究綜述

徐禮健

(長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0 前 言

超高性能混凝土(UHPC)具有超高強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性和斷裂能，同時(shí)具有優(yōu)異的耐久性能，不僅能夠大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，也能降低混凝土結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用。超高性能混凝土(UHPC)具有非常強(qiáng)的抗?jié)B透能力，幾乎無碳化，并且抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕的能力也非常強(qiáng)，耐磨性能也很高。由于UHPC中存在大量的未水化的水泥顆粒，在開裂情況下，超高性能混凝土具有良好的自我修復(fù)能力，超高性能混凝土的自重是傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的1/3或1/2，顯著降低了結(jié)構(gòu)的自重。因此，UHPC成為近幾年的研究熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外很多學(xué)者都對超高性能混凝土進(jìn)行了研究，本文主要總結(jié)了近幾年一些學(xué)者對UHPC的力學(xué)性能和耐久性能的研究成果。

1 UHPC力學(xué)性能研究

1.1 抗壓性能

1.1.1 立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度

李傳習(xí)等[1]通過UHPC的原材料和配合比不變(用水量除外)，來探究水膠比(0.15～0.2)的變化對UHPC施工與力學(xué)性能的影響規(guī)律，制作了6個(gè)邊長為100 mm的立方體試塊進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)充分濕拌時(shí)間為6 min時(shí)，UHPC達(dá)到最佳擴(kuò)展度，其抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)時(shí)的水膠比為0.18。陳寶春等[2]為研究尺寸效應(yīng)對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響，通過制作6種規(guī)格的立方體和圓柱體試塊，邊長和直徑分別為150、100 mm和70.7 mm(其中圓柱體直徑為70 mm)，共計(jì)72個(gè)試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：無論立方體或圓柱體UHPC試件強(qiáng)度都隨著尺寸增大而減小，且立方體的尺寸效應(yīng)大于圓柱體。當(dāng)邊長和直徑為150 mm時(shí)，圓柱體的抗壓強(qiáng)度大于立方體的抗壓強(qiáng)度，而試件邊長和直徑在100 mm和70 mm附近時(shí)，立方體的抗壓強(qiáng)度大于圓柱體抗壓強(qiáng)度，并給出了邊長為100 mm的立方體為基準(zhǔn)的形狀尺寸統(tǒng)一換算關(guān)系。

1.1.2 彈性模量

Hoang等[3]研究了不同高寬比和鋼纖維含量(1.5%、2.0%)對超高性能混凝土(UHPC)的單軸拉伸和壓縮性能的影響,對150 mm×300 mm圓柱體進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，對40 mm×40 mm×80 mm的開槽棱柱體進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著鋼纖維的摻入，纖維的抗壓強(qiáng)度和彈性模量沒有顯著變化，但鋼纖維含量和高寬比對壓縮后的性能影響比較大，通過與以往公式的比較，對壓縮實(shí)驗(yàn)得到的峰值應(yīng)力應(yīng)變和彈性模量進(jìn)行了計(jì)算，并提出了纖維效率與纖維因子之間的關(guān)系。

1.1.3 峰值應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

Deng等[4]研究了混雜鋼-聚丙烯纖維和粗集料對超高性能混凝土(UHPC)單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響，通過改變混雜鋼-聚丙烯纖維、粗骨料用量和聚丙烯纖維長徑比對UHPC試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：混雜纖維的加入不僅有助于在UHPC試件中建立更強(qiáng)大的界面，而且能改變UHPC的失效模式，并建立了考慮鋼纖維、聚丙烯纖維和粗骨料的UHPC的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變行為預(yù)測的解析模型。

1.2 抗拉性能

1.2.1 軸心抗拉強(qiáng)度

邵旭東等[5]為了定量地研究鋼纖維特性對超高性能混凝土軸拉性能和彎拉性能的影響，在同一鋼纖維體積摻量(2%)下，通過控制鋼纖維長徑比、鋼纖維類型和有無鋼纖維這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)彎拉試驗(yàn)比軸拉試驗(yàn)更能提高UHPC試件的拉伸強(qiáng)度和韌性，無論平直型或端鉤形鋼纖維UHPC試件，當(dāng)軸應(yīng)變達(dá)到3 000×10-6時(shí)，其應(yīng)力均高于7 MPa。Qiu[6]等通過改變增強(qiáng)率、纖維取向和纖維化學(xué)處理這三種實(shí)驗(yàn)變量來對鋼筋增強(qiáng)UHPC拉伸性能實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：提高配筋率可以顯著地提高屈服荷載和極限荷載，同時(shí)也能夠有效地提高UHPC構(gòu)件在直接拉力作用下的抗裂剛度、抗裂寬度和峰值荷載，建立了UHPC構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式。

1.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

F.Fotouhi等[7]研究了含有7種不同比例(0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%)的UHPRFC試件，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):試件的纖維含量越高，其抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度也就越高，3%纖維含量試樣劈裂抗拉強(qiáng)度是非纖維試樣劈裂抗拉強(qiáng)度的228%，并提出了基于鋼纖維體積分?jǐn)?shù)確定試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的兩種二階方程。陳倩等[8]研究了聚丙烯纖維體積率、鋼纖維體積率和長徑比這三個(gè)因素對UHPC強(qiáng)度的影響規(guī)律，制作了171個(gè)UHPC試塊，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：摻入鋼-聚丙烯混雜纖維可以提高其劈裂抗拉強(qiáng)度559%，得出混雜纖維最佳配合比，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了UHPC立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式。

1.2.3 抗折強(qiáng)度

Li Y等[9]研究了鋼-聚乙烯混雜纖維增強(qiáng)超高性能混凝土的抗彎性能，通過改變雜化纖維程度、集粒粒徑、暴露的溫度和水膠比這幾種變量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維和聚乙烯的結(jié)合能夠有效提高UHPFRC的斷裂模量、比例極限、韌性和韌性指數(shù)，較高的水膠比和較小的集料降低了UHPFRC的抗彎性能。曹瑞東等[10]研究了不同摻量的PVA纖維對UHPC力學(xué)性能的影響，得出了隨著纖維摻量的增加，UHPC的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有提高，并得出PVA的最優(yōu)摻量為0.2%，在一定程度上改善UHPC抗折強(qiáng)度低的缺陷。

2 UHPC耐久性能研究

2.1 抗碳化性能

Gu C等[11]研究了養(yǎng)護(hù)條件對UHPC在彎曲荷載下耐久性的影響，將RPC棱柱體試塊(40 mm×40 mm×160 mm)放在碳化室(二氧化碳質(zhì)量濃度為60%，溫度20℃，相對濕度70%)養(yǎng)護(hù)180 d，試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同養(yǎng)護(hù)條件下，RPC試件無論加載與否，其碳化深度均為0。葛曉麗等[12]通過高溫加速試驗(yàn)，研究了不同水膠比和養(yǎng)護(hù)條件下未水化水泥后期水化對UHPC性能的影響，結(jié)果表明：60 ℃水養(yǎng)護(hù)能夠有效加速UHPC中未水化水泥的水化，隨著齡期的增加，試件先收縮后膨脹，并在90天內(nèi)趨于穩(wěn)定，當(dāng)在90天時(shí)，其抗碳化性能和抗氯離子滲透性能均下降。

2.2 抗氯離子滲透和硫酸鹽離子侵蝕

Hussein L等[13]研究了超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(UHPFRC)在嚴(yán)重的氯離子環(huán)境下對構(gòu)件彎曲行為和微觀結(jié)構(gòu)的影響，測量三種不同纖維含量(1%、1.5%、2%)長期暴露在嚴(yán)重氯化物環(huán)境下粘結(jié)面積和可能的物理脫粘情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：嚴(yán)重的氯離子暴露對彎曲承載力有影響，UHPFRC纖維體積的增加顯著改善了復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能。王衛(wèi)侖等[14]研究了含PVA纖維(體積摻量0～2.0%)的UHPC抗氯離子滲透和硫酸鹽離子侵蝕的試驗(yàn)，結(jié)果表明：摻入適量的PVA纖維可以有效提高UHPC試件的抗硫酸鹽侵蝕的能力，隨著齡期的增加，PVA纖維UHPC試件氯離子滲透能力呈現(xiàn)指數(shù)級降低，因此，在混凝土養(yǎng)護(hù)早期必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

2.3 抗凍融性能

An MZ等[15]研究了考慮再水化作用的超高性能混凝土(UHPC)在鹽溶液中凍融循環(huán)下的破壞機(jī)理，在5.0%氯化鈉溶液中進(jìn)行了加速凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在經(jīng)過1 500次凍融循環(huán)后，試樣的束縛水含量增加了11.3%，表明即使在低溫條件下，試件中未水化水泥的再水化反應(yīng)仍在繼續(xù)，再水化反應(yīng)可通過填充小于100 nm的孔隙來修復(fù)部分損傷，而凍融損傷主要發(fā)生在大于1 μm的孔隙中。李云峰等[16]研究了不同礦物摻合料UHPC 在三種水膠比下(0.21、0.24、0.27)的抗凍融性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：在礦物摻合料相同的情況下，當(dāng)水膠比為0.21時(shí)，試塊的抗凍性最好，而且相對動(dòng)彈性模量最大。

3 展 望

1)與國外相比，我國配制的UHPC的強(qiáng)度還比較低，且UHPC的最低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)相對于其他國家還比較低，建議提高相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對配制的理論計(jì)算還不夠重視，下一步的研究目標(biāo)應(yīng)該朝著提高強(qiáng)度、節(jié)約經(jīng)濟(jì)和低碳環(huán)保的方向進(jìn)行。

2)對于UHPC在實(shí)際工程中的應(yīng)用還不夠多，國外在這方面已經(jīng)有較多的應(yīng)用實(shí)例。我們不僅僅要加深理論研究，更要把它應(yīng)用到實(shí)際工程中，完善相關(guān)的施工技術(shù)，并制定相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

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