超高性能混凝土国内进展及性能试验研究

史晓婉

(1.上海建工集团股份有限公司,上海 200080；2.上海高大结构高性能工程技术研究中心,上海 201114)

随着科技的快速发展,土木行业也迎来了一次又一次的跨越。混凝土强度越来越高,继高强、高性能混凝土之后,超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)应运而生。超高性能混凝土以其超高力学性能、超高耐久性和优良的耐磨和抗爆性能及抗冲击性能等特点,可以有效减小结构自重,在越来越多的工程中得到应用。本文将从力学性能方面对当前超高性能混凝土技术的研究成果进行简要综述,并对今后的研究方向进行探讨。

1 我国UHPC发展及研究现状

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为抗压强度不低于150MPa,水胶比小于0.25,含有较高比例的微细短钢纤维的增强材料,由最大堆积密度理论组成的最佳比例的不同粒径颗粒,并加入高效减水剂等的水泥基结构工程材料。

我国对UHPC的研究起步较晚,较早研究UHPC的是湖南大学的黄政宇[2]教授,通过硅酸盐水泥硅灰、高效减水剂,体积含量为6%短钢纤维,热水养护条件下配制出强度超过200Mpa的超高强混凝土。随后北京交通大学、清华大学、东南大学等高校陆续开始UHPC分别配合比、矿物掺合料、养护制度等对其力学性能影响以及微观结构下UHPC的增韧机理等方面的研究。

覃维祖[3]等提出了超高性能活性粉末混凝土,即在RPC的基础上掺入了短钢纤维。RPC的制备采取去除粗骨料、优化颗粒级配并且热养护,在此基础制备出的混凝土比普通混凝土的匀质性更好,密实度更高,且改善了微观结构,可达到较高的抗压强度,但仅仅这三条措施不足以获得足够韧性和延性,而钢纤维的加入明显改善了其抗弯拉强度。

刘斯凤[4]等人结合我国国情,研究天然细骨料和外掺料代替石英粉和硅灰配制的超高性能混凝土,测试其在不同养护制度下的力学性能发展规律,最高强度达200MPa,抗折强度达50MPa,并在市政井盖上应用,取得了良好的经济效益。

阎培渝[5]介绍了UHPC的特性、优缺点和适用对象,阐述了UHPC的配制原理,提到钢管与UHPC的结合强度和延性进一步提高,UHPC的流动性优于传统混凝土,利于灌注,更加经济适用。这是UHPC的进一步应用,钢管与UHPC结合,完全可以取代纯钢结构,钢管的延性和刚度都远优于混凝土,而UHPC优于普通混凝土又接近钢材,两者结合可以大幅降低纯钢结构的造价,但钢管UHPC对UHPC的流动性要求更高。

黄政宇、曹方良[6]对比实验研究了纳米CaCO3和纳米SiO2及养护制度对UHPC强度的影响,并对掺纳米材料的UHPC进行了微观形貌分析。纳米材料的微粒填充效应增加了混凝土的粘聚性,从而降低UHPC的流动性,两者都提高UHPC的抗折强度以及韧性,相对于NC,NS的加入对抗压强度影响较小,选择热水养护对强度的提高作用明显,并从微观方面解释了纳米材料对UHPC的增韧机理。但纳米材料的价格因素,以及纳米材料作为掺合料加入UHPC中的分散问题如何解决,都是制约其在UHPC实际工程中运用的难点。

史才军[7]等通过材料组成对UHPC的影响,分别对水胶比、硅灰掺量、石英粉掺量、砂灰比掺量以及减水剂掺量进行了正交试验,测试其组成对UHPC的流动性以及力学性能的影响。试验结果表明,其中,在保证流动性的前提下,降低水胶比可提高试件强度；硅灰与高效减水剂的协同作用可以更好的提高UHPC的流动性,而硅灰的掺量对试件的抗压强度影响效果不显著；石英石的加入可以在一定程度上改善基体与骨料界面区的结构,可以小范围增大UHPC的强度,确定了砂灰比和减水剂的最佳掺量40%和2.5%。

张浩等[8]基于最紧堆积密度理论设计出了UHPFRCC(超高性能水泥基纤维增强复合材料)的优选配合比,并研究混杂纤维(钢-POM,钢-PVA)对UHPFRCC流动度、抗压强度及抗折强度,与基准超高性能混凝土相比,钢-合成纤维的加入降低UHPFRCC的流动度,抗压强度与抗折强度相对于基准超高性能混凝土升高,混杂纤维增加其中合成纤维的含量,抗压强度成上升趋势,而抗折强度下降,但低均于仅掺2%的长钢纤维超高性能混凝土,且相同合成纤维替代率情况下,抗折强度掺PVA纤维时高于掺POM纤维。

冯乃谦、叶浩文[9]等2018年在UHPC和SCC的基础上配制出UHP-SCC,即超高性能自密实混凝土,其中加入了天然沸石粉,作为一种增稠剂及自养护剂和减水剂的载体,使砂浆强度更加粘稠,混凝土凝结硬化的过程中缓慢释放自由水,供水泥水化,并抑制其收缩开裂。在广州东塔施工过程中进行了泵送试验,将C120 UHP-SCC泵送至510m的高度,并测试了其性能。

2 UHPC的配制原理及性能优点

2.1 配制原理

UHPC不同于传统混凝土,其需要低水胶比,在保证混凝土拌合物具有足够和易性的前提下,剔除粗骨料,加入高效减水剂和超细活性粉末,尽量减少用水量,从而降低水胶比,并掺入纤维来增加其韧性。

最大堆积密度理论：UHPC的设计理论是最大堆积密度理论,即胶凝材料的颗粒堆积能够达到最大密实度或最小的孔隙率,粒径分布达到最优状态,即毫米级颗粒堆积的间隙由微米级颗粒填充,微米级堆积的间隙由亚微米级或纳米级颗粒填充。

纤维增强机理：混凝土纤维增强机理研究现阶段为止主要有复合力学理论和纤维间距理论。复合力学理论主要是将纤维混凝土中看作纤维和混凝土基体两相的材质,其中假定纤维连续且均匀的分布在混凝土中,纤维排列与受力方向一致；纤维与机体的受力同时无相对滑移；纤维与混凝土变形在弹性范围内。纤维间距理论则认为,纤维混凝土的抗裂强度与纤维的间距有关,纤维间距取决于纤维的体积率和纤维直径。基于这两种理论,基体强度、纤维的体积率、纤维的长径比、纤维与基体的粘结强度等决定了纤维增强效果。

UHPC的水灰比很低,活性粉末的加入提高了界面的粘结强度,使得钢纤维与混凝土的界面薄弱区得到了改善,从而形成了钢纤维与活性粉末复合增强效果,进而提高了混凝土的抗拉强度和韧性。

2.2 UHPC性能优点

UHPC不同于高强混凝土,不是单纯的在超高强混凝土的基础上的强化,而是整体性能的提升。UHPC去除了粗骨料,且减少了钢筋的重量,因此结构的自重变轻,可以给结构更多自由设计空间,且有较高的韧性、耐久性,符合绿色建造和可持续发展的要求。

UHPC的超高韧性表现在其超高的裂缝控制能力上,极限拉应变高达3%,且其优异的裂缝无害化分散能力可以使得裂缝的逢高比达0.5[10]。钢纤维的掺入提高了UHPC的抗裂性能,从而提高了构件的承载力和延性,延缓了构件的破坏。

UHPC基于最大堆积密度理论,剔除了粗骨料,优化细骨料级配,使骨料更加均匀,掺入的硅粉、粉煤灰等超细活性粉末,对孔隙起到填充效果,使其密实度更高,渗透性很低,几乎无渗透、无碳化,且具有良好的抗腐蚀、抗冻融、耐高温和抗冲磨性能,因此UHPC具有优异的耐久性能,可大幅提高结构的使用寿命,降低维修费用。

3 钢纤维形状及硅灰掺量对UHPC性能的影响研究

基于国内现有对UHPC性能的研究,笔者通过两个因素即钢纤维形状和硅灰掺量对UHPC展开了初步的试验研究。

原材料：选用P.Ⅱ52.5型水泥,天恺微硅粉,13mm的微丝端钩型钢纤维(长径比60)与7mm微丝直线型钢纤维(长径比57),BASF高效减水剂。

3.1 钢纤维的形状对UHPC工作性的影响研究；

钢纤维掺量为25%,测试不同水灰比和钢纤维形状对UHPC流动性影响,配比见表1。

表1 UHPC不同钢纤维形状配合比

其流动度的测试结果见图1。

图1可看出,随着水胶比的增大,流动度也有一定幅度的改善,但是明显小于钢纤维的形状对流动度影响。原因有两点：1、端钩型钢纤维的长度大于直线型钢纤维,长度会直接影响混凝土穿过间隙的能力。2、端钩型钢纤维的端部对浆体有更强的粘结力,降低其流动度,但可防止离析。

端钩形钢纤维可加大UHPC的密实性,且增加其抗裂性能,对比直线型微丝钢纤维,端钩型钢纤维在UHPC力学性能的提高上面有更大的优势。

3.2 硅灰掺量对UHPC力学性能的影响研究。

选择掺入25%的端钩型钢纤维,测试不同硅灰掺量对UHPC的性能影响。试验配合比见表2,分别测试1d抗折强度与抗压强度,28天抗折强度与抗压强度,试验结果对比见图3,图4。

表2 不同硅灰掺量UHPC配合比

测试结果如表3。

表3 不同硅灰掺量UHPC测试结果

图2 不同硅灰掺量UHPC抗压强度

图3 不同硅灰掺量UHPC抗折强度

图2可以看出,随着硅灰含量的提高,UHPC的抗压强度先提高,而后并无显著提高,图3可看出,抗折强度在硅灰含量为5%最高,之后呈缓慢下降趋势,硅灰含量在一定范围内对UHPC的力学性能有提高,但是过量的硅灰对UHPC性能并不会有太大提升,这是由于,硅灰的粒径很小,比表面积很大,加入硅灰后,硅灰的微珠效应可以填满浆体中的孔隙,增加浆体的密实性,与高效减水剂协同作用,从而改善UHPC的各项性能,但效果有限,因此,实际工程应用中应结合成本,保证流动性和强度的同时,尽量降低硅灰掺量,从而降低工程费用。

笔者通过试验对钢纤维形状及硅灰掺量对UHPC进行了初步的探索,但数据有限,今后还有更多研究空间,希望这些数据能够给今后的研究人员以经验参考。

4 结语

尽管超高性能混凝土已经在国际上许多实际工程中应用,如装配式结构构件、大型基础设施的屋盖、轻型屋面、桥梁工程以及核电站的冷却塔等等,但是其每立方几千甚至到几万元超过普通混凝土几十倍的价格,且UHPC较高的施工条件和技术要求,制约了其在国内工程的普及,国内在高铁、国防等特殊工程已有应用,但在其他工程应用较少。

目前国内还没有相应的标准或规范作为支撑,法国、日本、美国等已经出了相应的指南,我国希望国内能够尽早出台相应的指南或规范,目前已经有国家标准《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015),UHPC的相关地方标准也正在制订中,相信随着国内学者和工程单位的研究应用,UHPC的相关标准规范也会更加完善,今后UHPC应用也会得到较快和长远的发展。