超高性能混凝土UHPC的发展与现状

36科技导航Science&TechnologyCHINACONCRETE2010.09NO.15引言随着科学技术的发展，混凝土强度等级一直在不断地提高，高强和超高强混凝土（60MP~140MPa）已经成功地应用于结构工程中。目前，国际上较为通用的配制高强混凝土（100MPa）的技术为“硅酸盐水泥+硅灰+高效减水剂”。但高强混凝土（HighStrengthConcrete,HSC）的抗弯抗拉强度仍然不高，必须通过配筋来增加结构的强度，而大量配筋又带来施工浇注的困难，同时，由于混凝土收缩变形受钢筋的约束还会引起应力，导致开裂，对耐久性产生不利的影响。在高强混凝土中，粗骨料与浆体的界面薄弱区形成的缺陷也会造成混凝土强度与耐久性的降低。针对以上问题，1993年，法国Bouygues公司Richard等人率先研制出一种新的超高性能的水泥基复合材料─活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete,RPC）。RPC强度高，根据组分和制备条件的不同，RPC可以分为RPC200和RPC800两级，RPC200的抗压强度可以达到200MPa以上，采用钢骨料的RPC800的抗压强度可以达到800MPa[1]。目前RPC200已得到较广泛的应用，而RPC800仍然只是科学家的一个梦想，未见有任何实验数据发表。1998年8月，在加拿大Sherbrooke市召开了第一次以RPC和高性能混凝土为主题的国际研讨会，会上就RPC的原理、性能和应用进行了广泛而深入的探讨。与会专家一致认为：作为一类新型混凝土材料，RPC具有广阔的应用前景。虽然RPC问世的时间不长，但因其具有良好的力学性能和优异的耐久性，在短短的几年内，它就已经在工程建设领域里获得了应用。世界上第一座以RPC为材料的步行桥位于加拿大魁北克省的Sherebrooke市。该桥采用钢管RPC桁架结构，跨度60m，桥面宽4.2m。桥面板厚为30mm，每隔l.7m设置高70mm的加强肋。桁架腹杆是直径为150mm、壁厚为3mm的不锈钢管、内灌RPC200。下弦为RPC双梁，梁高380mm；均按常规混凝土工艺预制。每个预制段长10m、高3m，运到现场后用后张预应力拼装而成[2]。该桥的结构设计特点是混凝土构件内无箍筋、分别在体内和体外布置预应力钢筋，并使用不锈钢钢管约束RPC，以提高其强度和延性。由于采用RPC，大大减轻了自重，提高了在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀与冻融循环作用下结构的耐久性能。由于RPC是一种专利产品，为了避免知识产权的纠纷，欧洲目前不再使用这个名词，而改称“超高性能混凝土”（Ultra-HighPerformanceConcreteUHPC）。2005年和2008年在德国Kassel大学召开了两次UHPC国际会议，深入探讨了UHPC的制备、微结构特征和性能，在会上介绍了许多实际工程应用案例，并讨论了相关欧洲技术标准的制订问题。Walraven教授在2009年发表了一篇综述文章，系统地论述了UHPC的应用前景[3]。1UHPC的配制原理[4-7]UHPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料。它的基本配制原理是：通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强度与高耐久性。UHPC所用材料与普通混凝土有所不同，其组成材料主要包括以下几种：（l）水泥；（2）级配良好的细砂；（3）磨细石英砂粉；（4）硅灰等矿物掺合料；（5）高效减水剂。当对韧性有较高要求时，还需要掺入微细钢纤维。UHPC的制备技术为：1.1提高匀质性，减少材料内部缺陷对于大多数固体材料，理论抗压强度值一般为其弹性模量值的0.1～0.2倍，但实测值只有其弹性模量的（0.1～0.2）×10-3倍。两者相差上千倍，其原因就是由于材料内部结构不完善、存在大量缺陷。因此要充分发挥材料的性能就必须尽量减少缺陷、提高匀质性。普通混凝土硬化前，一方面，水泥浆体中的水分向亲水的集料表面迁移，在集料表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙；此外，浆体泌水也会在集料下表面形成水囊而形成裂超高性能混凝土（UHPC）的发展与现状清华大学土木工程系阎培渝37科技导航Science&Technology总15期2010.09混凝土世界缝；另一方面，由于骨料和硬化水泥浆体弹性模量不同（相差1～3倍），由于环境湿度、温度变化而引起的变形不同，骨料与水泥浆体界面存在应力而产生微裂缝。这样，混凝土在承受荷载作用以前，界面处就充满了原始微裂缝。在荷载作用下，浆体与骨料的界面上产生剪应力和拉应力，导致原始微裂缝的扩展。随着应力的增长，裂缝不断生长并伸向水泥石，最终导致浆体的断裂。为了消除上述不利影响，主要是通过以下途径来消除缺陷、提高UHPC的匀质性：1.1.1去除粒径大于1mm的粗骨料，以改善内部结构的均匀性混凝土受到荷载作用后，粗骨料与砂浆界面处应力集中，极易引起破坏。骨料界面微裂缝的长度和宽度与骨料粒径尺寸有关，骨料粒径减小，裂缝长度和宽度也小。因此UHPC不用粗骨料，只用细骨料，可以极大地减少界面微裂缝的长度和宽度，同时骨料粒径的减少，其自身存在的缺陷的几率也减小，从而UHPC整个基体的缺陷也随之减少。1.1.2改善浆体的力学性能，强化浆体与骨料的界面普通混凝土中的骨料和浆体界面由于水分的迁移而形成一个过渡区：越靠近骨料表面，水胶比越大，水泥水化生成的Ca（OH）2越富集，取向程度也越大，硬化后孔隙率也越大。因此界面过渡区是混凝土的薄弱环节。水胶比是影响过渡区的主要因素，UHPC有很低的水胶比（不大于0.2），过渡区就很薄，而且由于含有较多硅灰，可与富集在骨料周围的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙凝胶而大大削弱Ca（OH）2的富集与取向；在热处理的过程中，石英粉也会与Ca（OH）2发生反应。这都会大幅度地提高浆体的力学性能。UHPC中骨料与硬化水泥石的弹性模量之比在1到1.4之间，两者不均匀性的影响几乎消除。1.2提高堆积密度由晶体结构的研究表明，相同直径原子进行排列时，体心立方结构的紧密系数是0.68，即使最密排列的面心立方或密排六方结构，其紧密系数也只有0.74。为了进一步提高堆积密度，常在较大的单一粒径的颗粒之间加入粒径较小的颗粒。这样先由直径最大的球体堆积成最密填充状态，剩下的空隙依次由次大的球体填充下去，使球体间的空隙减小。从而整体达到最大密实状态。根据上述原理，在制备UHPC时，可采用以下措施来提高其密实度，降低孔隙率：（1）优选颗粒材料级配：选用相邻两级平均粒径差较大，但同级内级配连续的粉末材料，使颗粒混合料体系达到最密实状态。（2）优选与活性组分相容性良好的高效减水剂，改进搅拌条件，降低水胶比（一般控制在0.20以下），使浆体在最少用水量的条件下有良好的工作性。（3）在新拌混凝土凝结前和凝结期间对其加压可以达到以下目的：其一，挤出拌和物中包裹的空气，减少气孔的数量和体积；其二，当模板有一定渗透性时，可将多余的水分自模板间隙中排出；其三，可以消除在水化过程中化学收缩引起微裂缝。通过热养护还可加速活性粉末组分的水化反应，改善微观结构，提高界面的粘结力。1.3改善微观结构在UHPC凝固后进行热养护可以加速水泥水化反应的进程和火山灰效应的发挥。对于200MPa级的UHPC，进行20℃～90℃的常压养护就可以了，但这时候形成的水化物仍是无定形的。但随着温度的升高，其火山灰效应也相应提高，UHPC的微观结构有所改善，主要表现为大于100nm孔径范围的有害孔体积降低，孔隙得到细化。1.4提高韧性混凝土的强度越高，脆性越大，在UHPC中掺有细微钢纤维，可以显著提高韧性和延性。2UHPC的优良性能利用UHPC的超高抗渗性，可替代钢材制造压力管道和腐蚀性介质的输送管道，用于远距离油气输送、城市远距离大管径输水、城市下水及腐蚀性气体的输送，不仅可大大降低造价，而且可明显地提高管道的抗腐蚀能力，解决目前远距离油气输送所采用的中等口径高强混凝土管输送压力不够高，大口径钢管价格昂贵等问题。利用UHPC的超高抗渗性与高冲击韧性，制造中低放射性核废料储藏容器，不仅可大大降低泄漏的危险，而且可大幅度延长使用寿命。UHPC现已用于海洋石油平台的钢结构的外保护层，可大大提高水位变动区的支柱的使用寿命。UHPC的早期强度发展快，后期强度极高，用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物，既可保持混凝土体系的整体性，还可降低成本。UHPC强度高，抗冲击性能好，可用于国防工程的防护结构，也可用于需要高承载力的特殊结构。UHPC的高密实性与良好的工作性能，使其与模板相接触的表面具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入到UHPC中去，而且UHPC中的着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可把UHPC用作建筑物的外装饰材料。综上所述，UHPC材料具有很高的工程应用价值和广阔的市场前景。考虑到UHPC的经济性，它将适用于传统混凝土结构和钢结构之间的领域，甚至用于钢结构占统治地位的领域。UHPC的应用，将改变传统的设计，并将引入新的施工技术，这将会对我国的建筑业产生重大而深远的影响。38科技导航Science&TechnologyCHINACONCRETE2010.09NO.152.1UHPC具有非常高的强度相对于普通混凝土和高强混凝土而言，UHPC材料表现出极好的力学性能，如表1所示[8]。2.2UHPC具有优良的韧性掺有微细钢纤维的UHPC的断裂能可达到20000~40000J/m2，与普通混凝土相比，抗折强度高一个数量级，断裂能高两个数量级以上[9]。因而，UHPC属于高断裂能材料，如图1所示[10]。图2[10]是加拿大魁北克省进行的一系列试验的结果。该研究成果用于建造Sherbrooke人行桥。如果改善混凝土凝结前后的加压技术，则UHPC强度可以达到350MPa以上，Sherbrooke人行桥工程使用了极限抗压强度为385MPa的UHPC（原称作RPC）。2.3UHPC具有优异的耐久性UHPC的水胶比低，具有良好的孔结构和较低的孔隙率，使其具有极低的渗透性、很高的抗有害介质侵蚀能力和良好的耐磨性。表2为采用氮吸附法测定的UHPC内部孔径分布情况[4]，表3为UHPC与其它几种混凝土的耐久性比较[11]。2.4UHPC良好的总体经济性与普通混凝土或高强混凝土相比较，UHPC的单价偏高，特别是掺钢纤维的UHPC，一次投资很大，目前只能用于一些不计较成本的结构。但是在实际工程中，UHPC的应用不仅可以减少构件混凝土用量近2/3，且结构性能更好，UHPC的应用还可以减少结构构件中的配筋量，甚至完全取消钢筋。与具有相同承载力的钢结构比较，UHPC结构的成本也相对便宜[12]。由于UHPC的耐久性好，使用寿命可以更长，从全寿命成本来分析，其价格是可以接受的。2.5UHPC的应用范围根据UHPC的高强度、高韧性、高耐久性等特点，UHPC在工程中的应用主要集中在以下几个方面：（1）利用UHPC强度高的性质，可以减小结构构件尺寸，获得表1不同混凝土的强度混凝土种类RPC200RPC800HSC抗压强度（MPa）170～230500～80060～100抗折强度（MPa）30～6045～1406～10图1各种材料的断裂能图2各种材料的应力-应变关系3002502001501005000.0000.0050.0100.0150.020抗压强度MPa应变HPCRPC受约束的RPC受约束和预应力的RPC表2UHPC的孔径分布孔径比表面积(m2/g)体积（mm3/g）2nm0.20.072.6nm0.40.525nm0.220.489nm0.110.5515nm0.111总量0.932.62表3普通混凝土、HSC和UHPC的耐久性比较性能普通混凝土HSCUHPC氯离子扩散（×10-12m2/s）1.10.60.02*碳化深度（mm）1020冻融剥落量（g/m2）10009007**腐蚀系数4.03.81.3*所引用原文件中未说明何时的碳化深度**所引用原文件中未说明是什么腐蚀系数表4Ductal®-FM、D