超高性能混凝土(UHPC)研究综述

超高性能混凝土（UHPC）-研究综述主讲人：金凌志2016.4课程性质和地位性质：超高性能混凝土（UitrahighPerforanceConcrte）结构研究与应用是一门研究型选修课。地位：是一门提高本科生专业素养，扩展国际视野，培养科研能力的拓展课程，也是给准备考研的同学提供超前学习机会的课程。前期基础课程：混凝土结构设计原理及混凝土结构、房屋建筑学、土木工程材料、材料力学、理论力学、结构力学等。课程学习目的1了解国家高性能混凝土材料研究前沿，顺应时代新能源新材料的需求。2指导学生本科阶段研究学习，培养学生对科协研究的兴趣，培养科学思维，为未来的深造和就业做准备。3以为UHPC为载体，了解科学研究工作需要做哪些准备？研究什么内容？其过程如何？4学会查找参考文献，熟悉论文写作。课程学习要求1实践为主，积极参与研究生的ＲＰＣ梁抗剪结构试验，学习试验方法，了解试验过程，有时间尽量多可能积极参与试验。２对UHPC的（ＲＰＣ）相关内容要多看资料，及时做笔记，掌握材料配比，熟悉试验参数，观察试验现象，分析试验结果。３通过学习和参与试验，完成一篇3000字的试验报告，或者写作一篇科研论文。课程主要内容0超高性能混凝土的提出和世界各国的研究动态1UPHC的基本配合比与技术指标2制备技术3超高性能机理4材料性能研究5工程应用研究6未来研究方向混凝土：由胶凝材料（水泥、细骨料（砂）、粗骨料（石子）、溶剂（水）以及必要时掺入的化学外加剂组成，经过胶凝材料凝结硬化后，形成具有一定强度和耐久性的人造石材。优点：相对于其他材料，混凝土生产能耗低、原料来源广、工艺简便、成本低廉且具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。混凝土介绍缺点自重大、脆性大和强度（尤其是抗拉强度）低，使用范围狭窄；对于低强度的混凝土，在满足相同功能时用量较大，不符合国家节约、降耗要求。０引言2）20世纪70年代末，由于减水剂和高活性掺合料的开发和应用，强度超过60Mpa。3）纤维增强混凝土（FRC）：加入钢纤维（常用）4)对混凝土的耐腐蚀性、耐久性和抵抗各种恶劣环境的能力提出高性能混凝土(HPC）6）Bachel采用细料致密法，发挥硅灰和高效减水剂的作用，达到减小孔隙率，制备的150~200Mpa混凝土得到运用。5）Brumaue报道了抗压强度达到240MPa的低孔隙率的水泥基材料。1）20年代、50年代和70年代,混凝土的平均抗压强度可分别20、30、40Mpa。０引言高强混凝土的发展8）20世纪90年，法国Bouygues在DSP、MDF及钢纤维混凝土研究基础上，研发出RPC。9）1994年Larrard等首次提出超高性能混凝土（UHPC）的概念。10)以ＲＰＣ制备原理为基础的ＵＨＰＣ材料的研究与应用，是当今水泥基材料发展的主要方向之一。7)Birchal等开发出无宏观缺陷(MDF)水泥基材料,抗压强度达到200Mpa。高性能混凝土的发展０引言1、美国国家科学基金会于１９８９年投资建立了一个“高级水泥基材料科技中心”，美国联邦公路局以ＲＰＣ为研究对象，对ＵＨＰＣ开展了系统的研究，进行了1000多个试件的测试，研究内容包括配制技术、强度、耐久性和长期性能等力学性能。2、法国土木工程学会在大量研究的基础上，于2002年制订了超高性能纤维混凝土的指南（初稿）。高强混凝土各国研究进展０引言3、日本土木工程协会也于2004年制订了相应的设计施工指南（初稿），并于2006年出版了英文版本。高强混凝土各国研究进展5、我国从20世纪90年代开始了UHPC的研究，取得了系列研究成果，国家标准《活性粉末混凝土》已于2015年2月出版。4、韩国提出了一个超级桥梁的计划，希望通过应用UPHC建造桥梁，减少20%的工程造价，在10年内节省20亿美元的投资，减少44%二氧化碳的排放量和减少20%的养护费用。高性能混凝土会议1、2004年9月在德国的卡塞尔举行的UHPC国际会议上，与会专家认为UHPC虽然被命名为混凝土材料，但是却可以认为是一种新型材料，是新一代水泥基建筑材料。０引言2、2009年在法国马赛举行的超高性能纤维增强混凝土国际会议上，与会专家认UHPFRC低碳环保且性能优异，可以用来建造低碳混凝土结构，在未来必将得到大力发展。高性能混凝土运用情况UHPC运用情况UHPC运用不理想的原因０引言尽管ＵＨＰＣ自出现以来，不断被应用于桥梁、建筑、核电、市政、海洋等工程之中，然而应用发展远低于预期。以应用最多的桥梁为例，自1997年第一座UHPC桥加拿大魁北克省Sherbrooke的RPC桥建成以来，十几年间全世界也仅建成３０余座，且以中小跨径与人行桥为主。在中国，ＵＨＰＣ实际工程应用也极少，以桥梁为例，仅在铁路上有１座梁桥的应用，目前１座公路梁桥正在建设之中。一方面，有关ＵＨＰＣ的研究主要集中在发达国家，而这些国家已完成大规模的基础设施建设，推动其研究与应用的市场动力不足；另一方面，发展中国家虽然有较大的基础设施建设的需求，但是基础研究不足和ＵＨＰＣ价格较高，影响了其在工程中的应用。高性能混凝土运用情况０引言我国研究高性能混凝土的意义：1）在今后相当长一段时间内，中国仍处于大建设时期，随着对节能减排、可持续发展要求的不断提高，对混凝土性能的要求也将越来越高。2）高性能混凝土推广应用是强化节能减排、防治大气污染的有效途径，能提高建筑质量，延长建筑物寿命，提升防灾减灾能力，有利于推动水泥工业结构调整。3）为中国UHPC技术、混凝土材料与工程结构走在世界前列做出积极的贡献。1UHPC制备基本原理与技术指标减小孔隙率优化孔结构提高密实度掺入纤维UHPC制备的基本原理和主要方法普通混凝土作为一种多孔的不均匀材料，孔结构是影响其强度的主要因素，而固体混合物的颗粒体系所具有的高堆积密实度是混凝土获得高强度的关键。1RPC制备基本原理与技术指标RPC获取超高性能的主要途径（１）剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于300um，提高了骨料的均匀性。（２）通过优化细骨料的级配，使其密布整个颗粒空间，增大了骨料的密实度。（３）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料，使其具有很好的微粉填充效应，并通过化学反应降低孔隙率，减小孔径，优化了内部孔结构。（４）在硬化过程中，通过加压和热养护，减少化学收缩，并将C-S-H转化成托贝莫来石，继而成为硬硅钙石，改善材料的微观结构。（５）通过添加短而细的钢纤维，改善材料延性。[RPC定义]:以水泥、矿物掺合料、细骨料、高强度微细钢纤维或有机合成纤维等原料生产的超高性能纤维增强细骨料混凝土1RPC制备基本原理与技术指标我国国家标准《活性粉末混凝土》对RPC按力学性能的等级划分见表1。对抗压强度要求最低为100ＭＰａ，比法国和日本的抗压强度150ＭＰａ要低。等级抗压强度标准值／ＭＰａ抗折强度／ＭＰａ弹性模量／ＧＰaＲ100100≥12≥４０Ｒ120120≥14≥４０Ｒ140140≥18≥４０Ｒ160160≥22≥４０Ｒ180180≥24≥４０1RPC制备基本原理与技术指标２制备技术目的：降低成本、提高性能。突破点：材料组分和配合比２.１材料组分与配合比部分碳纤维和全部碳纤维钢纤维采用80级焊接钢筋网低模量的聚丙烯纤维、中模量的耐碱玻璃纤维和高模量的钢纤维混杂2.1.1寻找钢纤维的替代品：最终破坏形态表现出很大的脆性破坏。抗剪强度超过采用钢纤维的UHPC梁，且施工方便，成本大大降低。一些力学性能得到一定程度的改善而提高。２.１材料组分与配合比２制备技术2.1.2寻找水泥的替代品：1）用粉煤灰取代60％的水泥；2）RPC中采用粉煤灰和矿渣替代水泥和硅灰；3）棕榈油灰取代50％的胶凝材料；4）用稻壳灰取代硅灰；5）选择多种减水剂进行耦合。拌制注意事项：1）与普通混凝土不同，RPC由于采用基体材料＋细粒径组分材料＋钢纤维进行配制，在拌制过程中容易聚团，会影响RPC成型的均质性和材料性质。2）采用的搅拌设备、混合料的拌制时间与顺序等也要考虑。3）注意RPC浇注时钢纤维方向分布对RPC的拉抗强度等性能的影响。4）高温、加压养护是UHPC获得高性能的重要手段，温度越高、时间越长，参加反应的硅灰越多，内部结构也就越密实。5）养护时的压力对ＵＨＰＣ的性能也有影响。２制备技术２.２拌制与养护技术３超高性能机理３.１微观结构1）从测量的纳米尺度力学性能出发，采用四层次多尺度微观结构模型，精确计算的刚度，且证实了纤维~基体界面无缺陷。2）RPC的密实度与强度之间存在着高度的相关性，但是最大密实度并不代表最高强度，强度取决UHPC于其微观结构和水化阶段的性能。3）高温可促进水泥、硅灰和石英粉的化学反应，当温度达到250℃时，RPC中出现硬硅钙石。随着养护温度的增加，Ｃ-Ｓ-Ｈ凝胶平均链长增加，碱激发水泥RPC（碱矿渣水泥基活性粉末混凝土ARPC）在抗压强度相同情况下，具有更高的抗弯性能、断裂能以及与钢筋的粘结性能；由于ARPC的CaO／SiO2较低，其纳米的孔结构有利于水分的逸出，内部孔压力较低，因此具有更好的抗火性能。1)未掺入钢纤维，UHPC表现更大脆性。UHPC一般掺有纤维，故它也可视为基体与纤维的复合材料。2）ＲＰＣ的伪应变强化效应与钢纤维的分布特征有较大的关系，但是纤维分布方向对抗压强度的影响较小。3）钢纤维对UHPC的抗拉强度和韧性有明显提高作用，在不影响钢纤维分布均匀性的前提下，一般可以提高3.5％～4％，与钢纤维掺量成正比。3.2纤维增强增韧机理３超高性能机理4)对抗压强度，钢纤维也有一定的增强作用，但是一般认为存在一个界限掺量2%，当超过这个掺量时，抗压强度不升反降。４材料性能研究４.１拉、压强度等基本力学性能在强度等力学性能等方面主要研究抗压度、抗拉强度、韧性、弹性模量和应力~应变曲线、极限应变、泊松比、平均断裂能、延性、热膨胀系数等，其中抗压强度、抗拉强度是UHPC最基本的力学性能。1）同普通混凝土一样，UHPC的抗拉强度从高到低依次为轴拉强度、劈拉强度以及弯拉强度，但是对于各种测试结果之间的比值量化关系，目前为止还没有公认的定论；2）随砂胶比的增大，RPC的抗折强度、抗压强度均减小；随水胶比的增大，RPC的抗折强度增大，但是抗压强度在水胶比为0.18时达到最大值；随钢纤维掺量的增大，ＲＰＣ的轴拉强度、劈拉强度和抗折强度均增大，但是抗压强度在钢纤维掺量２％时达到最大值。４材料性能研究４.２体积稳定性、收缩、徐变等性能体积稳定性收缩、徐变等体积稳定性是UHPC长期性能研究的主要内容。研究结果表明：由于孔隙致密，采用蒸汽养护的RPC收缩和徐变均减小，收缩速度较普通混凝土快，在24ｈ内可完成总收缩量的1／2，有利于预应力RPC构件工厂化生产时生产效率的提高；随着水灰比和高效减水剂掺量的增加，RPC收缩增大。对于温度20℃、相对湿度50％下养护的RPC，标准试件早期收缩占总收缩的77％。对于徐变，虽然徐变系数较小，但是由于材料的强度提高，早龄期加载产生的徐变变形还是相当可观的，因此，工程应用中应尽可能地采用晚龄期加载。４材料性能研究４.３耐久性对于RPC的耐久性研究，其主要集中在抗除冰盐腐蚀、抗氯离子渗透能力以及抗冻融循环能力等方面；1）RPC具有非常致密的细观结构和很强的抗渗透能力以及很好的抗冻融循环能力；2）UHPC的耐水性比普通混凝土好（以渗出的钙为指标）；3）UHPC具有很好的水密性和愈合裂缝的能力，能够耐硫酸盐、氯盐，但是不耐高浓度硫酸。ＵＨＰＣ还有耐高温、抗爆抗冲击、粘结性能等其他优异性能。５工程应用研究在没有箍筋情况下,ＵＨＰＣ梁板的抗冲击能力优异，在冲击荷载作用下的ＲＰＣ梁仅产生很多细小的裂缝，发生延性的弯曲破坏５.１基本构件受力性能与普通梁相比，UHPC梁具有更好的极限荷载、刚度和抗裂性能与配普通钢筋相比，采用高强钢筋的UHPC梁具有较好的延性和较高的富余承载力与普通钢筋混凝土柱相比，配筋RPC柱具有更为优越的静力和动力性能UHPC预制构件节点搭接长度短，避免横向和纵向钢筋的交错，能提高现场施工效率与安全性５工程应用研究５.２工程研究美国联邦公路局自2001年开始研