2016年10月 超高性能混凝土制备、性能及应用

超高性能混凝土制备、性能及应用概述配制技术耐久性能力学性能目录微观结构工程应用发展趋势1、定义一、概述超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete，简称UHPC），一般需掺入钢纤维或聚合物纤维，也被称为超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）。UHPC以超高的强度、韧性和耐久性为特征，成为实现水泥基材料性能大跨越的新体系。UHPC不同于传统的高强混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC）,也不是传统意义的高性能混凝土（HPC）的高强化改性，而是性能指标明确、具有新本构关系和结构寿命的水泥基结构工程材料。“超高性能”表征的是同时具有超高强度、高韧性、低渗透性和高体积稳定性等优异性能。较具有代表性的定义和需要具备的特征如下：1、定义一、概述是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料；水胶比0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料；抗压强度≥150MPa，具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa（法国规定7MPa）；内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体侵入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土相比，耐久性可大幅度提高。“活性粉末混凝土”（RPC，ReactivePowderConcrete），是法国Bouygues建筑公司的一项专利产品，因广泛传播引起关注，RPC一度成为超高性能混凝土的代名词。而“UHPC”名称能更好地表达这种水泥基材料或混凝土在全面性能上的跨越式进步，逐步被广泛接受和采用。商品化的UHPC产品均为专利配方产品，有独立的名称或商标，如：丹麦的Densit®，法国的RPC®、Ductal®、BSI®、CEMTEC®、BCV®等等。2、发展历程一、概述20世纪70年代高效减水剂的开发和90年代优质活性矿物细粉、超细粉（硅灰、沸石粉等）的应用，使水胶比降低，混凝土结构密实，强度大大提高。水泥材料高强化发展的两个模型：宏观无缺陷水泥基材料（MDF），1979年英国化学公司和牛津大学研制成功MDF，抗压强度高达300MPa，抗弯强度150MPa，弹模50GPa，配比及工艺如下：90%~99%硅酸盐水泥或铝酸盐水泥；4%~7%聚合物树脂；水胶比0.2；搅拌时强力拌和；成型时采用热蒸压工艺，使基体内无大孔隙。缺点：需要辊压或挤压成型；材料对水敏感，水分侵入后，体积膨胀，强度下降。2、发展历程一、概述高致密水泥基材料（DSP），采用高效减水剂和硅灰，掺加超硬度骨料，用充分分散的超细颗粒硅灰（0.5nm~0.5μm）填充在水泥颗粒堆积体系（0.5~100μm）的空隙中，实现颗粒堆积致密化，同时采用压制密实成型工艺（强制式拌合，高频振捣和振动加压成型），可通过添加纤维增加韧性。缺点：工作性差、易开裂、造价高、内部干燥产生的自收缩很大，以至于净浆浆体会自行开裂。一、概述DSP理论奠定了UHPC的理论基础第一个DSP体系UHPC的组成和强度发展水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度图解2、发展历程超细颗粒硅灰填充在水泥颗粒之间的空隙中，提高了固体颗粒堆积密实度，并在高效减水剂的作用下，使DSP浆体的水胶比降低到0.15~0.19水平。2、发展历程一、概述活性粉末混凝土（RPC）1993年，法国皮埃尔·理查德研究小组通过模仿“DSP材料”，按照最紧密堆积理论，剔除粗集料，使用最大粒径约为0.6mm的石英砂作为集料，掺入适量钢短纤维和活性掺合料，配以成型施压、热处理养护等制备方法，成功地研制出了高韧性、高强度、耐久性优良和体积稳定性好的活性粉末混凝土RPC。典型的钢纤维长13mm，直径0.15mm，最大掺量2.5%。3d强度：90℃热水养护200MPa；400℃养护800MPa。2、发展历程一、概述密实增强复合材料（CRC）丹麦研究人员Bache在DSP材料的基础上，采用长6mm，直径0.15mm，掺量5-10%的钢纤维，同时配以钢筋制备而成。缺点：钢纤维掺量高，成本大大增加，适用于有特殊要求的结构，如：抗冲击性能或很高的力学性能等。灌浆纤维混凝土（SIFCON）在模板内先放置钢纤维，然后在纤维空隙灌注水泥砂浆，纤维掺量达到12-13%，几乎10倍于普通钢纤维混凝土。抗压强度、抗拉强度可以达到120MPa和40MPa，可用于道路面板及其维修。优点：破坏时具有很高的应变；缺点：纤维分布不均匀，难以使钢纤维形成三维堆积。一、概述1999年清华大学覃维祖教授最早将RPC引入中国。近年来，北京交通大学、湖南大学、东南大学等高等院校相继开展研究，取得了系列成果。经过35年发展，UHPC到了一个可以实际应用的水平，其抗压强度150~200MPa，几乎等同于钢材，抗拉强度可超过15MPa，弯曲抗拉强度达到50MPa，并且在普通养护条件也可制备出满足性能要求的UHPC，并在高铁电缆槽盖板、桥梁、高层建筑、海洋工程等结构中开始得到应用。2、发展历程一、概述3、配制与性能RPC典型组成、配合比和性能一、概述传统混凝土与UHPC的抗压强度范围3、配制与性能UHPC单轴压缩应力、应变曲线抗压性能OC/HSC-普通/高强混凝土一、概述FRC/HSFRC-普通/高强纤维混凝土，ECC-高延性水泥基复合材料3、配制与性能UHPC单轴拉伸应力、应变曲线抗拉性能钢筋增强UHPC—CRC的抗弯承载能力接近钢梁承载力水平，抗弯行为相似。一、概述3、配制与性能HPC、UHPC、钢筋增强UHPC和高韧性钢材的性能对比性能普通混凝土高性能混凝土UHPC抗压强度/MPa20～5050～100120～200抗折强度/MPa4～86～1010～60弹性模量/GPa30～4030～4030～60氯离子扩散系数（10-12m2·s-1）1.10.60.02碳化深度（mm）1020冻融脱落（g·m-2）＞10009007磨耗系数4.02.81.3一、概述3、配制与性能UHPC渗透性、耐久性平均指标，以及与HPC、OC对比4、标准规范一、概述（1）法国2002年，发布了第一部UHPC设计指南《Ultra-HighPerformanceFibreReinforcedConcrete-InterimRecommendations超高性能纤维增强型混凝土临时建议》，并于2013年发布修订版建议。由于缺少相应设计方法，这部“准标准”也被法国以外地区广泛采用。（2）瑞士2015年，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）发布了《SwissStandardSIA2052UHPFRCSIA2052UHPFRC瑞士标准》设计规范。4、标准规范一、概述法国三种UHPC材料性能参考值4、标准规范一、概述（3）德国德国从2004年到2016年，UHPC国际研讨会每4年开一次，UHPC的综合研究与欧洲规范（DFGSSP1182）都正在编制。德国钢筋混凝土协会（DAfStb）2003/2008年出版UHPC最新进展报告《Sachstandsbericht-UltrahochfesterBeton》，详细总结了UHPC材料性能、设计与施工方法，作为过渡性UHPC设计施工指南。fib（国际结构混凝土协会）的规范ModelCode2010，已经将纤维混凝土强度等级扩展到C200。现在，fib的TG8.6工作组（TaskGroup）正在编制UHPFRC设计指南。4、标准规范一、概述（4）日本2004年成功发布《UHPFRC设计与施工建议》（暂定），建议成功地应用到了羽田机场跑道的扩建工程中，这是迄今为止最大规模的UHPC应用。2004年日本土木工程学会（JSCE）颁布了《超高强纤维增强混凝土结构设计施工指南（草案）》，2006年出了英文版本。4、标准规范一、概述（5）韩国韩国在2008年制定了《K-UHPCDesignGuidelines(1stDraft)K-UHPC设计指南》（暂定），并在韩国混凝土协会（KCI）的协助下，于2012年发布《K-UHPCDesignGuidelinesK-UHPC设计指南》。（6）美国2015年，美国混凝土协会（ACI）成立了专注于UHPC的ACI239C委员会，负责编制《UHPC设计指南》。同时相关的ASTM标准工作正在进行。除此之外，美国联邦公路管理署（FHWA）出版系列UHPC技术文献，作为UHPC桥梁设计与发展的基础性技术文件。（7）加拿大2015年，加拿大标准协会（CSA）成立了UHPC工作组，负责编制设计规程。一、概述（8）中国标准-GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》对RPC的定义、等级分类、性能、材料要求、拌和、养护、检验等进行了规定。将RPC混凝土按照力学性能分为RPC100，RPC120，RPC140，RPC160，RPC180五个等级,同时对抗冻性、抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀作出了规定。4、标准规范等级抗压强度/MPa抗折强度/MPa弹性模量/GPaRPC100≥100≥12≥40RPC120≥120≥14≥40RPC140≥140≥18≥40RPC160≥160≥22≥40RPC180≥180≥24≥40当对于混凝土的韧性或延性有特殊要求时，混凝土的等级可由抗折强度决定，抗压强度不应低于100MPa。一、概述4、标准规范抗冻性（快冻法）抗氯离子渗透性（电量法）/C抗硫酸盐侵蚀性≥F500Q≤100≥KS120采用电量法测试活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性时，试件不应掺加钢纤维等导电介质。等级水胶比胶凝材料用量/（kg/m3）钢纤维体积掺量/%RPC100≤0.22≤850≥0.7RPC120≤0.20≤900≥1.2RPC140≤0.18≤950≥1.7RPC160≤0.15≤1000≥2.0RPC180≤0.14≤1000≥2.5掺加有机合成纤维时，其掺量不宜大于1.5kg/m3，硅灰用量不宜小于胶凝材料用量的10%，水泥用量不宜小于胶凝材料用量的50%。一、概述（9）中国标准-铁道部标准《客运专线RPC材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》4、标准规范项目抗压强度抗折强度弹性模量氯离子渗透量抗冻标号挡板、盖板≥130MPa≥18MPa≥40GPa40CoulF500构件设计：人行道挡板、盖板：抗压极限强度：fc=130MPa抗拉极限强度：Ec=48GPa保护层厚度：t≥10mm连接钢筋锚固长度：L≥4d一、概述（10）中国标准-《超高性能混凝土技术规范：材料与检验》清华大学与建材协会牵头的《超高性能混凝土技术规范：材料与检验》正在制定中。4、标准规范类型UC120UC160UC200fUc/MPa1201602020020类型UC-TIUC-TIIUC-TIIIfUte/MPa≥7.0≥7.0≥10.0fUtu/fUte0.71.11.2ɛUtu/‰1.52.0类型UC-BIUC-BIIUC-BIIIfUb/MPa≥15.0≥25.0≥35.0DCl-110-13m2/sD1510-13m2/sD51010-13m2/sD10抗拉性能等级抗压强度等级抗折强度等级渗透性等级一、概述4、标准规范性能符号典型值(28d龄期或蒸养后)检验标准/计算公式抗拉强度fUtu7–12MPa附录B/附录C弹性抗拉强度fUte7–12MPa附录B/附录C抗折强度fUb12~20MPaGB/T50081抗压强度fUc120–200MPaGB/T50081弹性模量EU40–60GPa附录B/附录C泊松比γU0.2/抗拉强度对应应变ɛUtu0–5‰附录B/附录C比断裂能GFU8–25kJ/m²RILEM？最终收缩值εU非蒸养:0.6–0.8‰经蒸养:0‰GB/T50082？最终徐变系数*ϕU非蒸养:1.0(t0=7d);0.8–1.0(t0=28d)经蒸养:0.2–0.4热膨胀系数αU10-5/°C？容重ρU2300~2700kg/m³？硬化超高性能混凝土的基本技术指标一、概述（11）地方标准湖南大学在超高性能混凝土轻型组合桥面结构方面编写了两部地方标准，如下：4、标准规范5、存在问题一、概述需要建立可靠的UHPC本构关系，包括UHPC在各种结构上的性能、结构是否配筋或配筋方法