NC-UHPC材料及其在桥梁工程中的应用-完整版

肖汝诚常温养护型UHPC材料及其在桥梁工程中的应用2018年10月6.展望与结语2.NC-UHPC材料4.新工法内容提要1.引言3.新结构5.工程应用Slide31、引言在古代东南亚的一些地区，存在利用藤条和竹子架设的人行桥中国古代也建造了很多结构和尺寸不一的石拱桥洋坑古木桥，朱元璋在此桥上走过古代的吊桥桥型？至今我们仍然只有四种桥梁基本类型。科学？结构理论？施工机械？古代工匠没有理论，凭经验和手工机械建造了桥梁甚至金字塔。材料？古代桥梁只能用木、石、藤、绳等天然建材；而现代桥梁采用钢和混凝土，这方面有别于古代桥梁。人类建桥已有几千年历史，是什么让现代桥梁有别于古代桥梁？Slide4正是混凝土和钢材的相继出现，改变了古桥格局1、引言更大更强复杂耐久Slide51、引言地震高烈度地区不良地质条件地区预制拼装技术快速施工技术快速修复技术超大跨度桥梁大型桥梁工程跨海桥梁工程需要轻质、超高强、耐久、耐腐蚀、耐疲劳性能优良的材料耐疲劳、耐腐蚀、可焊性好的钢材和具有性价比高的超高耐腐蚀、耐久性的混凝土材料可施工性能好、强度高、施工方便、早强型材料人类对桥梁性能要求的提高和建桥技术的发展，呼唤着建筑新材料的诞生重量轻，比强度高，韧性好Slide6纤维增强聚合物（FRP）以其轻质、超高强、耐腐蚀的优良性能变成一种颇具发展前途的新型材料。从20世纪40年代起，各类轻质高强的高性能复核材料（CFRP、GFRP、AFRP）陆续出现。用FRP材料建造了各种桥梁构件，如斜拉桥拉索等。FRP材料高强、轻质是未来混凝土的主要发展方向，可有效减轻结构自重，改善结构性能。1980s丹麦发明第一代超高性能混凝土（UHPC），此后发展迅速，因其具有超高的力学性能、良好的的耐久性和韧性，已在工程中得到广泛应用。超高性能混凝土1、引言国外已开发出屈服强度960MPa的高强度桥梁结构用钢,以及屈服强度690MPa的耐候桥梁结构用钢1974年日本大阪港大桥使用了超过6000t的700和800(MPa)级钢，瑞典48号军用桥等用到S960QL钢这些高强度钢的韧性、耐疲劳性、耐腐蚀性、可焊性等能满足需求高强度钢材建筑材料的新发展Slide7目前国内桥梁工程采用的主要是高温蒸养(ThermalSteamCuring)型UHPC(UltraHighPerformanceConcrete)1、引言在预制拼装连接、快速修复加固等诸多工程中一般只有常温养护条件因此瑞士等国家在过去二十年内一直致力于常温养护型(NormalCuring)UHPC（简称NC-UHPC）及其相关技术的研究这种材料因其优良的性能，可在结构、构件、连接中全面应用我国目前也已开展对于NC-UHPC的全面研究Slide81、引言同济大学UHPC创新团队近年来展开的主要研究课题包括：课题名称研究内容研究目的国家重点基础研究发展计划（973计划）:特大跨桥梁全寿命灾变控制与性能设计的基础研究课题三：多重作用耦合下结构性能衰变与全寿命设计（已经完成）UHPC组合桥面板的相关研究：在有限元分析基础上，设计并完成了新型预制式钢-UHPC组合桥面板结构与构造静力性能足尺模型试验研究。探明钢-UHPC组合桥面板在正负弯矩下的受力特点、破坏机理，为预制拼装化施工奠定基础。新型预制式钢-UHPC组合桥面板结构与构造获得国家发明专利国家自然科学基金面上项目（51878494）：预应力超高性能混凝土梁抗剪破坏机理及承载力研究（刚刚开展）预应力UHPC梁抗剪研究：一、预应力UHPC梁剪切破坏全过程精细化数值模拟方法；二、UHPC梁抗剪承载力简化计算方法；三、预应力UHPC梁剪切破坏机理及其关键影响因素分析；四、提出预应力UHPC梁抗剪承载力计算公式。基础设计理论研究：建立一套计入关键参数、具有适当安全度的UHPC梁抗剪承载力计算公式。Slide91、引言同济团队近年来展开的主要研究课题包括：课题名称研究内容研究目的上海市科学技术委员会科研计划项目（17DZ1204200）:基于NC-UHPC的城市快速路网桥梁工程快速修复技术（中期考核）基于不同功能的NC-UHPC系列新材料研究：一、钢-UHPC组合桥面板收缩性能试验研究；二、UHPCπ形梁收缩性能实桥测试；三、UHPC预制π型梁静力性能试验研究；四、矩形钢筋混凝土梁薄层加固抗弯试验；五、新型预制式钢-UHPC组合桥面板结加构性能静力试验研究；六、预制空心板梁桥破损铺装加固试验研究；七、钢筋-UHPC锚固性能研究。根据研发的新材料特性和技术指标，提出针对不同桥梁类型/部位的各种病害形式的桥梁工程快速修复技术。上海市自然科学基金项目（16ZR1439000）:可更换式正交异性钢-UHPC组合桥面研究（中期考核）可更换式正交异性钢-UHPC组合桥面系列研究：一、可更换式正交异性钢-UHPC组合桥面数值模拟；二、可更换式正交异性钢-UHPC组合桥面模型试验；三、可更换式正交异性钢-UHPC组合桥面在大跨度桥梁中的应用研究。探明可更换式正交异性钢-UHPC组合桥面的受力特点、破坏模式、最优构造，验证其在大跨度桥梁中的适用性和经济性。今天的报告主要汇报我们NC-UHPC创新团队的研究内容和实践体会，意在抛砖引玉，以迎接中国桥梁新材料应用时代的到来。课题名称研究内容研究目的浙江省交通运输厅科技项目：基于UHPC的跨海桥梁工程性能提升技术研究（即将开始）UHPC在跨海桥梁工程中的应用研究：一、海洋环境UHPC材料指标体系及评价方法；二、UHPC桥梁湿接缝的合理构造形式与力学性能；三、中小跨径新型装配式UHPC梁式桥梁研究；四、UHPC施工工艺及装备；五、UHPC质量管控及技术。以舟山港主通道为依托，提升跨海桥梁工程力学性能、耐久性能、可施工性能和经济性能。中电建路桥集团有限公司科技项目：红河特大桥设计与施工关键技术研究（已经开始）UHPC收缩徐变对结构性能影响研究：一、通过模型试验研究UHPC材料在不同养护方案下对桥面板结构受力的影响；二、建立试验模型的精细化有限元模型并结合实测数据进行修正，建立UHPC收缩徐变对结构受力影响的理论分析方法。建立UHPC材料收缩徐变试验及理论分析方法，用以分析UHPC材料收缩、徐变对组合桥面板的不利影响。同济团队近年来展开的主要研究课题包括：1、引言6.展望与结语2.NC-UHPC材料4.新工法内容提要1.引言3.新结构5.工程应用Slide122.材料2.1发展概述2.2力学性能2.3工作性能2.4耐久性能2.5其它性能介绍五方面内容钢筋屈服时，最大裂缝宽度在0.02~0.03mm之间裂缝宽度-应变曲线轴拉应力应变曲线Slide1321st1990s1980s1970sDesignspecifications（法国、瑞士）;Applications;GermanResearchFoundation(DFG),“SustainableBuildingwithUHPC”,12Million€,2005-2012;Europe,SAMARISandARCHESprojects(repairing);Korea,“SuperBridge200”(11Million$)NorthAmerica:NA-WG,ACI,PCI,DHS,FHWA,MTOACICommittee239UHPC,2011ReactivePowderConcrete(RPC)byRichard(1995)同时发表了专利和论文（活性粉末混凝土RPC技术源头）DuctalbyLarfarge(1998)(France)BSI、Ceracem、CEMTEC（非蒸养UHPC）DensitandCRC(CompactReinforcedComposite)byProfBache(Denmark)SIFCON(SlurryInfiltratedFiberConcrete)byNaamanHighStrengthCementPaste:vacuummixing&lowporosity&highpressure&highheat;高强水泥基材料技术丹麦发明第一代UHPC产品法国发明活性粉末混凝土各国研究UHPC材料及其设计规范2.1发展概述UHPC国内外相关规范Slide14Slide14法国标准NFP18-470瑞士标准SIA2052日本指南(JSCE)GB/T31387活性粉末混凝土国标中国建筑材料协会标准（意见征求稿）应用分类结构类或非结构类（装饰性构件）新结构或现有结构修复、加固结构和结构性构件预制构件结构类或非结构类养护要求常温和3种热养护模式现浇工程常温养护&预制构件可蒸汽养护90℃高温养护48h70±5℃蒸养48h或72h90℃蒸汽养护恒温48h抗拉性能应变软化、低应变强化、高应变强化U0、UA、UB，其中UA、UB为应变强化型，可用于结构初始开裂强度(弹性极限)超过4MPa，抗拉强度超过5MPa只有抗折强度UT05、UT07、UT10，其中UT07、UT10指标与瑞士规范中的UA、UB相同抗压强度结构类≥150MPa非结构类130~150MPa≥120MPa≥150MPa≥100MPa结构类≥150MPa非结构类≥130MPa标准内容2.1发展概述Slide152006年发布了高速公路UHPFRC（即UHPC）加固混凝土结构设计指南瑞士最早研究与实践了UHPC组合结构技术，并通过欧洲联合研究项目SAMARIS和ARCHES在欧洲国家推广应用2016年颁布了UHPC设计规范（特别针对组合结构桥梁）主要针对常温养护型UHPC的设计规范2.1发展概述Slide162018年发布的“UHPC类材料特性与性能”研究报告美国联邦公路管理局于2018年发布了“UHPC类材料特性与性能”研究报告，对不同类型UHPC材料特性与性能的研究成果进行了总结。2.1发展概述给出UHPC材料定义包括以下特点：水灰比小于0.25；抗压强度大于150MPa；裂后抗拉强度大于5MPa等。在美国桥梁建设中的运用逐年递增，分为：预制构件连接；基于UHPC的桥梁修复；全UHPC构件。0）材料制备原理：多元粉体最紧密堆积优化设计三元粉体最紧密堆积密度分布图5050组配合比不同粒径范围的三元粉体材料体系多元粉体最优化设计纳米尺寸三元微米尺寸三元毫米尺寸三元常温养护、高流动度的UHPC2.2力学性能下文试验和工程实例除特别注明外，都是由本研究团队研发的NC-UHPC材料Slide18相同抗弯承载力的构件截面示意112kg/m530kg/m467kg/m140kg/m工字钢钢筋混凝土结构预应力钢筋混凝土结构UHPCNC-UHPC材料具备超高强度、超高韧性、超高耐久性能以及良好施工性能的新品种水泥基结构工程材料。2.2力学性能Slide191）抗压强度发展曲线NC-UHPC抗压强度-龄期发展曲线NC-UHPC强度发展率-龄期发展曲线3天强度达到28天强度的80%（100mm立方体）2.2力学性能Slide202）轴拉性能钢筋屈服应变0.2%C50混凝土轴拉应力应变曲线NC-UHPC轴拉应力应变曲线极限拉应变0.42%材料特性高应变强化UHPCC50比值轴拉极限应变0.42%0.012%35.5轴拉极限应力12.2MPa2.3MPa5.32.2力学性能Slide212）轴拉性能：裂缝宽度控制能力钢筋屈服时，最大裂缝宽度在0.02~0.03mm之间NC-UHPC轴拉特性：又刚又韧（弹性模量高&拉伸应变=4200微应变）钢筋屈服之前，最大裂纹宽度仅为0.02~0.03mm0.1mm裂缝宽度在7天左右即可实现裂缝自愈合裂缝宽度-应变曲线轴拉应力应变曲线普通钢筋混凝土允许裂缝宽度0.2mm2.2力学性能轴拉应变(%)0天7天14天0.1mm宽度裂缝自愈合演化过程可视裂缝宽度0.05mmSlide22与其他类型UHPC材料裂缝控制的对比4.试验结果w=0.05/mm𝜺=0.2%高应变强化UHPC（TENACAL®）10.30.02512.20.4211.00.0