中德新亞建筑材料,有CGM高強無收縮灌漿料,風電灌漿料,裝配式灌漿料和座漿料,環氧樹脂灌漿料,石油化工灌漿料等 13691239168

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        超高性能混凝土(UHPC)知識問答

        來源:http://www.gdtynw.com 作者:中德新亞-建材 發布時間:2021-09-09

        1、超高性能混凝土有明確的定義嗎?

        有,且比較清晰明確,但還沒有形成國際上 統一的定義。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,簡稱UHPC),因為一般需摻入短切鋼纖維或聚合物纖維,也被稱作超高性能纖維增強混凝土(Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete,簡稱UHPFRC)。UHPC不同于傳統的高 強混凝土(HSC)和鋼纖維混凝土(SFRC),也不是傳統意義“高性能混凝土(HPC)”的高強化,而是性能指標明確的新品種水泥基結構工程材料, 較有代表性的定義和需要具備的特性如下:

        ● 是一種組成材料顆粒的級配達到最佳的水泥基復合材料;

        ● 水膠比小于0.25,含有較高比例的微細短 鋼纖維增強材料;

        ● 抗壓強度不低于150MPa;具有受拉狀態的韌性,開裂后仍保持抗拉強度不低于5MPa(法國要求7MPa);

        ● 內部具有不連通孔結構,有很高抵抗氣、 液體浸入的能力,與傳統混凝土和高性能混凝土(HPC)相比,耐久性可大幅度提高。

        2、超高性能混凝土與活性粉末混凝土有什么差異?

        活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, 簡稱RPC)是UHPC中的一個產品名稱。

        商業化生產供應的UHPC產品均為專利配方產品,有獨自的名稱或商標。最早的UHPC專利是丹麥H.H. Bache在1979年申請的,20世紀80 年代他所在公司注冊商業化產品商標為Densit?, 至今仍由Densit公司使用和營銷。到上世紀90年代,法國出現多個UHPC產品品牌,包括RPC、 Ductal、BSI、CEMTEC、BCV等,其中Ductal? 是拉 法基公司的產品商標,RPC則是Bouygues公司產 品名稱。

        有關RPC的研發、性能介紹和宣傳較多,知名度相對較高。1999年清華大學教授覃維祖等 發表文章“一種超高性能混凝土-活性粉末混凝 土”,最早以“活性粉末混凝土(RPC)”名稱介紹 UHPC,并與其研究生曹峰進行試驗研究,實現了 RPC相同的力學性質;北京科技大學教授劉娟紅和北京建筑大學教授宋少民在2013出版編著的 《活性粉末混凝土》中系統介紹了國內外有關研 究成果;2015年我國頒布了RPC的國標《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)。目前,RPC在中國還與UHPC并列使用。

        1994年法國學者De Larrard等將這類新材料稱作UHPC(超高性能混凝土),由于該名稱沒 有商業色彩,而且能更好地表達這種水泥基材料或混凝土的優越性能,在國際上逐步被廣泛接受 和采用。其中,“超高性能”表達的是混凝土(或水泥基復合材料)同時具備“超高強”、“高韌性 “和“高耐久性”等優良性能特征,與“高性能混凝土(HPC)”內涵范圍不同。因此,UHPC并不是 HPC的延伸或高強化,而是具有新本構關系和結構壽命的水泥基工程材料。

        3、超高性能混凝土到底是混凝土還是砂漿?

        傳統上,混凝土和砂漿是以最大骨料粒徑來劃分的。最大骨料粒徑超過5mm(或4.75mm)即含有粗骨料,是混凝土,否則是砂漿。有的UHPC 使用粗骨料,有的不使用粗骨料,所以UHPC既可以是混凝土,也可以是砂漿。但是從廣義上說,我國普遍稱之為混凝土骨料的aggregate(亦譯成集料)除砂石等粗、細骨料外,還可以是各種纖維和例如加氣混凝土中的氣泡等,所以把砂漿叫做混凝土,并無可非議。

        最早的UHPC(丹麥Densit?)最大骨料粒徑 16mm。法國研發RPC時提出,為了提高材料的勻質性,不使用粗骨料,所使用細骨料的最大粒徑小于0.6mm。但是,使用粗骨料的UHPC在某些方面性能更好,如收縮小、耐磨性好等,而且攪拌的均勻性也更好。目前實際應用的UHPC,最大骨料粒徑大多在2mm~8mm。應根據UHPC用途、成本或特殊性能要求,確定UHPC適宜的最大骨料 粒徑。

        4、超高性能混凝土具有什么性能特點?

        UHPC的性能特點可以用“超高強、高韌性和 高耐久性”來概括。

        “超高強”指UHPC可實現水泥基材料強度 (抗壓、抗拉、抗彎、抗剪、抗沖擊等強度)跨越式的提高,更重要的是UHPC能夠有效利用 鋼纖維的強度及其與膠凝材料漿體的緊密粘接來實現拉伸的“應變硬化”行為(如圖1所示,類似鋼材的“屈服”),有較大的變形能力;鋼纖維體積摻量1%~2%的UHPC就能跨入韌性材料的行列(見表1,斷裂能超過1000N/m的材料被劃分為韌性材料)。UHPC可大幅度提高鋼在混凝 土中的強度利用效率,形成混凝土、鋼纖維、鋼筋更加協調的鋼-混凝土復合的新模式,實現混凝土結構的輕質高強和高韌性。此外,還可制備具有優良耐磨、抗沖擊、抗爆和耐高溫等性能的UHPC。

        在無裂縫的狀態下,UHPC的氣體、液體滲透性非常低;而在高應變和微裂縫狀態下,UHPC的滲透性也能夠保持在很低的水平,而微裂縫還具備良好的自愈合能力,因此UHPC結構擁有高耐久性的潛力,已得到迄今15年惡劣環境暴露試驗的證實。UHPC的耐久、耐候性能遠遠超越其他結構工程材料(鋼材、鋁材、塑料等)。

        5、超高性能混凝土的強度比鋼材強度還高嗎?

        沒有。UHPC是纖維增強增韌的水泥基復合材料,還可以進一步用鋼筋增強。與其他材料相比,需要明確UHPC的增強增韌狀態:

        ● 混凝土材料的抗拉強度與抗壓強度的比值 (以下簡稱拉壓比)隨其抗壓強度的增長而幾乎呈直線下降。C10混凝土拉壓比約為1/10,C80的則可下降到約1/18。UHPC基體(未摻用鋼纖維 時)即超高強混凝土,脆性非常大(因材料抗拉 強度/抗壓強度比值很低而使構件延性比很低), 無法與韌性材料如鋼材相比。

        ● 隨鋼纖維強度提高、摻量增大和尺寸、形狀優化,以及基體強度的提高,UHPC成為韌性 或高韌性材料,抗拉強度大幅度提高(遠遠高于其他的各種水泥基材料,如圖1所示),但比鋼材抗拉強度還是要低約一個數量級(見表1 中對比)。

        ● 鋼筋增強UHPC(也被稱作CRC、HRUHPC 或R-UHPFRC),以及預應力高強鋼筋UHPC的抗拉、抗彎強度可比傳統高強鋼筋混凝土的高出2個數量級,比較接近高強韌性鋼材的強度(見表1 和圖2中對比)。需要注意的是,UHPC作為復合材料或結構達到如此高強度,依靠的是鋼材—鋼纖維和鋼筋的強度,因此,UHPC的本征強度不可能超過鋼材。

        與鋼材相比,UHPC在強度方面并沒有優勢, 其優勢主要是與傳統的鋼筋混凝土或鋼纖維增強的鋼筋混凝土相比,因表觀密度(容重)相對較低,使構件比強度(強度/質量比)和比剛度(剛 度/質量比)可以達到并超過鋼材的水平(見表1中對比),而且因具有一定的應變硬化的能力,可大大提高構件的延性比,適合建造輕質高強、高韌性的結構。

        6、超高性能混凝土的最高強度有多少?

        目前,研究報告所獲得的最高抗壓強度是 810MPa(即RPC800,使用短鋼纖維和鋼骨料, 50MPa壓力壓制成型試件,并采用250℃~400℃高溫高壓養護)。

        UHPC獲得超高強度的先決條件是獲得高 密實度的基體混凝土(或砂漿)。按照丹麥H.H. Bache發展的DSP(Densified System with ultrafine Particles)理論,即:用充分分散的超細顆粒 (硅灰)填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中,可以實現膠凝材料體系顆粒堆積致密化和非常低水膠比,從而使UHPC基體混凝土或砂漿具備 超高抗壓強度。使用優化的鋼纖維提高抗壓、 抗拉強度和韌性。依靠機械性壓力壓實,采用常壓或高壓熱養護,可以進一步提高UHPC密實度和強度。

        如 今,常用 UHPC 抗壓強度在 1 5 0 MPa ~250MPa范圍。在此范圍,采用常規的強制式攪 拌、密實方法(自密實或振動)成型和養護(常溫保濕或常壓蒸汽養護),就能夠進行現澆和預制應用。UHPC的抗壓強度通常只有質量指標的意 義,因為在結構應用中,主要關注的是UHPC抗拉或抗彎強度以及應變硬化。需要根據應用場合, 選用適宜的纖維品種和摻量,實現要求的UHPC 抗拉或抗彎強度;配置鋼筋或預應力技術,實現 UHPC結構的輕質高強。

        7、超高性能混凝土現在有哪些工程應用?應用的目的?

        在世界范圍,UHPC已經有很多工程應用, 包括:

        ● 橋梁:人行天橋(1997年最早的UHPC結構 應用)、公路和鐵路橋的多種橋梁結構,用于提 高橋梁跨徑或減小橋梁高/跨比、實現橋梁快速施工和提高橋梁耐久性與壽命。

        ● 橋面板:解決橋面板受凍融和除冰鹽作用劣化快的難題,提高耐久性、快速施工。

        ● 結構連接:預制混凝土橋面板、風電鋼塔筒等灌縫連接,實現高強度結構連接。

        ● 維修加固:橋梁和建筑的梁板柱、燈塔、道路路面、水工沖磨結構等,用于結構保護、功能恢復,或結構加固、提高結構承載能力,延長結構使用壽命。

        ● 房屋建筑:薄壁陽臺與樓梯、鏤空幕墻等, 用于輕巧美觀結構,或承載、功能和裝飾一體的結構。

        ● 污水設施:污水管道、污水處理廠設施,降低維護維修費用,提高使用壽命或替代不銹鋼降 低建造成本。

        ● 街具、家具:城市雕塑、街具、家具等,造型優美、耐久耐用。

        ● 蓋板:高鐵電纜溝蓋板(中國的主 要應 用),減小重量、高耐久性。

        ● 某些替代鑄鐵鑄鋼產品:鉆孔樁鉆頭、檢查井蓋、雨水篦子等,降低成本、提高使用壽命。

        ● 抗爆、抗侵入結構:軍事工程、銀行金庫等,提高安全性等等。

        8、超高性能混凝土結構的優缺點有哪些?

        與高強和高性能混凝土(HSC/HPC)結構對比:從表觀密度比較,UHPC的稍高。UHPC似乎 不能算是“輕質材料”。然而,在力學性能方面, UHPC大幅度超越了HSC/HPC,從強度/質量比 (比強度)和剛度/質量比(比剛度)以及可建造 的輕質高強結構來分析對比,UHPC應歸入“輕 質高強”材料。UHPC適合于建造“細、薄、巧、 輕”的混凝土結構,改變了混凝土結構“肥梁胖 柱”的面貌。在耐久性方面,UHPC也比HPC有了長足的進步。從理論上和目前試驗結果分析, 在大多數惡劣自然環境中,UHPC的結構壽命預 期是HPC結構壽命的至少2倍以上。在海洋環境中,UHPC結構的工作壽命超過200年是完全可能的。

        與鋼結構對比:在比強度和比剛度上,鋼筋 UHPC(CRC、HRUHPC或R-UHPFRC)梁能夠達到鋼梁的水平(參考表1和圖2)。在耐久與耐火性 能方面,UHPC結構則具有顯著優勢。

        UHPC結構的缺點:UHPC材料制備成本相對 較高,結構設計和施工相對復雜,目前應用技術 發展的成熟程度還較低。在性能上,相應于很高的抗壓強度,UHPC的彈性模量與鋼材的相差很遠,碳素鋼的彈性模量約為210GPa,而UHPC彈性模量只有50GPa~60GPa。此外,必須要注意到很低的水膠比造成較大的自收縮?,F在已有人在研究解決此問題的技術。


        9、超高性能混凝土容易配制嗎?

        配制出UHPC不難,但工業化生產制備性能優良、穩定的UHPC并不容易。

        UHPC制備理論經歷了近40年發展,已經比較成熟,遵循的基本原則是使基體密實度最大化?,F在,配制UHPC的技術途徑和使用材料呈現多樣化發展,除了水泥和硅灰外,應用或研究的礦物原材料包括納米二氧化硅、納米碳酸鈣、納米碳管、磨細或分選超細粉煤灰、超細礦粉、超細水泥、稻殼灰、偏高嶺土、石英 粉、玻璃粉,等等。因為原材料質量和性能要求較高、原材料種類增多以及使用纖維等,UHPC材料性能的影響因素多元和復雜,增加了生產質量控制的難度。

        10、超高性能混凝土工程應用的瓶頸在哪?會廣泛應用嗎?

        瓶頸在于還比較缺乏設計方法和規范,缺乏施工經驗以及材料成本較高。

        作為新型工程結構材料,需要新建立UHPC 的本構關系、設計方法和規范,作為應用的指導。至今,許多國家“設計規范”的瓶頸正逐步 被突破,法國、日本和韓國已有UHPC設計指南可以作為結構設計依據,有些國家和國際組織 (fib、ACI等)的規范或指南已經在起草或完善階段?,F澆施工、構件與產品預制技術,相關專 用生產、施工設備或機具,還處于開發或改進完善階段。隨著應用增多,預計施工與裝備技術會快速進步。

        在UHPC的材料成本構成中,鋼纖維所占的比重最大,達到UHPC總材料成本的一半以上;基體材料包括膠凝材料(水泥、硅灰等)、減水劑和骨料則屬于通用的優質材料,雖需要“精挑細選”,成本也高,但高得有限。因此,提高纖 維的增強增韌效率,是降低UHPC材料成本的 關鍵?,F在UHPC應用規模較小,也是其成本較高的原因。隨著應用規模的增大,UHPC的原材料,特別是纖維的大規模工業化生產和充分的市場競爭,價格有望顯著降低,使UHPC的成本降低。

        與普通、高強 / 高性能混凝土相比,由于 UHPC制備、施工技術的復雜性和較高的成本,決定了UHPC不會是普遍適用的工程材料,而是現代工程材料的有益補充,是用于解決工程中遇到的難題,建造性能更好、更美觀的工程結構。然而,UHPC的價值和潛力,現在還遠遠沒有得到 充分挖掘和有效利用,還面臨巨大的發展空間。UHPC的價值將體現在:

        ● 用于創新輕質高強韌性混凝土結構;在一些場合,降低結構或工程的綜合建造成本;

        ● 建造超高耐久性和超長工作壽命的工程結構,低養護維修費用,獲得比傳統結構低的壽命周期成本(LCC,Life Cycle Cost);

        ● 應用UHPC建造的結構,具有顯著的節材、 節能和減排效果,有利于可持續發展。決定了UHPC不會是普遍適用的工程材料,而是現代工程材料的有益補充,是用于解決工程中遇到的難題,建造性能更好、更美觀的工程結構。然而,UHPC的價值和潛力,現在還遠遠沒有得到充分挖掘和有效利用,還面臨巨大的發展空間。UHPC的價值將體現在:

        ● 用于創新輕質高強韌性混凝土結構;在一些場合,降低結構或工程的綜合建造成本;

        ● 建造超高耐久性和超長工作壽命的工程結構,低養護維修費用,獲得比傳統結構低的壽命周期成本(LCC,Life Cycle Cost);

        ● 應用UHPC建造的結構,具有顯著的節材、 節能和減排效果,有利于可持續發展。

        11、UHPC的高耐久性與“高強不一定耐久”是否形成悖論?

        傳統的混凝土“高強不一定耐久”的原因主要是抗壓強度越高,抗拉強度與抗壓強度的比值越低,則開裂敏感性越高,在混凝土結構服役期間,長期大氣溫、濕度交替變化作用會促使不可見裂縫的開展而變得可見,進而使空氣和水進入,促使鋼筋銹蝕,結構劣化。在服役期間這 樣的裂縫主要是干燥收縮裂縫。在一定的漿骨 比下,影響干燥收縮大小的因素主要是水膠比。UHPC的水膠比很低,一般不大于0.2,則其干縮值就很低,而且,水化進行到一定程度后,其密實的結構則有效阻止內部水分的損失,90天的干縮值約為80×10-6~170×10-6 。因此,這個因素在 UHPC中應當不存在。

        混凝土總的收縮值中包括失水引起的干燥 收縮和當體積較大而硬化后內部與外部環境難 以進行水分交換時因繼續水化消耗毛細孔中的水 而產生的自干燥收縮(簡稱自收縮)。如圖3所示, 在水膠比較大時(例如大于0.3),這兩種收縮之和值與水膠比基本上沒有關系。水膠比越低,自收縮越大,而干縮越大。當水膠比很低時(例如 小于0.3),盡管干縮減小,而自收縮值卻隨水膠比的降低而增長迅速,則二者疊加的總收縮值不再是常量,而是隨之增大。但是UHPC中的鋼纖維應當對裂縫有限制和分散的作用。這方面的研 究工作還需要進一步加強。目前UHPC在結構工 程中的應用還不足20年,尚需經過更長時間的考驗,例如30年、50年。

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