超高性能混凝土(UHPC)研究

1、超高性能混凝土 UHPC超高性能混凝土（UHPC）-研究綜述 主講人： 金凌志 2016.4超高性能混凝土 UHPC課程性質(zhì)和地位課程性質(zhì)和地位性質(zhì)：性質(zhì)：超高性能混凝土（Uitra high Perforance Concrte）結構研究與應用是一門研究型選修課。地位：地位：是一門提高本科生專業(yè)素養(yǎng)，擴展國際視野，培養(yǎng)科研能力的拓展課程，也是給準備考研的同學提供超前學習機會的課程。前期基礎課程：前期基礎課程：混凝土結構設計原理及混凝土結構、房屋建筑學、土木工程材料、材料力學、理論力學、結構力學等。超高性能混凝土 UHPC課程學習目的課程學習目的1 了解國家高性能混凝土材料研究前沿，順應時代新

2、能源新材料的需求。2 指導學生本科階段研究學習，培養(yǎng)學生對科協(xié)研究的興趣，培養(yǎng)科學思維，為未來的深造和就業(yè)做準備。3 以為UHPC為載體，了解科學研究工作需要做哪些準備？研究什么內(nèi)容？其過程如何？4 學會查找參考文獻，熟悉論文寫作。超高性能混凝土 UHPC課程學習要求課程學習要求1 實踐為主，積極參與研究生的梁抗剪結構試驗，學習試驗方法，了解試驗過程，有時間盡量多可能積極參與試驗。 對UHPC的（）相關內(nèi)容要多看資料，及時做筆記，掌握材料配比，熟悉試驗參數(shù)，觀察試驗現(xiàn)象，分析試驗結果。 通過學習和參與試驗，完成一篇3000字的試驗報告，或者寫作一篇科研論文。超高性能混凝土 UHPC課程主要內(nèi)容

3、課程主要內(nèi)容0 0 超高性能混凝土的提超高性能混凝土的提出和世界各國的研究出和世界各國的研究動態(tài)動態(tài)1 UPHC1 UPHC的的基本配合比基本配合比與與技術指標技術指標2 2 制備技術制備技術3 3 超高性能機理超高性能機理4 4 材料性能研究材料性能研究5 5 工程應用研究工程應用研究6 6 未來研究方向未來研究方向超高性能混凝土 UHPC 混凝土：混凝土： 由膠凝材料（水泥、細由膠凝材料（水泥、細骨料（砂）、粗骨料（石骨料（砂）、粗骨料（石子）、溶劑（水）以及必要子）、溶劑（水）以及必要時摻入的化學外加劑組成，時摻入的化學外加劑組成，經(jīng)過膠凝材料凝結硬化后，經(jīng)過膠凝材料凝結硬化后，形成具有

4、一定強度和耐久性形成具有一定強度和耐久性的人造石材。的人造石材。優(yōu)點：優(yōu)點： 相對于其他材料，混凝土相對于其他材料，混凝土生產(chǎn)能耗低、原料來源廣、工生產(chǎn)能耗低、原料來源廣、工藝簡便、成本低廉且具有耐久、藝簡便、成本低廉且具有耐久、防火、適應性強、應用方便等防火、適應性強、應用方便等特點。特點?；炷两榻B混凝土介紹缺點缺點 自重大、脆性大和自重大、脆性大和強度（尤其是抗拉強度）強度（尤其是抗拉強度）低，使用范圍狹窄；對于低，使用范圍狹窄；對于低強度的混凝土，在滿足低強度的混凝土，在滿足相同功能時用量較大，不相同功能時用量較大，不符合國家節(jié)約、降耗要求。符合國家節(jié)約、降耗要求。引言引言超高性能混凝

5、土 UHPC2 2）2020世紀世紀7070年代末，年代末，由于減水劑和高活由于減水劑和高活性摻合料的開發(fā)和性摻合料的開發(fā)和應用，強度超過應用，強度超過60 60 MpaMpa。3 3）纖維增強混凝）纖維增強混凝土（土（FRCFRC）：加入）：加入鋼纖維（常用）鋼纖維（常用）4)4)對對混凝混凝土的耐腐蝕土的耐腐蝕性、耐久性和抵抗各性、耐久性和抵抗各種惡劣環(huán)境的能力提種惡劣環(huán)境的能力提出出高性能混凝土高性能混凝土(HPC(HPC）6 6）BachelBachel采用細料致密采用細料致密法，發(fā)揮硅灰和高效減水法，發(fā)揮硅灰和高效減水劑的作用，達到減小孔隙劑的作用，達到減小孔隙率，制備的率，制備的1

6、50200Mpa150200Mpa混凝土得到運用?；炷恋玫竭\用。5 5）BrumaueBrumaue報道了抗壓強度達到240MPa的低孔隙率的水泥基材料。1 1）2020年代、年代、5050年年代和代和7070年代年代, ,混凝混凝土的平均抗壓強度土的平均抗壓強度可分別可分別2020、3030、40Mpa40Mpa。引言引言高強混凝土的發(fā)展高強混凝土的發(fā)展超高性能混凝土 UHPC8）20世紀90年，法國Bouygues在DSP、MDF及鋼纖維混凝土研究基礎上，研發(fā)出RPC。9 9）19941994年年LarrardLarrard等等首次提出超高性能混首次提出超高性能混凝土（凝土（UHPCUH

7、PC）的概念。）的概念。10) 10) 以以 制備原制備原理為基礎的理為基礎的 材料的研究與應用，材料的研究與應用，是當今水泥基材料發(fā)是當今水泥基材料發(fā)展的主要方向之一。展的主要方向之一。7)Birchal7)Birchal等開發(fā)等開發(fā)出無宏觀缺陷出無宏觀缺陷(MDF)(MDF)水泥基材料水泥基材料, ,抗壓抗壓強度達到強度達到200Mpa200Mpa。高性能混凝土的發(fā)展高性能混凝土的發(fā)展引言引言超高性能混凝土 UHPC1、美國國家科學基金會于年投資建立了一個、美國國家科學基金會于年投資建立了一個“高高級水泥基材料科技中心級水泥基材料科技中心”，美國聯(lián)邦公路局以美國聯(lián)邦公路局以 為為研究對象，

8、對研究對象，對 開展了系統(tǒng)的研究，進行了開展了系統(tǒng)的研究，進行了10001000多個試件的測試，研究內(nèi)容包括配制技術、強度、耐久多個試件的測試，研究內(nèi)容包括配制技術、強度、耐久性和長期性能等力學性能。性和長期性能等力學性能。2 2、法國土木工程學會在大量研究的基礎上，于、法國土木工程學會在大量研究的基礎上，于20022002年制訂了超高性能纖維混凝土的指南（初稿）。年制訂了超高性能纖維混凝土的指南（初稿）。高強混凝土各國研究進展高強混凝土各國研究進展引言引言3 3、日本土木工程協(xié)會也于、日本土木工程協(xié)會也于20042004 年制訂了相應的設計年制訂了相應的設計施工指南（初稿），并于施工指南（初

9、稿），并于20062006年出版了英文版本。年出版了英文版本。超高性能混凝土 UHPC 高強混凝土各國研究進展高強混凝土各國研究進展5 5、我國從、我國從2020世紀世紀9090年代開始了年代開始了UHPCUHPC的研究，取得了的研究，取得了系列研究成果，國家標準活性粉末混凝土已于系列研究成果，國家標準活性粉末混凝土已于20152015年年2 2月出版。月出版。4 4、韓國提出了一個超級橋梁的計劃，希望通過、韓國提出了一個超級橋梁的計劃，希望通過應用應用UPHCUPHC建造橋梁，減少建造橋梁，減少20%20%的工程造價，在的工程造價，在1010年內(nèi)節(jié)省年內(nèi)節(jié)省2020億美元的投資，減少億美元的

10、投資，減少44%44%二氧化二氧化碳的排放量和減少碳的排放量和減少20%20%的養(yǎng)護費用。的養(yǎng)護費用。超高性能混凝土 UHPC高性能混凝土會議高性能混凝土會議 1、2004年9月在德國的卡塞爾舉行的UHPC 國際會議上，與會專家認為UHPC雖然被命名為混凝土材料，但是卻可以認為是一種新型材料，是新一代水泥基建筑材料。引言引言 2、2009年在法國馬賽舉行的超高性能纖維增強混凝土國際會議上，與會專家認UHPFRC低碳環(huán)保且性能優(yōu)異，可以用來建造低碳混凝土結構，在未來必將得到大力發(fā)展。超高性能混凝土 UHPC高性能混凝土運用情況高性能混凝土運用情況引言引言 盡管盡管 自出現(xiàn)以來，不斷被應用于橋梁、

11、建筑、核電、市政、海自出現(xiàn)以來，不斷被應用于橋梁、建筑、核電、市政、海洋等工程之中，然而應用發(fā)展遠低于預期。以應用最多的橋梁為例，自洋等工程之中，然而應用發(fā)展遠低于預期。以應用最多的橋梁為例，自19971997 年第一座年第一座UHPCUHPC橋加拿大魁北克省橋加拿大魁北克省SherbrookeSherbrooke的的RPCRPC橋建成以來，十幾年間全橋建成以來，十幾年間全世界也僅建成余座，且以中小跨徑與人行橋為主。在中國，世界也僅建成余座，且以中小跨徑與人行橋為主。在中國， 實際工程應用也極少，以橋梁為例，僅在鐵路上有座梁橋的應用，目前實際工程應用也極少，以橋梁為例，僅在鐵路上有座梁橋的應用

12、，目前 座公路梁橋正在建設之中。座公路梁橋正在建設之中。 一方面，有關一方面，有關 的研究主要集中在發(fā)達國家，的研究主要集中在發(fā)達國家，而這些國家已完成大規(guī)模的基礎設施建設，推動其研究與而這些國家已完成大規(guī)模的基礎設施建設，推動其研究與應用的市場動力不足；另一方面，發(fā)展中國家雖然有較大應用的市場動力不足；另一方面，發(fā)展中國家雖然有較大的基礎設施建設的需求，但是基礎研究不足和的基礎設施建設的需求，但是基礎研究不足和 價價格較高，影響了其在工程中的應用。格較高，影響了其在工程中的應用。超高性能混凝土 UHPC高性能混凝土運用情況高性能混凝土運用情況引言引言我國研究高性能混凝土的意義：我國研究高性能

13、混凝土的意義：1）在今后相當長一段時間內(nèi)，中國仍處于大建設時期，隨著對節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高，對混凝土性能的要求也將越來越高。2）高性能混凝土推廣應用是強化節(jié)能減排、防治大氣污染的有效途徑，能提高建筑質(zhì)量，延長建筑物壽命，提升防災減災能力，有利于推動水泥工業(yè)結構調(diào)整。3）為中國UHPC 技術、混凝土材料與工程結構走在世界前列做出積極的貢獻。超高性能混凝土 UHPC1 UHPC1 UHPC制備基本原理與技術指標制備基本原理與技術指標減小減小孔孔隙率隙率優(yōu)化孔結構優(yōu)化孔結構提高密實度提高密實度摻入纖維摻入纖維UHPC制備的基本原理和主要方法 普通混凝土作為一種多孔的不均勻材料，孔結構是

14、影響其強度的主要因素，而固體混合物的顆粒體系所具有的高堆積密實度是混凝土獲得高強度的關鍵。超高性能混凝土 UHPC1 RPC1 RPC制備基本原理與技術指標制備基本原理與技術指標RPC RPC 獲取超高性能的主要途徑獲取超高性能的主要途徑（）剔除粗骨料，限制細骨料的最大粒徑不大于（）剔除粗骨料，限制細骨料的最大粒徑不大于300um300um，提高了骨料的均勻性。提高了骨料的均勻性。（）通過優(yōu)化細骨料的級配，使其密布整個顆?？臻g，（）通過優(yōu)化細骨料的級配，使其密布整個顆粒空間，增大了骨料的密實度。增大了骨料的密實度。（）摻入硅粉、粉煤灰等超細活性礦物摻合料，使其具（）摻入硅粉、粉煤灰等超細活性礦

15、物摻合料，使其具有很好的微粉填充效應，并通過化學反應降低孔隙率，減有很好的微粉填充效應，并通過化學反應降低孔隙率，減小孔徑，優(yōu)化了內(nèi)部孔結構。小孔徑，優(yōu)化了內(nèi)部孔結構。（）在硬化過程中，通過加壓和熱養(yǎng)護，減少化學收縮，（）在硬化過程中，通過加壓和熱養(yǎng)護，減少化學收縮，并將并將C-S-HC-S-H轉化成托貝莫來石，繼而成為硬硅鈣石，改善材轉化成托貝莫來石，繼而成為硬硅鈣石，改善材料的微觀結構。料的微觀結構。（）通過添加短而細的鋼纖維，改善材料延性。（）通過添加短而細的鋼纖維，改善材料延性。超高性能混凝土 UHPCRPC定義定義: 以水泥、礦物以水泥、礦物 摻合料、摻合料、細骨料、高強度微細鋼纖維

16、或有機細骨料、高強度微細鋼纖維或有機合成纖維合成纖維 等原料生產(chǎn)的超高性能纖等原料生產(chǎn)的超高性能纖維增強細骨料混凝土維增強細骨料混凝土1 1 RPCRPC制備基本原理與技術指標制備基本原理與技術指標超高性能混凝土 UHPC我國國家標準活性粉末混凝土對我國國家標準活性粉末混凝土對RPC按力學性能的等級劃分見表按力學性能的等級劃分見表1。 對抗壓強度要求最低為對抗壓強度要求最低為100100，比法國，比法國和日本的抗壓強度和日本的抗壓強度150150要低。要低。1 R1 RPCPC制備基本原理與技術指標制備基本原理與技術指標超高性能混凝土 UHPC 制備技術制備技術目的：目的：降低成本、提高性能。

17、降低成本、提高性能。突破點：突破點：材料組分和配合比材料組分和配合比. 材料組分與配合比材料組分與配合比部分碳纖部分碳纖維和全部維和全部碳纖維碳纖維鋼纖維鋼纖維采用采用80級焊接鋼級焊接鋼筋網(wǎng)筋網(wǎng)低模量的聚丙烯纖低模量的聚丙烯纖維、中模量的耐堿維、中模量的耐堿玻璃纖維和高模量玻璃纖維和高模量的鋼纖維混雜的鋼纖維混雜2.1.1 尋找鋼纖維的替代品：尋找鋼纖維的替代品：最終破壞形態(tài)表現(xiàn)出很大的脆性破壞?？辜魪姸瘸^采用鋼纖維的UHPC 梁，且施工方便，成本大大降低。一些力學性能得到一定程度的改善而 提高。超高性能混凝土 UHPC. 材料組分與配合比材料組分與配合比 制備技術制備技術2.1.2 尋找

18、水泥的替代品：尋找水泥的替代品：1）用粉煤灰取代）用粉煤灰取代60的水泥；的水泥；2）RPC中采用粉煤灰和礦渣替代水泥和硅灰；中采用粉煤灰和礦渣替代水泥和硅灰；3）棕櫚油灰取代）棕櫚油灰取代50的膠凝材料；的膠凝材料；4）用稻殼灰取代硅灰；）用稻殼灰取代硅灰；5）選擇多種減水劑進行耦合。）選擇多種減水劑進行耦合。超高性能混凝土 UHPC拌制注意事項：拌制注意事項：1 1）與普通混凝土不同，與普通混凝土不同，RPCRPC由于采用基體材料細粒徑組由于采用基體材料細粒徑組分材料鋼纖維進行配制，在拌制過程中容易聚團，會影響分材料鋼纖維進行配制，在拌制過程中容易聚團，會影響RPCRPC成型的均質(zhì)性和材料

19、性質(zhì)。成型的均質(zhì)性和材料性質(zhì)。2 2）采用的攪拌設備、混合料的拌制時間與順序等也要考慮。）采用的攪拌設備、混合料的拌制時間與順序等也要考慮。3 3）注意）注意RPCRPC澆注時鋼纖維方向分布對澆注時鋼纖維方向分布對RPCRPC的拉抗強度等性能的拉抗強度等性能的影響。的影響。4 4）高溫、加壓養(yǎng)護是）高溫、加壓養(yǎng)護是UHPCUHPC獲得高性能的重要手段，溫度越獲得高性能的重要手段，溫度越高、時間越長，參加反應的硅灰越多，內(nèi)部結構也就越密實。高、時間越長，參加反應的硅灰越多，內(nèi)部結構也就越密實。5 5）養(yǎng)護時的壓力對）養(yǎng)護時的壓力對 的性能也有影響。的性能也有影響。 制備技術制備技術. . 拌制與

20、養(yǎng)護技術拌制與養(yǎng)護技術超高性能混凝土 UHPC 超高性能機理超高性能機理. 微觀結構微觀結構 1） 從測量的納米尺度力學性能出發(fā)， 采用四層次多尺度微觀結構模型，精確計算的剛度，且證實了纖維基體界面無缺陷。2）RPC 的密 實 度 與 強 度 之 間 存 在 著 高 度 的 相 關性，但是最大密實度并不代表最高強度，強度取決UHPC于其微觀結構和水化階段的性能。3） 高溫可促進水泥、硅灰和石英粉的化學反應，當 溫度達到250時，RPC中出現(xiàn)硬硅鈣石。隨著養(yǎng)護溫度的增加，-凝膠平均鏈長增加，堿激發(fā)水泥RPC（堿礦渣水泥基活性粉末混凝土ARPC）在抗壓強度相同情況下，具有更 高的抗彎性能、斷裂能以

21、及與鋼筋的粘結性能；由于 ARPC的CaOSiO2較低，其納米的孔結構有利于水分的逸出，內(nèi)部孔壓力較低，因此具有更好的抗火性能。超高性能混凝土 UHPC1)未摻入鋼纖維，未摻入鋼纖維，UHPC表現(xiàn)更大脆性。表現(xiàn)更大脆性。UHPC 一般摻有纖維，故一般摻有纖維，故它也可視為基體與纖維它也可視為基體與纖維的復合材料。的復合材料。2）的偽應變強）的偽應變強化效化效 應與鋼纖維的分應與鋼纖維的分布特征有較大的關系，布特征有較大的關系，但是纖維分布方向?qū)沟抢w維分布方向?qū)箟簭姸鹊挠绊戄^小。壓強度的影響較小。 3）鋼纖維對）鋼纖維對UHPC的抗拉強度和韌性有明顯提高作用，的抗拉強度和韌性有明顯提高作用

22、，在不影響在不影響 鋼纖維分布均勻性的前提下，一般可以提高鋼纖維分布均勻性的前提下，一般可以提高3.54，與鋼纖維摻量成正比。，與鋼纖維摻量成正比。3.2 纖維增強增韌機理纖維增強增韌機理 超高性能機理超高性能機理4)4)對抗壓強度，鋼纖維也有一定的增強作用，但是對抗壓強度，鋼纖維也有一定的增強作用，但是一般認為存在一個界限摻量一般認為存在一個界限摻量2%2%，當超過這個摻量時，當超過這個摻量時，抗壓強度不升反降抗壓強度不升反降。超高性能混凝土 UHPC 材料性能研究材料性能研究. 拉、壓強度等基本力學性能拉、壓強度等基本力學性能 在強度等力學性能等方面主要研究抗壓度、抗拉強度、韌性、彈性模量

23、和應在強度等力學性能等方面主要研究抗壓度、抗拉強度、韌性、彈性模量和應力力應變曲線、應變曲線、 極限應變、泊松比、平均斷裂能、延性、熱膨脹系數(shù)等，其極限應變、泊松比、平均斷裂能、延性、熱膨脹系數(shù)等，其中抗壓強度、抗拉強度是中抗壓強度、抗拉強度是UHPC最基本的力學性能。最基本的力學性能。1）同普通混凝土一樣， UHPC的抗拉強度從高到低依次為軸拉強度、劈拉強度以及彎拉強度，但是對于各種 測試結果之間的比值量化關系，目前為止還沒有公認的定論；2）隨砂膠比的增大，）隨砂膠比的增大，RPC的抗折強度、抗壓強度的抗折強度、抗壓強度均減?。浑S水膠比的增大，均減小；隨水膠比的增大，RPC的抗折強度增大，的

24、抗折強度增大，但是抗壓強度在水膠比為但是抗壓強度在水膠比為0.18時達到最大值；隨鋼時達到最大值；隨鋼纖維摻量的增大，的軸拉強度、劈拉強度和纖維摻量的增大，的軸拉強度、劈拉強度和抗折強度均增大，抗折強度均增大， 但是抗壓強度在鋼纖維摻量但是抗壓強度在鋼纖維摻量時達到最大值。時達到最大值。超高性能混凝土 UHPC 材料性能研究材料性能研究. 體積穩(wěn)定性、體積穩(wěn)定性、 收收縮、徐變等性能縮、徐變等性能 體積穩(wěn)定性體積穩(wěn)定性 收縮、徐變等體積穩(wěn)定性是收縮、徐變等體積穩(wěn)定性是UHPC長期性長期性能研究的主要內(nèi)容。能研究的主要內(nèi)容。 研究結果表明：由于孔隙致密，采用蒸汽養(yǎng)護的研究結果表明：由于孔隙致密，

25、采用蒸汽養(yǎng)護的RPC收縮和徐變均減小，收縮速度較普通混凝土快，在收縮和徐變均減小，收縮速度較普通混凝土快，在24內(nèi)內(nèi)可完成總收縮量的可完成總收縮量的12，有利于預應力，有利于預應力RPC構件工廠化生構件工廠化生產(chǎn)時生產(chǎn)時生 產(chǎn)效率的提高；隨著水灰比和高效減水劑摻量的增產(chǎn)效率的提高；隨著水灰比和高效減水劑摻量的增 加，加，RPC收縮增大。對于溫度收縮增大。對于溫度20、相對濕度、相對濕度50下養(yǎng)護下養(yǎng)護的的 RPC，標準試件早期收縮占總收縮的，標準試件早期收縮占總收縮的77。 對于徐變，雖然徐變系數(shù)較小，但是由于材料的強度提對于徐變，雖然徐變系數(shù)較小，但是由于材料的強度提高，早齡期加載產(chǎn)生的徐變

26、變形還是相當可觀的，因此，高，早齡期加載產(chǎn)生的徐變變形還是相當可觀的，因此，工程應用中應盡可能地采用晚齡期加載。工程應用中應盡可能地采用晚齡期加載。超高性能混凝土 UHPC 材料性能研究材料性能研究. 耐久性耐久性對于RPC的耐久性研究，其主要集中在抗除冰 鹽腐蝕、抗氯離子滲透能力以及抗凍融循環(huán)能力等方面；1）RPC具有非常致密的細觀 結構和很強的抗?jié)B透能力以及很好的抗凍融循環(huán)能力；2）UHPC的耐水性比普通混凝土好（以滲出的鈣為指標） ；3）UHPC具有很好的水密性和愈合裂縫的能力，能夠耐硫酸鹽、氯鹽，但是不耐高濃度硫酸。還有耐高溫、抗爆抗沖擊、粘結性能等其他還有耐高溫、抗爆抗沖擊、粘結性能

27、等其他優(yōu)異性能。優(yōu)異性能。 超高性能混凝土 UHPC 工程應用研究工程應用研究在沒有箍筋情況下,梁板的抗沖擊能力優(yōu)異，在沖擊荷載作用下的梁僅產(chǎn)生很多細小的裂縫，發(fā)生延性的彎曲破壞. 基本構件受力性能基本構件受力性能 與普通梁相比，UHPC 梁具有更好的極限荷載、剛度和抗裂性能與配普通鋼筋相比，采用高強鋼筋的 UHPC梁具有較好的延性和較高的富余承載力與普通鋼筋混凝土柱相比，配筋 RPC柱具有更為優(yōu)越的靜力和動力性能UHPC 預制構件節(jié)點搭接長度短，避免橫向和縱向鋼筋的交錯，能提高現(xiàn)場施工效率與安全性超高性能混凝土 UHPC 工程應用研究工程應用研究. 工程研究工程研究 美國聯(lián)邦公路局自美國聯(lián)邦公路局自2001年開始研究年開始研究RPC在公路基礎設施中在公路基礎設施中的應用，開展了的應用，開展了形梁、井式橋面板、形梁、井式橋面板、 橋面板連接件、鋼筋和橋面板連接件、鋼筋和鋼纖維在鋼纖維在RPC內(nèi)部的協(xié)同效內(nèi)部的協(xié)同效 應以及開裂應以及開裂 RPC梁的抗拉性能與梁的抗拉性能與耐久性等基礎試耐久性等基礎試 驗研究，目前已成功將驗研究，目前已成功將RPC應用于多座橋梁。應用于多座橋梁。 日本為