超高性能混凝土研究綜述演示文稿

超高性能混凝土UHPC研究綜述演示文稿第一頁，共二十九頁。課程性質(zhì)和地位性質(zhì)：超高性能混凝土（Uitrahigh

PerforanceConcrte）結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用是一門研究型選修課。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(zhǔn)備考研的同學(xué)提供超前學(xué)習(xí)機會的課程。前期基礎(chǔ)課程：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及混凝土結(jié)構(gòu)、房屋建筑學(xué)、土木工程材料、材料力學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。第二頁，共二十九頁。課程學(xué)習(xí)目的1了解國家高性能混凝土材料研究前沿，順應(yīng)時代新能源新材料的需求。2指導(dǎo)學(xué)生本科階段研究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對科協(xié)研究的興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維，為未來的深造和就業(yè)做準(zhǔn)備。3以為UHPC為載體，了解科學(xué)研究工作需要做哪些準(zhǔn)備？研究什么內(nèi)容？其過程如何？4學(xué)會查找參考文獻，熟悉論文寫作。第三頁，共二十九頁。課程學(xué)習(xí)要求1實踐為主，積極參與研究生的ＲＰＣ梁抗剪結(jié)構(gòu)試驗，學(xué)習(xí)試驗方法，了解試驗過程，有時間盡量多可能積極參與試驗。２對UHPC的（ＲＰＣ）相關(guān)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(jié)果。３通過學(xué)習(xí)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。第四頁，共二十九頁。課程主要內(nèi)容0超高性能混凝土的提出和世界各國的研究動態(tài)1UPHC的基本配合比與技術(shù)指標(biāo)2制備技術(shù)3超高性能機理4材料性能研究5工程應(yīng)用研究6未來研究方向第五頁，共二十九頁?；炷粒?/p>

由膠凝材料（水泥、細骨料（砂）、粗骨料（石子）、溶劑（水）以及必要時摻入的化學(xué)外加劑組成，經(jīng)過膠凝材料凝結(jié)硬化后，形成具有一定強度和耐久性的人造石材。優(yōu)點：相對于其他材料，混凝土生產(chǎn)能耗低、原料來源廣、工藝簡便、成本低廉且具有耐久、防火、適應(yīng)性強、應(yīng)用方便等特點?；炷两榻B缺點自重大、脆性大和強度（尤其是抗拉強度）低，使用范圍狹窄；對于低強度的混凝土，在滿足相同功能時用量較大，不符合國家節(jié)約、降耗要求。０引言第六頁，共二十九頁。2）20世紀(jì)70年代末，由于減水劑和高活性摻合料的開發(fā)和應(yīng)用，強度超過60Mpa。33）纖維增強混凝土（FRC）：加入鋼纖維（常用）44)對混凝土的耐腐蝕性、耐久性和抵抗各種惡劣環(huán)境的能力提出高性能混凝土(HPC）6）Bachel采用細料致密法，發(fā)揮硅灰和高效減水劑的作用，達到減小孔隙率，制備的150~200Mpa混凝土得到運用。655）Brumaue報道了抗壓強度達到240MPa的低孔隙率的水泥基材料。1）20年代、50年代和70年代,混凝土的平均抗壓強度可分別20、30、40Mpa。12０引言高強混凝土的發(fā)展第七頁，共二十九頁。8）20世紀(jì)90年，法國Bouygues在DSP、MDF及鋼纖維混凝土研究基礎(chǔ)上，研發(fā)出RPC。99）1994年Larrard等首次提出超高性能混凝土（UHPC）的概念。1010)以ＲＰＣ制備原理為基礎(chǔ)的ＵＨＰＣ材料的研究與應(yīng)用，是當(dāng)今水泥基材料發(fā)展的主要方向之一。7)Birchal等開發(fā)出無宏觀缺陷(MDF)水泥基材料,抗壓強度達到200Mpa。78高性能混凝土的發(fā)展０引言第八頁，共二十九頁。1、美國國家科學(xué)基金會于１９８９年投資建立了一個“高級水泥基材料科技中心”，美國聯(lián)邦公路局以ＲＰＣ為研究對象，對ＵＨＰＣ開展了系統(tǒng)的研究，進行了1000多個試件的測試，研究內(nèi)容包括配制技術(shù)、強度、耐久性和長期性能等力學(xué)性能。2、法國土木工程學(xué)會在大量研究的基礎(chǔ)上，于2002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０引言3、日本土木工程協(xié)會也于2004年制訂了相應(yīng)的設(shè)計施工指南（初稿），并于2006年出版了英文版本。第九頁，共二十九頁。

高強混凝土各國研究進展

5、我國從20世紀(jì)90年代開始了UHPC的研究，取得了系列研究成果，國家標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》已于2015年2月出版。4、韓國提出了一個超級橋梁的計劃，希望通過應(yīng)用UPHC建造橋梁，減少20%的工程造價，在10年內(nèi)節(jié)省20億美元的投資，減少44%二氧化碳的排放量和減少20%的養(yǎng)護費用。第十頁，共二十九頁。高性能混凝土?xí)h

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(rèn)為UHPC雖然被命名為混凝土材料，但是卻可以認(rèn)為是一種新型材料，是新一代水泥基建筑材料。０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(rèn)UHPFRC低碳環(huán)保且性能優(yōu)異，可以用來建造低碳混凝土結(jié)構(gòu)，在未來必將得到大力發(fā)展。第十一頁，共二十九頁。高性能混凝土運用情況UHPC運用情況UHPC運用不理想的原因０引言

盡管ＵＨＰＣ自出現(xiàn)以來，不斷被應(yīng)用于橋梁、建筑、核電、市政、海洋等工程之中，然而應(yīng)用發(fā)展遠低于預(yù)期。以應(yīng)用最多的橋梁為例，自1997年第一座UHPC橋加拿大魁北克省Sherbrooke的RPC橋建成以來，十幾年間全世界也僅建成３０余座，且以中小跨徑與人行橋為主。在中國，ＵＨＰＣ實際工程應(yīng)用也極少，以橋梁為例，僅在鐵路上有１座梁橋的應(yīng)用，目前１座公路梁橋正在建設(shè)之中。

一方面，有關(guān)ＵＨＰＣ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(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動其研究與應(yīng)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求，但是基礎(chǔ)研究不足和ＵＨＰＣ價格較高，影響了其在工程中的應(yīng)用。第十二頁，共二十九頁。高性能混凝土運用情況０引言我國研究高性能混凝土的意義：1）在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，中國仍處于大建設(shè)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(yīng)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(zāi)減災(zāi)能力，有利于推動水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。3）為中國UHPC技術(shù)、混凝土材料與工程結(jié)構(gòu)走在世界前列做出積極的貢獻。第十三頁，共二十九頁。1UHPC制備基本原理與技術(shù)指標(biāo)減小孔隙率優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)提高密實度摻入纖維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(jié)構(gòu)是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(guān)鍵。第十四頁，共二十九頁。1RPC制備基本原理與技術(shù)指標(biāo)RPC獲取超高性能的主要途徑（１）剔除粗骨料，限制細骨料的最大粒徑不大于300um，提高了骨料的均勻性。（２）通過優(yōu)化細骨料的級配，使其密布整個顆?？臻g，增大了骨料的密實度。（３）摻入硅粉、粉煤灰等超細活性礦物摻合料，使其具有很好的微粉填充效應(yīng)，并通過化學(xué)反應(yīng)降低孔隙率，減小孔徑，優(yōu)化了內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。（４）在硬化過程中，通過加壓和熱養(yǎng)護，減少化學(xué)收縮，并將C-S-H轉(zhuǎn)化成托貝莫來石，繼而成為硬硅鈣石，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。（５）通過添加短而細的鋼纖維，改善材料延性。第十五頁，共二十九頁。[RPC定義]:

以水泥、礦物摻合料、細骨料、高強度微細鋼纖維或有機合成纖維等原料生產(chǎn)的超高性能纖維增強細骨料混凝土1RPC制備基本原理與技術(shù)指標(biāo)第十六頁，共二十九頁。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》對RPC按力學(xué)性能的等級劃分見表1。

對抗壓強度要求最低為100ＭＰａ，比法國和日本的抗壓強度150ＭＰａ要低。等級抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值／ＭＰａ抗折強度／ＭＰａ彈性模量／ＧＰaＲ100100≥12

≥４０Ｒ120120≥14≥４０Ｒ140140≥18≥４０Ｒ160160≥22≥４０Ｒ180180≥24≥４０1RPC制備基本原理與技術(shù)指標(biāo)第十七頁，共二十九頁。２制備技術(shù)目的：降低成本、提高性能。突破點：材料組分和配合比２.１材料組分與配合比部分碳纖維和全部碳纖維鋼纖維采用80級焊接鋼筋網(wǎng)低模量的聚丙烯纖維、中模量的耐堿玻璃纖維和高模量的鋼纖維混雜2.1.1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(xué)性能得到一定程度的改善而提高。第十八頁，共二十九頁。２.１材料組分與配合比２制備技術(shù)2.1.2尋找水泥的替代品：1）用粉煤灰取代60％的水泥；2）RPC中采用粉煤灰和礦渣替代水泥和硅灰；3）棕櫚油灰取代50％的膠凝材料；4）用稻殼灰取代硅灰；5）選擇多種減水劑進行耦合。第十九頁，共二十九頁。拌制注意事項：1）與普通混凝土不同，RPC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RPC成型的均質(zhì)性和材料性質(zhì)。2）采用的攪拌設(shè)備、混合料的拌制時間與順序等也要考慮。3）注意RPC澆注時鋼纖維方向分布對RPC的拉抗強度等性能的影響。4）高溫、加壓養(yǎng)護是UHPC獲得高性能的重要手段，溫度越高、時間越長，參加反應(yīng)的硅灰越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也就越密實。5）養(yǎng)護時的壓力對ＵＨＰＣ的性能也有影響。２制備技術(shù)２.２拌制與養(yǎng)護技術(shù)第二十頁，共二十九頁。３超高性能機理３.１微觀結(jié)構(gòu)

1）從測量的納米尺度力學(xué)性能出發(fā)，采用四層次多尺度微觀結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)，當(dāng)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，Ｃ-Ｓ-Ｈ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、斷裂能以及與鋼筋的粘結(jié)性能；由于ARPC的CaO／SiO2較低，其納米的孔結(jié)構(gòu)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。第二十一頁，共二十九頁。1)未摻入鋼纖維，UHPC表現(xiàn)更大脆性。UHPC一般摻有纖維，故它也可視為基體與纖維的復(fù)合材料。2）ＲＰＣ的偽應(yīng)變強化效應(yīng)與鋼纖維的分布特征有較大的關(guān)系，但是纖維分布方向?qū)箟簭姸鹊挠绊戄^小。3）鋼纖維對UHPC的抗拉強度和韌性有明顯提高作用，在不影響鋼纖維分布均勻性的前提下，一般可以提高3.5％～4％，與鋼纖維摻量成正比。3.2纖維增強增韌機理３超高性能機理4)對抗壓強度，鋼纖維也有一定的增強作用，但是一般認(rèn)為存在一個界限摻量2%，當(dāng)超過這個摻量時，抗壓強度不升反降。第二十二頁，共二十九頁。４材料性能研究４.１拉、壓強度等基本力學(xué)性能在強度等力學(xué)性能等方面主要研究抗壓度、抗拉強度、韌性、彈性模量和應(yīng)力~應(yīng)變曲線、極限應(yīng)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UHPC最基本的力學(xué)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(jié)果之間的比值量化關(guān)系，目前為止還沒有公認(rèn)的定論；2）隨砂膠比的增大，RPC的抗折強度、抗壓強度均減??；隨水膠比的增大，RPC的抗折強度增大，但是抗壓強度在水膠比為0.18時達到最大值；隨鋼纖維摻量的增大，ＲＰＣ的軸拉強度、劈拉強度和抗折強度均增大，但是抗壓強度在鋼纖維摻量２％時達到最大值。第二十三頁，共二十九頁。４材料性能研究４.２體積穩(wěn)定性、收縮、徐變等性能

體積穩(wěn)定性收縮、徐變等體積穩(wěn)定性是UHPC長期性能研究的主要內(nèi)容。研究結(jié)果表明：由于孔隙致密，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24ｈ內(nèi)可完成總收縮量的1／2，有利于預(yù)應(yīng)力RPC構(gòu)件工廠化生產(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加，RPC收縮增大。對于溫度20℃、相對濕度50％下養(yǎng)護的RPC，標(biāo)準(zhǔn)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高，早齡期加載產(chǎn)生的徐變變形還是相當(dāng)可觀的，因此，工程應(yīng)用中應(yīng)盡可能地采用晚齡期加載。第二十四頁，共二十九頁。４材料性能研究４.３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(jié)構(gòu)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(biāo)）；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。ＵＨＰＣ還有耐高溫、抗爆抗沖擊、粘結(jié)性能等其他優(yōu)異性能。第二十五頁，共二十九頁。５工程應(yīng)用研究在沒有箍筋情況下,ＵＨＰＣ梁板的抗沖擊能力優(yōu)異，在沖擊荷載作用下的ＲＰＣ梁僅產(chǎn)生很多細小的裂縫，發(fā)生延性的彎曲破壞５.１基本構(gòu)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(yù)制構(gòu)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