超高性能纤维增强混凝土的研究与应用

超高性能纤维增强混凝土的研究与应用

uhpc的特性由于它通常应与钢纤维混合，因此也被称为超级纤维增强混凝土（uhpc）。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在上世纪七十年代起源于丹麦,八九十年代在欧洲进行了比较系统深入的研究,并开始在小型工程和制品上应用。进入本世纪,在世界范围内,UHPC成为研究与应用热点,法国和日本率先出版了设计指南。目前,UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟,结构性能与设计规范正处于发展完善过程,工程与制品应用不断取得新进展(以下将使用UHPC代表超高性能混凝土和超高性能纤维增强混凝土UHPFRC)。目前,UHPC较有代表性的特点如下:·是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料(见文章2.1与2.3.2);·水胶比小于0.25,含有较高比例的微细短钢纤维增强材料(见文章之二第4章和6.2);·抗压强度不低于150MPa;具有受拉状态的韧性,开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa(法国要求7MPa)(见文章之二第6章);·内部具有不连通孔结构,有很高的抵抗气、液体浸入能力,与传统混凝土和高性能混凝土(HPC)相比,耐久性可大幅度提高(见文章之三第9章)。UHPC来源于人们对水泥基材料强度的追求,其基体本身是超高强度砂浆或混凝土(抗压强度高于150MPa),比高强混凝土具有更大的脆性,因此大多数应用需要使用纤维来提高韧性。然而,超高强与超高密实的UHPC基体与较大外形比*纤维和与钢筋之间达到了非常高的粘结强度和协调性,能高效率地利用纤维和高强钢筋的强度,从而可实现混凝土材料和结构的高强和高韧性。对钢纤维研究取得的许多新进展,进一步可从纤维方面提高对混凝土的抗拉增强与增韧效率(见文章之二6.2)。因此,UHPC的突出特点是从混凝土和钢的两方面提高钢纤维在混凝土中利用的效率,可显著改善传统钢筋混凝土的不足,不同于传统意义的高强混凝土和钢筋混凝土,也不同于传统钢纤维增强混凝土,也不是原来“高性能混凝土(HPC)”的高强化改性。在本质上是钢和混凝土共同工作的新模式。其高性能的特点主要在于应力和拉应变的硬化**,即产生类似于钢材拉应力屈服的行为。在目前的水平上,已经显现出用于如桥梁这种重大结构工程中的优势,结构外观趋于轻巧,钢筋用量减少,某些工程甚至取消了钢筋。如果将来能基本上取消传统的钢筋,则混凝土材料和混凝土结构工程的基本概念有望发生根本改变。在无裂缝状态,UHPC基体的水、气渗透性非常低,具备很高抗腐蚀与护筋能力;在高拉、弯应变和微裂缝状态,UHPC的渗透性也比较低,具备良好的抗腐蚀与高护筋能力。因此,UHPC结构有可能在腐蚀性环境达到高耐久性或长工作寿命。与钢结构、普通和高强钢筋混凝土结构相比,耐久性是UHPC结构的另一巨大优势(见文章之三第9章~第12章)。作为新一代工程材料,UHPC的工程应用还面临许多待解决的问题。首先,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、预应力技术、结构设计与验证方法。其次,UHPC的材料成本较高,纤维是增大成本的主要因素,需要努力提高纤维的抗拉增强增韧效率,降低纤维用量和UHPC结构造价,钢纤维在这方面还有较大提高空间。此外,UHPC的长期性能还有很多需要深入研究的课题。回顾UHPC在过去35年的研究与发展历程,了解UHPC的配制特点、性能特征和研究应用成果,分析UHPC作为工程材料的价值与潜力,相信会有助于国人正确认识和理解UHPC,避免在一知半解的情况下进入低水平重复研究的误区,而有利于我国混凝土材料与混凝土结构工程的创新发展。文章拟分为四部分陆续发表,欢迎感兴趣的读者提出问题和观点,参与讨论。本文为第一部分(见文章第1章~第3章),以后分别为:第二部分:钢-混凝土复合的新模式─超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之二:配制、生产与浇筑,水化硬化与微观结构,力学性能(见文章第4章~第6章);第三部分:钢-混凝土复合的新模式─超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之三:收缩与裂缝,耐高温性能,渗透性与耐久性,设计指南(见文章第7章~第10章);第四部分:钢-混凝土复合的新模式─超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之四:工程与产品应用,价值、潜力与可持续发展(见文章第11章~第12章,结束语)。1混凝土延性比100多年来,水泥混凝土一直是使用量最大的工程材料,人们所主要追求的是不断提高水泥和混凝土的强度,但是在材料学的分类上,混凝土无论做到多密实,在本质上总是属于多孔材料。因为水泥的水化会产生化学减缩,凝结后减缩的体积就形成凝胶孔和毛细孔;此外,混凝土是一种高度复杂的非均质多相体系,内部的结合力主要是范德华力,因此注定抗压强度和抗拉强度差别较大,抗压强度越高,抗拉强度与抗压强度的比值越小,受力后呈现脆性破坏,使其在工程结构中的使用受到限制。钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的发明,在很大程度上弥补了混凝土的这个缺点。然而,尽管因热膨胀系数相近,使钢和混凝土两种各有优缺点的材料能互相取长补短,合作了100多年,却仍然存在不尽如人意的问题。首先是结构物粗笨厚重,为了解决肥梁胖柱的问题,钢筋的强度一再提高,同时也需相应提高混凝土的强度。例如,图1.1所示,从1953年到1994年的41年间,美国混凝土的7天强度从18MPa~20MP提高到29MPa~31MPa。现在常用的受力钢筋为HRB335(热轧带肋钢筋,屈服强度为335MPa,简称335钢筋),HRB400钢筋都很少用,现在却要推广500钢筋,同时混凝土强度水平还要提高。提倡者们的意图是减小构件尺寸和重量,降低材料的消耗量。这又带来其他的问题,特别是高强的高脆性问题。例如,提高钢筋混凝土梁钢箍的配筋率可以提高延性比,但由图1.2可见,混凝土强度从26MPa提高到63MPa后,尽管钢箍配筋率从0.51增加到0.87,但延性比却从3.6下降到1.1,脆性还是随混凝土强度提高而增大。因此,建造高强结构,不增大结构脆性或降低之,提高混凝土的韧性和抗拉抗弯强度,比提高钢筋强度或增加配筋率更加重要。钢筋混凝土是最早实现的钢与混凝土共同工作的模式,此后发展起来的预应力钢筋混凝土、劲性混凝土(又称钢骨混凝土、型钢混凝土或劲钢混凝土)、钢管混凝土、钢与混凝土组合结构(以受拉区的永久性钢模板取代或部分取代受拉区的钢筋)等等,都属于除钢筋混凝土以外钢与混凝土共同工作的新模式,因为是用于工程结构时的一种钢和混凝土的结构结合方式,不是混凝土的品种,故不能叫做复合材料。这些结构模式各有其优缺点和适合的用途,但都只是钢和混凝土的机械组合而取长补短,仍未达到1+1>2的效果。主要原因是界面的问题。提高混凝土强度可提高界面粘结力,但混凝土强度越高,脆性越大。在混凝土中掺入乱向分布短纤维,其意图就是提高混凝土构件的极限变形率*和延性比**,但是传统的钢纤维混凝土也存在界面结合力的问题,而未能发挥钢的高抗拉强度优势。为了提高水泥基材料的抗弯强度、韧性以及抗裂性,100多年以前人们就开始尝试使用纤维增强的措施。对于乱向(三维分布)短纤维,用于提高混凝土抗裂性和韧性有效性的条件是:较大的长细比,较小的断裂伸长率,与混凝土有较大的粘接力。在半个世纪的短纤维增强混凝土发展过程中,钢纤维是研究与应用最多的纤维品种,作为主要的增强、抗裂和增韧材料用于承重混凝土结构,已在工程中应用而取得很好的效果。按单根纤维与普通混凝土之间的粘接应力和拔出强度平衡的条件计算,钢纤维的临界长度需要600倍于当量直径。但对于混凝土拌和物的生产和施工性来说,却希望钢纤维短而粗,即长径比不能太大。目前传统钢纤维混凝土所用纤维当量直径一般为0.3mm~1.2mm,长度为15mm~60mm。长径比为20mm~50mm。因此钢纤维的半长度锚固强度与其抗拉强度的差异过大,钢纤维的强度得不到有效发挥。为了提高钢纤维的有效性,人们研究和采取了各种方法,例如,使用异型钢纤维(端钩、大端头、压痕、波纹等)提高纤维握裹力或机械性粘结强度;使用微细纤维(直径df=0.1mm~0.4mm、长度lf=6mm~12mm)可增大纤维的粘结比表面积和长细比;使用混杂纤维,即传统异型纤维与微细纤维混合使用,等等。这些方法,在一定程度上可改善钢纤维的抗裂、增韧效果,这些都是对钢纤维方面的改善和提高。解决钢纤维和混凝土之间的粘接力需要从钢纤维和混凝土双方努力。提高钢纤维和混凝土之间的粘接力的另一方面则是发挥基体强度的潜力,使钢和混凝土之间的行为趋于协调。在传统的高强混凝土中掺入纤维,尚不足以满足这个需要。而将混凝土基体的强度从高强(HSC,60MPa~100MPa)提高到超高强(UHPC,150MPa~250MPa)水平,就可以趋于钢-混凝土之间的合作高度协调的目的,其所达到的性能则将发生根本性的变化,成为钢和混凝土复合新模式的混凝土新品种。在传统钢纤维增强混凝土的制备时,为避免影响纤维的效率,还要求纤维长度不能小于骨料最大粒径的1.5倍;纤维又不能太长,只能限制骨料最大粒径为不大于20mm。显然这只是一种妥协之举,而大大减小骨料的最大粒径恰恰是UHPC的特点之一,因此UHPC更适合使用分散度更高的微细纤维增强增韧。UHPC所带来的是传统混凝土所达不到的超高强度和与钢纤维的超高粘接力,其突出价值在于:不仅能够高效利用钢纤维和钢筋的强度,使钢纤维的抗拉增强和增韧效率大幅度提高,而且能使用较高掺量或异型钢纤维实现单轴拉伸的应变硬化行为(详见文章之二6.2.1),成为高韧性材料,解决了传统钢纤维混凝土的韧性在低水平上徘徊的问题,使水泥基混凝土(砂浆)与钢纤维组成的复合材料与钢筋共同工作的力学性能得到跨越式全面提高,包括除抗压、抗拉、抗弯、抗剪等强度外的高韧性,高抗爆性能,高耐磨能力,等等。也就是说,UHPC中钢与超高强混凝土的“双方”优势得到比较均衡的发挥和更充分的利用,能够实现混凝土结构的韧性破坏,形成钢-混凝土新的复合模式。这是克服混凝土结构脆性的突破性进步。美国密西根大学A.E.Naaman教授指出,“自第一个纤维增强混凝土专利问世,土木工程师就有这样的梦想:能够将纤维像砂或骨料一样混入混凝土,配制出可浇筑成型、坚固、韧性和耐久的复合材料,建造的工程结构在强度和韧性方面能够与钢筋混凝土或钢结构相媲美。拉伸应变硬化的UHPFRC使我们接近了梦想。”事实上,UHPC建立的钢-混凝土新复合模式,使结构的比强度和比刚度大幅度超越传统的高强钢纤维增强钢筋混凝土和预应力混凝土结构,可以达到钢结构的比强度与比刚度水平。实际设计建造的工程结构,已经显示和证实了UHPC结构的性能优势,例如,法国2001年建造的Bourg-lès-Valence公路桥,设计采用先张预应力门型UHPC梁板一体结构,取消了非受力钢筋(架力钢筋、箍筋等),与同样跨径和功能的传统预应力混凝土桥梁相比,桥梁重量减小了三分之二(见文章之四第11.1节)。然而,UHPC的基础是配制超高强与超高密实的混凝土基体,核心是利用钢纤维实现高抗拉抗弯强度和高韧性,这两方面均增加了混凝土材料的复杂性和性能变化的范围。常用抗压强度的范围在150MPa~250MPa;纤维掺量、形状、长细比等会显著影响UHPC拉、弯力学性能(见文章第6章)。这种钢-混凝土复合新模式的本构关系和设计方法需要重新建立,这方面工作目前正处于积累、发展和完善的过程。此外,对钢纤维的研究改善,提高纤维的增强与增韧效率;应用预应力技术,更大程度发挥钢筋的强度等方面,UHPC的钢-混凝土复合模式还有较大的优化与发展空间。2uhpc的发展过程2.1混凝土应用性能水泥基材料可以达到的强度,在上世纪七十年代初有比较大的进步,见表2.1。1972年,M.Yudenfreund等曾发表系列论文,介绍使用高细度水泥(6000cm2/g~9000cm2/g)与助磨剂、木钙和碳酸钾三种外加剂,配制水灰比0.2的低孔隙率水泥净浆,1英寸(25.4mm)小立方体试件28天抗压强度达到了205MPa。同年,D.M.Roy等也发表论文,报告了采用高压压制成型、高温、高压养护的水泥净浆试件,孔隙率几乎为零,抗压强度最高达到510MPa。这些研究证明,提高密实度,水泥基材料的强度还有很大的发展空间。上世纪七十年代早期,丹麦学者H.H.Bache尝试用超细颗粒来提高水泥浆密实度。最初使用超细水泥与普通细度水泥混合,但超细水泥仅仅可加速强度发展,未能实现更高的强度。他早期的试验,还没有商业化供应的高效减水剂,无法在很低水胶比条件下使超细颗粒充分分散,因此也就无法在实验上实现颗粒体系的紧密堆积。经过多年不懈的努力和大量试验,Bache教授最终取得了成功。在1978年5月8日,使用高效减水剂、亚微米材料硅灰和普通砂石骨料,配制出超高强度混凝土─常压热养护圆柱试件(Φ100mm×200mm)第二天抗压强度达到128MPa。配合比和标准养护试件的强度发展见图2.1。虽然这还不是现在意义上的UHPC(标养抗压强度在1000天龄期才接近150MPa),但此后优化配合比和降低粗骨料最大粒径,很容易配制标准强度(28d)超过150MPa的超高强混凝土。Bache教授发展的DSP(DensifiedSystemwithultrafineParticles)理论,即:用充分分散的超细颗粒(硅灰)填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中,实现颗粒堆积致密化。图2.2描述普通水泥浆、使用减水剂的水泥浆和致密化体系(DSP)所能够达到的密实度。颗粒尺寸只有0.1μm~0.2μm的硅灰(实际粒径分布范围0.1μm~1μm),填充在粒径为5μm~10μm水泥颗粒之间的空隙中,占据了大量原本是水的空间,大大提高了固体颗粒堆积的密实度。在高效减水剂的作用下,这样的高密实度颗粒堆积体系—DSP浆体,可以大幅度减小用水量,使水胶比降低到0.15~0.19水平。用DSP理论配制超高强度混凝土,是混凝土技术又一个突破性进步。在此之前,采用高细度水泥或加压成型等方法提高胶凝材料密实度,虽然能够获得高强度,但在工程应用上实施的难度较大。同时期出现的MDF水泥(MacroDefectFree,宏观无缺陷水泥,用聚合物填充水泥浆孔隙和裂缝),SIFCON(SlurryInfiltratedFibreConcrete,预填钢纤维灌注水泥细砂浆的混凝土),也可以获得很高的材料强度和韧性,但是前者需要辊压或挤压成型,后者难以使钢纤维形成三维堆积,在应用上受到很大制约,至今只能用于制作小型制品。DSP理论实现更高的密实度,只需要选择适宜优质原材料和进行配合比优化,不需要使用特殊的工艺方法,用传统搅拌设备和振动密实方法,就能生产与成型。因此,基于DSP理论配制的UHPC,较快进入实用阶段。目前,已经能够配制自密实UHPC,使用与施工比较方便(见文章之二第4章)。2.220世纪80年代的uhc研究2.2.1用高强材料制作的uhpc梁上世纪八十年代初,丹麦AalborgPortland公司将其UHPC配方产品注册为Densit商标。此后,针对材料组成优化、力学性能、耐久性和应用开展了比较系统的研究。DSP胶凝材料的水胶比非常低,可以低到0.15,因此内部干燥产生的自收缩很大,以至于净浆浆体会自行开裂,见图2.3。使用高强骨料,用DSP胶凝材料配制的混凝土,抗压强度可以达到280MPa,但是脆性非常大。使用高强骨料,同时使用钢纤维增强增韧,则抗压强度可以达到400MPa(常温养护),见图2.4与图2.5。高密实的DSP基体与钢纤维界面的密实度也非常高,界面粘结强度得以大幅度提高,使钢纤维在DSP基体中提高抗拉、抗弯、抗裂与增韧作用得到充分的发挥。早期使用直径(df)0.15mm~0.4mm、长度(lf)6mm~12mm的平直光圆钢纤维,可将UHPC(Densit)的抗拉强度提高到30MPa,断裂能达到1500N/m~40000N/m(钢纤维体积含量2%~12%),跨入韧性、高韧性材料的行列(详见图2.6和表2.2)。现在,使用异形特别是扭转形高强钢纤维,可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性和断裂能(见文章之二6.2节)。Bache教授将钢筋增强的UHPC称作CRC(CompactReinforcedComposite,密实增强复合材料),现在也称作HRUHPC(HeavyReinforcedUltraHighPerformanceConcrete,高配筋超高性能混凝土)。用高强钢筋或钢绞线进一步增强钢纤维增强增韧的UHPC,制作的梁(CRC或HRUHPC梁)的抗弯承载能力接近钢梁的承载能力水平,抗弯行为相似,见图2.7。此外,钢筋增强的UHPC梁,断裂能、强度/质量比和刚度/质量比,可以达到或超过高强韧性钢梁的水平(详见表2.2)。采用预应力技术,UHPC梁的承载能力还有发展空间。2.2.2其他性能试验研究—Densit和CRC的其他性能试验研究(1)纹钢筋冲剪破坏荷载厚度为120mm的CRC板,配4层间距为32mm的Φ16mm螺纹钢筋,冲剪破坏荷载达到220吨,剪切破坏面为45o的锥形面。增加竖向配筋,则冲剪破坏荷载增加到340吨,剪切破坏面趋向于圆柱形,竖向钢筋提高抗冲剪能力的作用非常显著,见图2.8。(2)第一次加载后crc梁疲劳破坏最早对UHPC进行的抗疲劳性能试验显示:相对疲劳破坏荷载(疲劳破坏荷载/极限荷载之比)与循环加载的次数近似呈线性关系,见图2.9。CRC梁的疲劳破坏,表现为主钢筋的疲劳破坏,断裂面附近的混凝土保持良好状态。第一次加载时出现的微细裂缝,几乎没有扩展,甚至在500万个加载循环后也没有扩展。疲劳荷载为静态极限荷载的60%和以下时,循环加载次数到500万(5×106),抗弯、抗压均未发生疲劳破坏。(3)钢板和钢筋钢纤维混凝土板抗爆试验方法:板的四边支撑,板上中央放置炸药,再用300mm厚度的砂覆盖,然后引爆炸药。试验在FraunhoferInstitute进行。CRC板、韧性钢板和钢筋钢纤维混凝土板,在炸药爆炸作用后的状态见图2.10。在3kg塑性炸药的作用下,120mm厚的CRC板保持着整体状态,凹陷变形与70mm厚韧性钢板基本相同,表现出优良的抗爆能力。同样尺寸、质量良好的钢筋钢纤维增强混凝土板,在0.3kg炸药的作用下就被炸穿。此外,采用高温切割或冲击钻等方法破坏CRC板,需要花费的破坏时间远远高于其他任何工程材料。所以,CRC或钢筋增强的UHPC是金库、防爆结构屋面、墙体和地板的最佳工程材料,这也是CRC最早的工程应用之一。(4)水泥浆内部冰的产生机理DSP胶凝材料在获得高密实度的同时,孔隙尺寸被大幅度细化。在越细的孔隙中,水的冰点温度越低。水结冰相变会伴随大量放热,因此测试水泥浆在温度降低过程中的热量变化,就能确定产生冰的温度和数量。图2.11为实测不同水泥浆内部产生冰的温度和产冰量。DSP净浆(UHPC的基体)产生冰的温度在-50oC~-40oC之间,仅能产生微量的冰,因为水胶比非常低的DSP净浆,拌和水被水泥水化所消耗,内部非常干燥,几乎没有可供冰冻的水。从冰冻温度和产冰量两个方面来说,在实际的自然环境中,UHPC的DSP胶凝材料不存在冻害问题,也不需要采用引气的方法来提高抗冻融性能。(5)水泥磨喂料器耐磨性件的制备UHPC的高耐磨性能也是其最早被实际利用的性能。1981年AalborgPortland公司用Densit制作水泥磨喂料器的耐磨件(见图2.12),使用寿命超过5年,为原先铸钢制耐磨件寿命的10~20倍。所使用的Densit抗压强度225MPa,烧结铝矾土作为骨料,掺加3%体积的钢纤维。2.2.3悬索桥梁的跨高比根据钢筋增强UHPC(CRC)所能达到的力学性能,上世纪八十年代预期其未来的主要应用之一为桥梁,见图2.13。与高强混凝土(HSC)相比,UHPC桥梁的跨度或桥梁跨高比可以大幅度增大。如今这个预期已经在实际建造的桥梁中得到实现。对于悬索桥的桥梁,以单位长度钢箱梁的重量为基准,钢筋混凝土箱梁的重量是钢箱梁重量的2~3倍,UHPC箱梁的重量则可比钢箱梁轻30%~50%。目前,UHPC还未在悬索桥梁上应用上,但可能很快会在韩国的斜拉桥的梁上应用(见文章之四11.5)。此外,在桥梁上应用,UHPC的耐久性远远超越钢结构和钢筋混凝土结构(见文章之三第9章“UHPC的渗透性与耐久性”),这也是吸引人们用UHPC建造桥梁的主要原因。2.3法国品牌活性粉末混凝土rpc上世纪九十年代初,欧洲工业技术基础研究与先进材料研究基金Brite/Euram2资助了两个UHPC研究项目,即LowCostDurableCement-BasedRepairandRehabilitationSystems(低成本耐久水泥基修补和修复系统,1992~1995)和MinimalStructuresUsingHighStrengthConcrete(使用高强混凝土使结构轻型化,1993~1995)。第二个项目由丹麦AalborgPortland、丹麦CarlBro、法国Bouygues和西班牙CSIC4个公司合作,对这种新材料性能和应用进行系统性研究。从此,对UHPC的研究在欧洲展开,法国最为活跃。继丹麦的Densit产品之后,九十年代市场上出现的新产品RPC、Ductal、BSI、Ceracem、CEMTEC等,均为法国产品。1994年,法国Bouygues建筑公司将其专利产品称作“活性粉末混凝土”(RPC,ReactivePowderConcrete),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。同年,法国学者DeLarrard和Sedran发表的论文,将这种基于DSP理论配制的新材料称作UHPC(超高性能混凝土)。“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。2.3.1骨料对日本uhpc力学性能的影响法国Bouygues建筑公司与丹麦AalborgPortland公司合作进行CRC应用研究后,PierreRichard带领团队于1994年研发了自己的UHPC产品—RPC,并取得专利。RPC基于DSP原理,当时研发的基本原则为:(1)为了提高材料的匀质性,不使用粗骨料;(2)通过优化材料颗粒级配,并在凝结前和凝结过程施加压力,提高密实度;(3)凝结后进行热处理(热养护),改善微观结构;(4)加入小尺寸钢纤维,提高韧性;(5)保持搅拌与成型工艺方法尽量接近现有工艺方法。RPC的抗压强度范围为200MPa~800MPa,拓展了UHPC的力学性能范围。现在应用最多的拉法基公司产品Ductal,就是RPC的延续与发展。在RPC研发的基本原则中,有一项为“在凝结前和凝结过程施加压力”以提高密实度。这种方法提高强度效果显著,但在大多数场合的成型工艺上较难实现或成本非常高。RPC不使用粗骨料,细骨料的最大粒径小于0.6mm。这样是否合理呢?其实,在RPC之前的UHPC—Densit,一直使用粗骨料(dmax=5mm~8mm),不采用高压成型,也不采用高温高压养护,获得的强度和其他力学性能就已经超越了RPC200(对比表2.2与表2.3的性能指标)。关于骨料对UHPC性能影响的研究表明,在获得同样强度的前提下,使用粒径2mm~5mm的玄武岩骨料,可以降低UHPC水泥用量和浆体含量20%左右,搅拌时间可以缩短,自收缩降低40%,弹性模量增加,极限应变减小。所以,粗骨料对UHPC的性能影响,与普通高强混凝土类似。笔者认为,在大多数应用场合,应该使用粗骨料来降低UHPC的水泥和浆体用量,减小自收缩。粗骨料最大粒径(dmax)应远远小于结构厚度,通常在8mm内。2.3.2在细颗粒的颗粒胶凝固体颗粒形成整体的材料,理论上最佳的颗粒粒径组成或分布是:颗粒堆积能够达到最大密实度或最小的空隙率。应用最大堆积密度或颗粒包裹(ParticlePacking)理论建立的数学模型,可以计算各种粒径颗粒最佳的体积比例—细颗粒填充在粗颗粒之间的空隙,更细颗粒填充在细颗粒之间的空隙,逐级向下,达到最大密实度。上世纪九十年代,挪威Elkem公司以Andreassen在1931年建立的数学模型为基础,编制LISA软件(现在版本为EMMA),可根据各种原材料颗粒粒径分布(PDS-ParticlSizeDistribution)计算最优的材料组成比例,使混合颗粒粒径分布接近或达到理论上最大堆积密度(见图2.14)。采用该方法优化配合比,可以大幅度减少试验工作量,成功应用在耐火浇注料(使用铝酸盐水泥的自密实或自流平砂浆)、自密实混凝土和UHPC的配制。DSP理论是从亚微米尺度提高胶凝材料的密实度。最大堆积密度理论则是优化从微观到宏观的全系列颗粒粒径分布,提高密实度或降低空隙率,因此适用于各种混凝土所有固体颗粒(从粗骨料到硅灰)的粒径分布优化。2.3.3粉煤灰替代水泥UHPC的绿色化,指用工业废料粉煤灰、矿粉(本文指“磨细粒化高炉矿渣粉”)等替代部分水泥,以及用其他矿物材料替代石英粉。UHPC的水胶比非常低,大部分水泥只是表面水化,即大部分水泥颗粒体积只起到微骨料作用。因此,部分水泥颗粒应该可以被替代。Bach教授带领的团队尝试了用粉煤灰替代水泥,结果见图2.15。粉煤灰替代水泥的体积达到50%时,水泥用量为200kg/m3,无纤维UHPC的抗压强度基本没有降低;替代体积超过50%,强度有所降低;替代体积达到88%,水泥用量仅50kg/m3,强度还可以超过100MPa。可见,与普通高强、高性能混凝土相比,UHPC的胶凝材料可以使用更高比例的粉煤灰。使用超细粉磨的矿粉、磨细或分选的超细粉煤灰,可以补充硅灰与水泥粒径之间的中间颗粒,减少硅灰的用量,并替代RPC和许多UHPC使用的原材料之一—超细石英粉。硅灰、粉煤灰等活性矿物掺和料的二氧化硅为玻璃态,相对安全。石英粉的二氧化硅为结晶态,其粉尘,特别是5μm以下的颗粒,呼吸吸入对人体健康非常有害。此外,以优质玄武岩石粉替代石英粉也取得较好效果,还可以用玻璃粉替代石英粉。2.3.4uhpc方案上世纪九十年代,UHPC最早的应用包括桥面、桩基、污水管道、水工等结构的维修加固,制造核废料容器,等等。1997年加拿大魁北克Sherbrooke建造了世界上第一座UHPC人行桥,见图2.16。该桥为预应力UHPC桁架结构,跨径60m,使用的UHPC为Ductal-FM产品。1997年另一个著名UHPC应用案例,是法国Cattenom核电厂冷却塔维修工程,用UHPC梁更换锈蚀的钢梁,见图2.17。选择使用UHPC梁的原因为:(1)使梁的重量降低到钢梁的三分之一;(2)UHPC的耐久性高,可减小维修费用(见文章之三第9章)。这两个工程应用,展示了UHPC作为结构材料的优势,是UHPC应用的一个里程碑。3公路基础设施的评估与修复2005年~2011年,德国的优先研究项目“SustainableBuildingwithUHPC”(使用UHPC的可持续建筑),投入1200万欧元,20个研究机构参与,开展了UHPC全面研究,内容包括:原材料、流变学、生产加工和可持续性,水化与微观结构,时间相关行为(收缩、徐变、裂缝),纤维效率和与传统钢筋之间相互作用,强度和变形,耐久性,设计、施工与应用,试验测试,共计8个工作组和34个研究专题。欧洲多国参加的SAMARIS(SustainableandAdvancedMaterialsforRoadInfrastructures用于公路基础设施的可持续和先进材料,2004~2006)和ARCHES(AssessmentandRehabilitationofCentralEuropeanHighwayStructures中部欧洲公路结构评估和修复,2006~2009)项目,包括研究应用UHPC进行桥梁维修,编制UHPC维修指南。美国的UHPC研究起步较晚,但进展非常快。2001年法国率先建造了两个UHPC公路桥梁,美国联邦公路管理署(FHWA)2002年组织专家组赴法国考察学习。之后,FHWA发起和资助多项UHPC公路桥梁的研究项目,许多大学和研究机构参与,现在已建成多个试验性公路桥梁。美国国土安全部(DHS)的基础设施保护处(OfficeofInfrastructureProtection)与ERDC(美国工程兵部队的研发中心)合作,研发“具有竞争力”的UHPC材料,供应美国市场,实现更高的防爆与防灾性能标准。在亚太地区,日本、韩国、澳洲、新西兰研究和应用UHPC建造人行桥、公路桥梁、海工结构、隧道衬砌、防爆结构,等等。其中,韩国开展了为期6年SuperBridge200的UHPC研究项目,研究内容系统、全面且深入,大有后来者居上的势头(见文章之四11.5节)。1999年覃维祖教授发表文章“一种超高性能混凝土—活性粉末混凝土”,在中国最早介绍了