一、超高性能混凝土(UHPC)定义与发展历程
超高性能混凝土(Ultra-HighPerformanceConcrete,简称UHPC),因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土。UHPC不同于传统的高强混凝土(HSC)和钢纤维混凝土(SFRC),也不是传统意义“高性能混凝土(HPC)”的高强化,而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。UHPC较有代表性的定义或需要具备的特性如下:
·是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料;
·水胶比小于0.25,含有较高比例的微细短钢纤维增强材料;
·抗压强度不MPa;具有受拉状态的韧性,开裂后仍保持抗拉强度不5MPa(法国要求7MPa);
·内部具有不连通孔结构,有很高抵抗气、液体浸入的能力,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。
UHPC属于现代先进材料,了水泥基材料(混凝土或砂浆)与纤维、钢材(钢筋或高强预应力钢筋)的复合模式,大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率,使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。使用UHPC可以建造轻质高强和高韧性的结构,改变混凝土结构“肥梁胖柱”状态;其结构所拥有的耐久性和工作寿命,远远钢、铝、塑料等其它所有结构材料。
UHPC在上世纪七十年代末起源于丹麦,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,在欧美、日韩等许多均将UHPC作为新型、未来的或战略性工程材料进行研究与发展,法国和日本了设计指南。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,工程结构与制品的应用不断新进展,定期举办UHPC/UHPFRC研讨会进行学术交流。
二、UHPC的制备与增强、增韧原理上世纪七十年代初的一些试验研究证实,提高水泥净浆的密实度,可以有效提高强度。丹麦学者H.H.Bache教授发展的DSP(DensifiedSystemwithUltra-FineParticles)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。借助减水剂的分散作用,硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间,从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量,DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料,DSP基体混凝土的抗压强度可以达到MPa,但脆性非常大;同时使用钢纤维增强增韧(即UHPC),抗压强度可达到MPa(常温养护)。更进一步,法国使用高压成型和高温高压(压蒸)养护的活性粉末混凝土(RPC),最高抗压强度达到了MPa。
三、UHPC的力学性能
单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”,并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度(单轴抗拉和弯曲抗拉强度)和高韧性,这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维,可将UHPC的抗拉强度提高到30Ma,断裂能达到1,~40,N/m(钢纤维体积含量2%~12%),使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列(断裂能超过1,J/m2划分为韧性材料)。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、韧性或断裂能。此外,高强高模的聚乙烯醇(PVA)纤维也用于UHPC的增强与增韧;聚乙烯(PP)纤维用于提高UHPC的耐火能力。
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