超高性能混凝土

活性粉末混凝土

超高性能混凝土,簡稱UHPC(Ultra-High Performance Concrete),也稱作活性粉末混凝土(RPC,Reactive Powder Concrete),是過去三十年中最具創新性的水泥基工程材料,實現工程材料性能的大跨越。

簡介


“超高性能混凝土”包含兩個方面‘超高’——超高的耐久性和超高的力學性能(詳見表1-普通混凝土高性能混凝土和超高性能混凝土的性能對比):

性能參數


表1:普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能對比
普通混凝土NSC高性能混凝土HPC超高性能混凝土UHPC
抗壓強度(MPa)20-4040-96120-180
水膠比0.40-0.700.24-0.350.14-0.27
圓柱劈裂抗拉強度(MPa)2.5-2.8--4.5-24
最大骨料粒經(mm)19-259.5-130.4-0.6
孔隙率20-25%10-15%2-6%
孔尺寸(mm)----0.000015
韌性----比NSC大250倍
斷裂能(kN·m/m)0.1-15--10-40
彈性模量(GPa)14-4131-5537-55
斷裂模量(第一條裂縫)(MPa)2.8-4.15.5-8.37.5-15
極限抗彎強度(MPa)18-35
透氣性k(24小時40C)(mm)3x10
吸水率<10%<6%<5%
氯離子擴散係數(穩定狀態擴散)(mm/s)----<2x10e-12
二氧化碳/硫酸鹽滲透------
抗凍融性能10%耐久90%耐久100%耐久
抗表面剝蝕性能表面剝蝕量>1表面剝蝕量0.08表面剝蝕量0.01
泊松比0.11-0.21--0.19-0.24
徐變係數,Cu2.351.6-1.90.2-1.2
收縮------
流動性(工作性)(mm)測量坍落度測量坍落度測量坍落度
含氣量4-8%2-4%2-4%
超高性能混凝土的設計理論是最大堆積密度理論(densified particle packing),其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積,即毫米級顆粒(骨料)堆積的間隙由微米級顆粒(水泥、粉煤灰、礦粉)填充,微米級顆粒堆積的間隙由亞微米級顆粒(硅灰)填充。早在1931年,Andressen就建立了最大堆積密度理論的數學模型。然而,直到上世紀七十年代末,在高效減水劑技術與產品性能大幅度提高的基礎上,採用該模型設計配製的第一代超高性能混凝土才在丹麥奧爾堡Cement og Beton Laboratiet(水泥與混凝土試驗室)誕生,稱作CRC(Compact Reinforced Composite,密實增強複合材料)。CRC與目前的UHPC達到基本相同的力學性能,最高抗壓強度超過400MPa,使用燒結鋁礬土作骨料,同時使用鋼纖維提高材料的韌性,所以稱作“複合材料”。受到當時高效減水劑性能的限制,CRC或早期UHPC比較粘滯,振搗密實較困難,還不便於現澆應用。上世紀九十年代,歐洲開展了合作研究項目,世界各地也廣泛開展相關研究,這種材料獲得一個新名稱“活性粉末混凝土,簡稱RPC”。“超高性能混凝土UHPC”的名稱形成於本世紀,因為與早期的CRC或RPC相比,隨著設計理論的完善、超高效減水劑(聚羧酸系)問世和配製技術的進步,這種材料已具備了普通混凝土的施工性能,甚至可以實現自密實,可以常溫養護,已經具備廣泛應用的條件。
UHPC與普通混凝土或高性能混凝土不同的方面包括:不使用粗骨料,必須使用硅灰和纖維(鋼纖維或複合有機纖維),水泥用量較大,水膠比很低。UHPC的組成見表2。
表2:超高性能混凝土UHPC(鋼纖維)基本組成
kg/m重量百分含量%
水泥700-101027.0-38.0
硅灰230-3208.5-9.5
磨細石英砂0-2300.0-8.0
細砂760-105039.0-41.0
金屬纖維150-1905.5-8.0
高效減水劑15-250.5-1.0
155-2105.5-8.0
水/膠凝材料比0.14-0.27--
UHPC堪稱耐久性最好的工程材料,適當配筋的UHPC力學性能接近剛結構,同時UHPC具有優良的耐磨、抗爆性能。因此,UHPC特別適合用於大跨徑橋樑、抗爆結構(軍事工程、銀行金庫等)和薄壁結構,以及用在高磨蝕、高腐蝕環境。目前,UHPC已經在一些實際工程中應用,如大跨徑人行天橋、公路鐵路橋樑(實例見表3)、薄壁筒倉、核廢料罐、鋼索錨固加強板、ATM機保護殼,等等。可以預計,還會有越來越多的應用。
表3:法國第一座UHPC(鋼纖維)公路橋樑混凝土組成和性能
組成材料kg/m性能
水泥1114坍落流動度630~640 mm
硅灰16928d 特徵抗壓強度(fck)175 MPa
0-6mm骨料107228d 特徵抗拉強度(ftk)8 MPa
纖維: 0.3mm直徑x20mm長23428d 特徵裂后抗拉強度9.1 MPa
高效減水劑40彈性模量64 GPa
209比重2800 kg/m
水/膠凝材料比0.19