超高性能混凝土(UHPC)研究综述.ppt

超高性能混凝土（UHPC）-研究综述 主讲人：金凌志 2016.4课程性质和地位课程性质和地位性质：性质：超高性能混凝土（Uitra high Perforance Concrte）结构研究与应用是一门研究型选修课。地位：地位：是一门提高本科生专业素养，扩展国际视野，培养科研能力的拓展课程，也是给准备考研的同学提供超前学习机会的课程。前期基础课程：前期基础课程：混凝土结构设计原理及混凝土结构、房屋建筑学、土木工程材料、材料力学、理论力学、结构力学等。课程学习目的课程学习目的1 了解国家高性能混凝土材料研究前沿，顺应时代新能源新材料的需求。2 指导学生本科阶段研究学习，培养学生对科协研究的兴趣，培养科学思维，为未来的深造和就业做准备。3 以为UHPC为载体，了解科学研究工作需要做哪些准备？研究什么内容？其过程如何？4 学会查找参考文献，熟悉论文写作。课程学习要求课程学习要求1 实践为主，积极参与研究生的梁抗剪结构试验，学习试验方法，了解试验过程，有时间尽量多可能积极参与试验。对UHPC的（）相关内容要多看资料，及时做笔记，掌握材料配比，熟悉试验参数，观察试验现象，分析试验结果。通过学习和参与试验，完成一篇3000字的试验报告，或者写作一篇科研论文。课程主要内容课程主要内容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国的研究出和世界各国的研究动态动态1 UPHC1 UPHC的的基本配合比基本配合比与与技术指标技术指标2 2 制备技术制备技术3 3 超高性能机理超高性能机理4 4 材料性能研究材料性能研究5 5 工程应用研究工程应用研究6 6 未来研究方向未来研究方向混凝土：混凝土：由胶凝材料（水泥、细由胶凝材料（水泥、细骨料（砂）、粗骨料（石骨料（砂）、粗骨料（石子）、溶剂（水）以及必要子）、溶剂（水）以及必要时掺入的化学外加剂组成，时掺入的化学外加剂组成，经过胶凝材料凝结硬化后，经过胶凝材料凝结硬化后，形成具有一定强度和耐久性形成具有一定强度和耐久性的人造石材。的人造石材。优点：优点：相对于其他材料，混凝土相对于其他材料，混凝土生产能耗低、原料来源广、工生产能耗低、原料来源广、工艺简便、成本低廉且具有耐久、艺简便、成本低廉且具有耐久、防火、适应性强、应用方便等防火、适应性强、应用方便等特点。特点。混凝土介绍混凝土介绍缺点缺点 自重大、脆性大和自重大、脆性大和强度（尤其是抗拉强度）强度（尤其是抗拉强度）低，使用范围狭窄；对于低，使用范围狭窄；对于低强度的混凝土，在满足低强度的混凝土，在满足相同功能时用量较大，不相同功能时用量较大，不符合国家节约、降耗要求。符合国家节约、降耗要求。引言引言2 2）2020世纪世纪7070年代末，年代末，由于减水剂和高活由于减水剂和高活性掺合料的开发和性掺合料的开发和应用，强度超过应用，强度超过60 60 MpaMpa。3 3）纤维增强混凝）纤维增强混凝土（土（FRCFRC）：加入）：加入钢纤维（常用）钢纤维（常用）4)4)对对混凝混凝土的耐腐蚀土的耐腐蚀性、耐久性和抵抗各性、耐久性和抵抗各种恶劣环境的能力提种恶劣环境的能力提出出高性能混凝土高性能混凝土(HPC(HPC）6 6）BachelBachel采用细料致密采用细料致密法，发挥硅灰和高效减水法，发挥硅灰和高效减水剂的作用，达到减小孔隙剂的作用，达到减小孔隙率，制备的率，制备的150200Mpa150200Mpa混凝土得到运用。混凝土得到运用。5 5）BrumaueBrumaue报道了抗压强度达到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压强度土的平均抗压强度可分别可分别2020、3030、40Mpa40Mpa。引言引言高强混凝土的发展高强混凝土的发展8）20世纪90年，法国Bouygues在DSP、MDF及钢纤维混凝土研究基础上，研发出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（UHPCUHPC）的概念。）的概念。10)10)以以 制备原制备原理为基础的理为基础的 材料的研究与应用，材料的研究与应用，是当今水泥基材料发是当今水泥基材料发展的主要方向之一。展的主要方向之一。7)Birchal7)Birchal等开发等开发出无宏观缺陷出无宏观缺陷(MDF)(MDF)水泥基材料水泥基材料,抗压强度达到抗压强度达到200Mpa200Mpa。高性能混凝土的发展高性能混凝土的发展引言引言1、美国国家科学基金会于年投资建立了一个、美国国家科学基金会于年投资建立了一个“高高级水泥基材料科技中心级水泥基材料科技中心”，美国联邦公路局以美国联邦公路局以 为为研究对象，对研究对象，对 开展了系统的研究，进行了开展了系统的研究，进行了10001000多个试件的测试，研究内容包括配制技术、强度、耐久多个试件的测试，研究内容包括配制技术、强度、耐久性和长期性能等力学性能。性和长期性能等力学性能。2 2、法国土木工程学会在大量研究的基础上，于、法国土木工程学会在大量研究的基础上，于20022002年制订了超高性能纤维混凝土的指南（初稿）。年制订了超高性能纤维混凝土的指南（初稿）。高强混凝土各国研究进展高强混凝土各国研究进展引言引言3 3、日本土木工程协会也于、日本土木工程协会也于20042004 年制订了相应的设计年制订了相应的设计施工指南（初稿），并于施工指南（初稿），并于20062006年出版了英文版本。年出版了英文版本。高强混凝土各国研究进展高强混凝土各国研究进展5 5、我国从、我国从2020世纪世纪9090年代开始了年代开始了UHPCUHPC的研究，取得了的研究，取得了系列研究成果，国家标准活性粉末混凝土已于系列研究成果，国家标准活性粉末混凝土已于20152015年年2 2月出版。月出版。4 4、韩国提出了一个超级桥梁的计划，希望通过、韩国提出了一个超级桥梁的计划，希望通过应用应用UPHCUPHC建造桥梁，减少建造桥梁，减少20%20%的工程造价，在的工程造价，在1010年内节省年内节省2020亿美元的投资，减少亿美元的投资，减少44%44%二氧化碳二氧化碳的排放量和减少的排放量和减少20%20%的养护费用。的养护费用。高性能混凝土会议高性能混凝土会议 1、2004年9月在德国的卡塞尔举行的UHPC 国际会议上，与会专家认为UHPC虽然被命名为混凝土材料，但是却可以认为是一种新型材料，是新一代水泥基建筑材料。引言引言 2、2009年在法国马赛举行的超高性能纤维增强混凝土国际会议上，与会专家认UHPFRC低碳环保且性能优异，可以用来建造低碳混凝土结构，在未来必将得到大力发展。高性能混凝土运用情况高性能混凝土运用情况UHPC运用情况UHPC运用不理想的原因引言引言 尽管尽管 自出现以来，不断被应用于桥梁、建筑、核电、市政、海自出现以来，不断被应用于桥梁、建筑、核电、市政、海洋等工程之中，然而应用发展远低于预期。以应用最多的桥梁为例，自洋等工程之中，然而应用发展远低于预期。以应用最多的桥梁为例，自19971997 年第一座年第一座UHPCUHPC桥加拿大魁北克省桥加拿大魁北克省SherbrookeSherbrooke的的RPCRPC桥建成以来，十几年间全世桥建成以来，十几年间全世界也仅建成余座，且以中小跨径与人行桥为主。在中国，界也仅建成余座，且以中小跨径与人行桥为主。在中国，实际实际工程应用也极少，以桥梁为例，仅在铁路上有座梁桥的应用，目前工程应用也极少，以桥梁为例，仅在铁路上有座梁桥的应用，目前 座公座公路梁桥正在建设之中。路梁桥正在建设之中。一方面，有关一方面，有关 的研究主要集中在发达国家，的研究主要集中在发达国家，而这些国家已完成大规模的基础设施建设，推动其研究与而这些国家已完成大规模的基础设施建设，推动其研究与应用的市场动力不足；另一方面，发展中国家虽然有较大应用的市场动力不足；另一方面，发展中国家虽然有较大的基础设施建设的需求，但是基础研究不足和的基础设施建设的需求，但是基础研究不足和 价价格较高，影响了其在工程中的应用。格较高，影响了其在工程中的应用。高性能混凝土运用情况高性能混凝土运用情况引言引言我国研究高性能混凝土的意义：我国研究高性能混凝土的意义：1）在今后相当长一段时间内，中国仍处于大建设时期，随着对节能减排、可持续发展要求的不断提高，对混凝土性能的要求也将越来越高。2）高性能混凝土推广应用是强化节能减排、防治大气污染的有效途径，能提高建筑质量，延长建筑物寿命，提升防灾减灾能力，有利于推动水泥工业结构调整。3）为中国UHPC 技术、混凝土材料与工程结构走在世界前列做出积极的贡献。1 UHPC1 UHPC制备基本原理与技术指标制备基本原理与技术指标减小减小孔孔隙率隙率优化孔结构优化孔结构提高密实度提高密实度掺入纤维掺入纤维UHPCUHPC制备的制备的基本原理和基本原理和主要方法主要方法 普通混凝土作为一种多孔的不均匀材料，孔结构是影响其强度的主要因素，而固体混合物的颗粒体系所具有的高堆积密实度是混凝土获得高强度的关键。1 RPC1 RPC制备基本原理与技术指标制备基本原理与技术指标RPC RPC 获取超高性能的主要途径获取超高性能的主要途径（）剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于（）剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于300um300um，提高了骨料的均匀性。提高了骨料的均匀性。（）通过优化细骨料的级配，使其密布整个颗粒空间，（）通过优化细骨料的级配，使其密布整个颗粒空间，增大了骨料的密实度。增大了骨料的密实度。（）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料，使其具（）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料，使其具有很好的微粉填充效应，并通过化学反应降低孔隙率，减有很好的微粉填充效应，并通过化学反应降低孔隙率，减小孔径，优化了内部孔结构。小孔径，优化了内部孔结构。（）在硬化过程中，通过加压和热养护，减少化学收缩，（）在硬化过程中，通过加压和热养护，减少化学收缩，并将并将C-S-HC-S-H转化成托贝莫来石，继而成为硬硅钙石，改善材转化成托贝莫来石，继而成为硬硅钙石，改善材料的微观结构。料的微观结构。（）通过添加短而细的钢纤维，改善材料延性。（）通过添加短而细的钢纤维，改善材料延性。RPC定义定义:以水泥、矿物以水泥、矿物 掺合料、掺合料、细骨料、高强度微细钢纤维或有机细骨料、高强度微细钢纤维或有机合成纤维合成纤维 等原料生产的超高性能纤等原料生产的超高性能纤维增强细骨料混凝土维增强细骨料混凝土1 1 RPCRPC制备基本原理与技术指标制备基本原理与技术指标我国国家标准活性粉末混凝土对我国国家标准活性粉末混凝土对RPC按力学性能的等级划分见表按力学性能的等级划分见表1。对抗压强度要求最低为对抗压强度要求最低为100100，比法国，比法国和日本的抗压强度和日本的抗压强度150150要低。要低。等级等级 抗压强度标抗压强度标准值准值 抗折强度抗折强度 弹性模量弹性模量a10010012 120120141401401816016022180180241 R1 RPCPC制备基本原理与技术指标制备基本原理与技术指标 制备技术制备技术目的：降低成本、提高性能。目的：降低成本、提高性能。突破点：材料组分和配合比突破点：材料组分和配合比.材料组分与配合比材料组分与配合比部分碳纤部分碳纤维和全部维和全部碳纤维碳纤维钢纤维钢纤维采用采用80级级焊接钢筋焊接钢筋网网低模量的聚丙烯纤低模量的聚丙烯纤维、中模量的耐碱维、中模量的耐碱玻璃纤维和高模量玻璃纤维和高模量的钢纤维混杂的钢纤维混杂2.1.1 寻找钢纤维的替代品：寻找钢纤维的替代品：最终破坏形态表现出很大的脆性破坏。抗剪强度超过采用钢纤维的UHPC 梁，且施工方便，成本大大降低。一些力学性能得到一定程度的改善而 提高。.材料组分与配合比材料组分与配合比 制备技术制备技术2.1.2 寻找水泥的替代品：寻找水泥的替代品：1）用粉煤灰取代）用粉煤灰取代60的水泥；的水泥；2）RPC中采用粉煤灰和矿渣替代水泥和硅灰；中采用粉煤灰和矿渣替代水泥和硅灰；3）棕榈油灰取代）棕榈油灰取代50的胶凝材料；的胶凝材料；4）用稻壳灰取代硅灰；）用稻壳灰取代硅灰；5）选择多种减水剂进行耦合。）选择多种减水剂进行耦合。拌制注意事项：拌制注意事项：1 1）与普通混凝土不同，与普通混凝土不同，RPCRPC由于采用基体材料细粒径组由于采用基体材料细粒径组分材料钢纤维进行配制，在拌制过程中容易聚团，会影响分材料钢纤维进行配制，在拌制过程中容易聚团，会影响RPCRPC成型的均质性和材料性质。成型的均质性和材料性质。2 2）采用的搅拌设备、混合料的拌制时间与顺序等也要考虑。）采用的搅拌设备、混合料的拌制时间与顺序等也要考虑。3 3）注意）注意RPCRPC浇注时钢纤维方向分布对浇注时钢纤维方向分布对RPCRPC的拉抗强度等性能的拉抗强度等性能的影响。的影响。4 4）高温、加压养护是）高温、加压养护是UHPCUHPC获得高性能的重要手段，温度越获得高性能的重要手段，温度越高、时间越长，参加反应的硅灰越多，内部结构也就越密实。高、时间越长，参加反应的硅灰越多，内部结构也就越密实。5 5）养护时的压力对）养护时的压力对 的性能也有影响。的性能也有影响。制备技术制备技术.拌制与养护技术拌制与养护技术 超高性能机理超高性能机理.微观结构微观结构 1）从测量的纳米尺度力学性能出发，采用四层次多尺度微观结构模型，精确计算的刚度，且证实了纤维基体界面无缺陷。2）RPC 的密 实 度 与 强 度 之 间 存 在 着 高 度 的 相 关性，但是最大密实度并不代表最高强度，强度取决UHPC于其微观结构和水化阶段的性能。3）高温可促进水泥、硅灰和石英粉的化学反应，当 温度达到250时，RPC中出现硬硅钙石。随着养护温度的增加，-凝胶平均链长增加，碱激发水泥RPC（碱矿渣水泥基活性粉末混凝土ARPC）在抗压强度相同情况下，具有更 高的抗弯性能、断裂能以及与钢筋的粘结性能；由于 ARPC的CaOSiO2较低，其纳米的孔结构有利于水分的逸出，内部孔压力较低，因此具有更好的抗火性能。1)未掺入钢纤维，未掺入钢纤维，UHPC表现更大脆性。表现更大脆性。UHPC 一般掺有纤维，故一般掺有纤维，故它也可视为基体与纤维它也可视为基体与纤维的复合材料。的复合材料。2）的伪应变强）的伪应变强化效化效 应与钢纤维的分应与钢纤维的分布特征有较大的关系，布特征有较大的关系，但是纤维分布方向对抗但是纤维分布方向对抗压强度的影响较小。压强度的影响较小。3）钢纤维对）钢纤维对UHPC的抗拉强度和韧性有明显提高作用，的抗拉强度和韧性有明显提高作用，在不影响在不影响 钢纤维分布均匀性的前提下，一般可以提高钢纤维分布均匀性的前提下，一般可以提高3.54，与钢纤维掺量成正比。，与钢纤维掺量成正比。3.2 纤维增强增韧机理纤维增强增韧机理 超高性能机理超高性能机理4)4)对抗压强度，钢纤维也有一定的增强作用，但是对抗压强度，钢纤维也有一定的增强作用，但是一般认为存在一个界限掺量一般认为存在一个界限掺量2%2%，当超过这个掺量时，当超过这个掺量时，抗压强度不升反降抗压强度不升反降。材料性能研究材料性能研究.拉、压强度等基本力学性能拉、压强度等基本力学性能 在强度等力学性能等方面主要研究抗压度、抗拉强度、韧性、弹性模量和应在强度等力学性能等方面主要研究抗压度、抗拉强度、韧性、弹性模量和应力力应变曲线、应变曲线、极限应变、泊松比、平均断裂能、延性、热膨胀系数等，其极限应变、泊松比、平均断裂能、延性、热膨胀系数等，其中抗压强度、抗拉强度是中抗压强度、抗拉强度是UHPC最基本的力学性能。最基本的力学性能。1）同普通混凝土一样，UHPC的抗拉强度从高到低依次为轴拉强度、劈拉强度以及弯拉强度，但是对于各种 测试结果之间的比值量化关系，目前为止还没有公认的定论；2）随砂胶比的增大，）随砂胶比的增大，RPC的抗折强度、抗压强度的抗折强度、抗压强度均减小；随水胶比的增大，均减小；随水胶比的增大，RPC的抗折强度增大，的抗折强度增大，但是抗压强度在水胶比为但是抗压强度在水胶比为0.18时达到最大值；随钢时达到最大值；随钢纤维掺量的增大，的轴拉强度、劈拉强度和纤维掺量的增大，的轴拉强度、劈拉强度和抗折强度均增大，抗折强度均增大，但是抗压强度在钢纤维掺量但是抗压强度在钢纤维掺量时达到最大值。时达到最大值。材料性能研究材料性能研究.体积稳定性、体积稳定性、收缩、收缩、徐变等性能徐变等性能 体积稳定性体积稳定性 收缩、徐变等体积稳定性是收缩、徐变等体积稳定性是UHPC长期性长期性能研究的主要内容。能研究的主要内容。研究结果表明：由于孔隙致密，采用蒸汽养护的研究结果表明：由于孔隙致密，采用蒸汽养护的RPC收缩和徐变均减小，收缩速度较普通混凝土快，在收缩和徐变均减小，收缩速度较普通混凝土快，在24内内可完成总收缩量的可完成总收缩量的12，有利于预应力，有利于预应力RPC构件工厂化生构件工厂化生产时生产时生 产效率的提高；随着水灰比和高效减水剂掺量的增产效率的提高；随着水灰比和高效减水剂掺量的增 加，加，RPC收缩增大。对于温度收缩增大。对于温度20、相对湿度、相对湿度50下养护下养护的的 RPC，标准试件早期收缩占总收缩的，标准试件早期收缩占总收缩的77。对于徐变，虽然徐变系数较小，但是由于材料的强度提对于徐变，虽然徐变系数较小，但是由于材料的强度提高，早龄期加载产生的徐变变形还是相当可观的，因此，工高，早龄期加载产生的徐变变形还是相当可观的，因此，工程应用中应尽可能地采用晚龄期加载。程应用中应尽可能地采用晚龄期加载。材料性能研究材料性能研究.耐久性耐久性对于RPC的耐久性研究，其主要集中在抗除冰 盐腐蚀、抗氯离子渗透能力以及抗冻融循环能力等方面；1）RPC具有非常致密的细观 结构和很强的抗渗透能力以及很好的抗冻融循环能力；2）UHPC的耐水性比普通混凝土好（以渗出的钙为指标）；3）UHPC具有很好的水密性和愈合裂缝的能力，能够耐硫酸盐、氯盐，但是不耐高浓度硫酸。还有耐高温、抗爆抗冲击、粘结性能等其他还有耐高温、抗爆抗冲击、粘结性能等其他优异性能。优异性能。工程应用研究工程应用研究在没有箍筋情况下,梁板的抗冲击能力优异，在冲击荷载作用下的梁仅产生很多细小的裂缝，发生延性的弯曲破坏.基本构件受力性能基本构件受力性能 与普通梁相比，UHPC 梁具有更好的极限荷载、刚度和抗裂性能与配普通钢筋相比，采用高强钢筋的 UHPC梁具有较好的延性和较高的富余承载力与普通钢筋混凝土柱相比，配筋 RPC柱具有更为优越的静力和动力性能UHPC 预制构件节点搭接长度短，避免横向和纵向钢筋的交错，能提高现场施工效率与安全性 工程应用研究工程应用研究.工程研究工程研究 美国联邦公路局自美国联邦公路局自2001年开始研究年开始研究RPC在公路基础设施中在公路基础设施中的应用，开展了的应用，开展了形梁、井式桥面板、形梁、井式桥面板、桥面板连接件、钢筋和桥面板连接件、钢筋和钢纤维在钢纤维在RPC内部的协同效内部的协同效 应以及开裂应以及开裂 RPC梁的抗拉性能与梁的抗拉性能与耐久性等基础试耐久性等基础试 验研究，目前已成功将验研究，目前已成功将RPC应用于多座桥梁。应用于多座桥梁。日本为将日本为将 UHPC应用于其国内的桥梁工程建设，进行了应用于其国内的桥梁工程建设，进行了UHPC力学性能、耐久性能、湿接缝、干接缝以及力学性能、耐久性能、湿接缝、干接缝以及 UHPC与普与普通混凝土的通混凝土的PBL连接等试验研究。连接等试验研究。.工程研究工程研究 工程应用研究工程应用研究 德国为建造德国为建造 Grtnerplatz桥进行了一系列的验证性试验，桥进行了一系列的验证性试验，如如 UHPC性能和质量控制试验、桥面板受弯和受剪极限承载性能和质量控制试验、桥面板受弯和受剪极限承载力试验、钢板与力试验、钢板与 UHPC梁接合处的耐摩擦性试验梁接合处的耐摩擦性试验 奥地利进行了奥地利进行了UHPC 柱试验研究，其成果为威尔德柱试验研究，其成果为威尔德 UHPC拱桥提供了理论基础。拱桥提供了理论基础。我国为修建迁曹铁路滦柏干渠大桥，也开展了我国为修建迁曹铁路滦柏干渠大桥，也开展了UHPC 梁梁 的模型试验研究。的模型试验研究。未来研究方向未来研究方向.基体材料组成、凝结硬化过程与细观结构研究.纤维增强增韧机理细观力学研究.组成设计与制备技术.材性测试方法与指标体系.基于工程应用的研究.创新性应用研究.经济性研究.标准与规范的研究 结结 语语 UHPC从提出到现在已有20年的历史，在理论研究与工程应用方面都取得了可喜的进展。中国大批研究人员紧跟国际的学术前沿，开展了大量 的UHPC研究，为其今后的应用及推广奠定了坚实的基础。但是中国对 UHPC的研究较为分散，以小项目研究为主，系统性和合作有待加强，目前尚未形成全国性的专门研究的学术组织与定期会议。在应用方面，UHPC在高速铁路工程中应用相对较好，在公路工程中也已开始。但是与国外相比，UHPC 实际工程应用偏少，如果将其置于近30年来中国处 于大规模的基础设施建设时期背景之下，就显得更少。随着我国对环保、可持续发展的日益重视，UHPC在今后相当长一段时间的基本建设中仍有着广阔的应用前景，有望在UHPC的理论研究与工程应用方面赶上并超过世界先进水平。