超高性能混凝土的研究與應(yīng)用

1uhpc的組成超高性能混凝土（uhpc）是一種新型的超高性能水泥基材料。該材料于1993年由法國bouigues研究所開發(fā)，當時被稱為活性粉末混凝土（rcc）。與常用的水泥基混凝土材料相比,UHPC在抗拉強度、抗壓強度、阻裂性、耐磨性、耐腐蝕性、抗凍性及抗?jié)B性等方面具有更加優(yōu)越的性能[2~8]。根據(jù)組分和制備條件的不同,UHPC可分200MPa級和800MPa級,由于800MPa級的UHPC需要相當嚴格的制備技術(shù)和養(yǎng)護條件,而200MPa級的UHPC的制備技術(shù)和養(yǎng)護條件比較容易實現(xiàn),故目前國內(nèi)、外研究的UHPC大多為200MPa級,本文所述均指200MPa級UHPC。本文在對UHPC的制備技術(shù)和材料特性進行概述總結(jié)的基礎(chǔ)上,分析了UHPC適用于橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性以及目前限制其在橋梁工程中廣泛應(yīng)用的具體因素,介紹了目前國內(nèi)、外UHPC在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀,展望了其良好的應(yīng)用前景。2uhpc的制造技術(shù)和材料特征2.1混凝土uhpc的制備配置UHPC的基本原理是:通過提高組分的細度與活性,剔除粗骨料,使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減到最少,以便獲得超高強度和耐久性,加入鋼纖維以獲得良好韌性和抗拉強度。根據(jù)上述基本原理,UHPC的制備要求有:(1)優(yōu)化材料配合比,剔除粒徑大于1mm的粗骨料,提高堆積密度。混凝土的薄弱區(qū)在粗骨料與砂漿的結(jié)合面,剔除大粒徑的骨料后,可以大大減小UHPC的缺陷;提高堆積密度的目的在于降低UHPC的孔隙率,為達到該目的,必須制定出良好的顆粒級配,使混合顆粒達到最密實狀態(tài)。(2)選用與活性組分相容性較好的高效減水劑。水膠比是影響材料強度的重要因素,水膠比越大,孔隙率越大,材料強度越低,因此必須選用合理的高效減水劑,在保證材料良好工作性能的前提下盡量降低水膠比。針對UHPC的制備技術(shù),國內(nèi)、外均開展了大量的研究。各研究機構(gòu)制備的UHPC材料組成基本相同,但在配合比方面略有差異,尤其是細集料和摻合料的選擇,各研究機構(gòu)選擇的細集料的粒徑和級配有較大差別。表1所示為國內(nèi)、外有代表性的UHPC配合比。UHPC配合比設(shè)計完成后,需要進行料漿的制備。與常用的混凝土制備方法不同,由于UHPC采用較低的水膠比,且原料中摻有容易結(jié)團的鋼纖維,為了使各組分混和均勻,盡量減少鋼纖維的結(jié)團,各研究機構(gòu)在制備UHPC時均制定有嚴格的投料順序及對應(yīng)階段的攪拌時間和攪拌速度。UHPC澆筑時應(yīng)采用振動平臺加以振動,以排除氣泡減小孔隙率。若UHPC材料中摻有鋼纖維,不可使用振搗棒進行振搗,以免影響纖維排列方向,降低抗拉性能。UHPC的養(yǎng)護有自然養(yǎng)護、水養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護和高壓養(yǎng)護。試驗表明,相對常溫養(yǎng)護,高溫高壓養(yǎng)護可以快速有效地提高UHPC的抗壓強度、彈性模量以及各項耐久性指標。當采用90℃的蒸汽養(yǎng)護時,3d養(yǎng)護期的抗壓強度可比28d自然養(yǎng)護的抗壓強度提高25%~30%。目前UHPC從原材料選擇、配合比設(shè)計及養(yǎng)護制度等均已有比較成熟的案例可循,但多為實驗室制備,若要實行大規(guī)模的生產(chǎn),還需要進一步的研究。2.2試驗結(jié)果分析針對UHPC材料的力學(xué)性能和其它特性,國內(nèi)、外均開展了大量的研究,并取得了豐碩的成果。鑒于試驗采用的原材料自身特性的差異以及配合比的不同和養(yǎng)護條件的差異,試驗結(jié)果(如抗壓強度、彈性模量等)差異較大,但材料所表現(xiàn)出來的特性大致相同。表2為UHPC與普通混凝土(NC)、高性能混凝土(HPC)材料特性的對比。從中可以看出,UHPC具有優(yōu)異的性能。3uhpc橋梁應(yīng)用的優(yōu)良特性及其應(yīng)用實例3.1uhpc材料特性由表2所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)對比可以看出,UHPC具有很多良好的特性適用于橋梁結(jié)構(gòu),尤其是預(yù)應(yīng)力橋梁,總結(jié)如下:(1)UHPC材料較高的抗壓強度和彈性模量有利于使橋梁結(jié)構(gòu)在增加承載能力的同時保持較小的變形。(2)UHPC材料較高的抗折強度及延性可保證橋梁結(jié)構(gòu)承受較大的彎曲和拉力,甚至在結(jié)構(gòu)開裂后仍具有相當大的抗拉能力。(3)UHPC材料良好的變形性能和斷裂韌性保證了承受動載的橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的吸收能量的能力,使得橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。(4)UHPC材料較小的收縮和徐變變形尤其適用于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),可以大大減小預(yù)應(yīng)力損失,避免目前大跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋普遍存在的由于預(yù)應(yīng)力損失而引起的撓度過大問題。(5)UHPC材料具有抵抗氯離子侵蝕、凍融破壞、抗碳化及抗磨耗等良好的耐久性,保證了橋梁結(jié)構(gòu)抵抗不良環(huán)境因素的侵蝕,使得橋梁結(jié)構(gòu)具有更長的壽命周期。因此將UHPC材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu),可以減少材料用量,減小結(jié)構(gòu)截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重,增大結(jié)構(gòu)跨度,使結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋布置簡單,減小施工難度,節(jié)約人力和物力,增加結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和服務(wù)周期。3.2uhpc橋梁鑒于UHPC應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的以上優(yōu)點,國內(nèi)、外均開展了相應(yīng)的研究,越來越多的UHPC橋梁在世界各國相繼落成。1997年在加拿大魁北克省舍布魯克市建成了世界上第一座用UHPC材料建造的步行橋(見圖1),該橋采用鋼管UHPC桁架結(jié)構(gòu),跨度60m,橋面板采用厚3cm的UHPC板,桁架腹桿采用直徑150mm的鋼管UHPC,下弦采用預(yù)制UHPC梁節(jié)段,節(jié)段長10m,節(jié)段內(nèi)部未配置普通鋼筋,采用后張預(yù)應(yīng)力拼裝而成。由于采用了UHPC,結(jié)構(gòu)自重大大減輕,有效抵抗了當?shù)貒蓝阆?0℃反復(fù)灑除冰鹽的嚴酷環(huán)境條件的侵蝕。該橋在1999年獲得Nova獎提名。此后十幾年,在日本、美國、韓國、法國、新西蘭等國家相繼建成多座UHPC橋梁。2003年美國愛荷華州交通部和愛荷華州的瓦佩洛縣計劃一座橋梁的更換工作,在美國聯(lián)邦公路管理局“創(chuàng)新橋梁研究和建設(shè)”項目的支持下,決定采用UHPC材料建造美國第一座UHPC橋梁。為確保設(shè)計方案的可行性,為設(shè)計提供材料參數(shù),了解UHPC結(jié)構(gòu)的受力性能,進行了如下試驗:材料特性試驗、大尺寸實驗室彎曲試驗、大尺寸實驗室剪切試驗、大尺寸實驗室彎剪試驗、小尺寸實驗室剪切試驗和現(xiàn)場試驗。建橋材料采用美國惟一商用UHPC材料供應(yīng)商拉法基公司的Ductal超高性能混凝土。2005年秋美國第一座UHPC橋———愛荷華州的馬斯希爾橋(見圖2)建成,該橋為高等級單跨簡支梁公路橋,梁長33.83m,跨徑33.53m,橋?qū)?.99m,主梁由3根預(yù)制預(yù)應(yīng)力工字形梁構(gòu)成,梁中未配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋,剪力由梁中的鋼纖維承擔(dān),大大簡化了鋼筋構(gòu)造。梁間距2.92m,梁高1.07m,腹板厚11.43cm,高跨比1∶31.5。與常規(guī)混凝土橋梁相比,該橋主梁截面尺寸小,梁間距大,且耐久性好,預(yù)期壽命周期長。2006年該橋獲得美國PCI學(xué)會兩年一屆的“第十屆橋梁競賽獎”,并被譽為“未來的橋梁”。雖然一些UHPC橋梁在世界各國相繼落成,但這些橋梁多為步行橋,只有個別橋梁屬于公路橋,且跨徑也不大。我國已將UHPC材料成功應(yīng)用于青藏鐵路人行道板、高鐵步道板,并在遷曹鐵路和薊港鐵路中應(yīng)用UHPC材料的低高度T形梁。由此可見,將UHPC材料應(yīng)用于橋梁工程,目前仍處于探索階段,距離UHPC材料在橋梁工程中的大規(guī)模應(yīng)用、充分發(fā)揮UHPC材料的優(yōu)勢仍有相當大的距離。4試驗研究的不足雖然UHPC材料具有諸多的優(yōu)點,但目前之所以未能大規(guī)模應(yīng)用于橋梁工程,存在的主要問題如下:(1)雖然在UHPC的材料配比和制備技術(shù)方面已經(jīng)取得了大量的成果,但UHPC的材料性能對原材料自身質(zhì)量和配比敏感性較強,即使采用相同的配合比,但水泥成分和粒徑差異、硅灰粒徑和配比差異、細集料性質(zhì)及粒徑配比差異、減水劑種類及生產(chǎn)廠家差異、鋼纖維種類和直徑差異等因素均會對UHPC的材料性能產(chǎn)生較大影響,因此若要獲得性能穩(wěn)定的UHPC材料,必須對原材料自身的質(zhì)量加以嚴格控制,一旦某一項原材料的性質(zhì)或粒徑配比有所改變,勢必需要通過試驗重新配比。而在建設(shè)橋梁時,原材料多為就地取材,而各地材料之間的性能差異不可避免,因此為獲得理想的UHPC材料性能,必須通過試驗確定材料配比,而不能直接采用已有的配比資料。(2)UHPC材料大規(guī)模制備時,為保證在低水膠比情況下各組分混和均勻,鋼纖維不出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象,最好使用攪拌速率可調(diào)的高頻振動攪拌設(shè)備,而目前該種大型設(shè)備技術(shù)尚不成熟,無法保證UHPC材料的大規(guī)模連續(xù)制備。而在橋梁工程中,材料需用量大,且需要連續(xù)澆筑,故可調(diào)速的大型高頻振動攪拌設(shè)備的研發(fā)及推廣應(yīng)用是必備條件。(3)UHPC材料通常需要嚴格的高溫養(yǎng)護,為保證質(zhì)量,構(gòu)件最好在預(yù)制場制作養(yǎng)護,從而限制了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的使用,制約了橋梁施工方法的靈活選擇。(4)相對NC和HPC,UHPC材料價格昂貴,已成為UHPC材料發(fā)展的瓶頸。針對該問題,美國新墨西哥州立大學(xué)的ChristopherW.Taylor教授對一座跨徑34.29m、寬13.11m的橋梁進行了經(jīng)濟性比較,結(jié)果顯示該橋采用HPC時,先期投資需要81434美元,若采用UHPC材料,需要120014美元,比HPC材料投資高出近50%。但若考慮到后期維護資金以及橋梁的生命周期成本,則UHPC材料建造的橋梁更為節(jié)省。為解決該瓶頸問題,一方面需要對UHPC材料進一步研究,制定相關(guān)的技術(shù)標準,使UHPC材料的制備技術(shù)更加成熟,將UHPC的材料成本和制作成本大幅下降,充分了解UHPC材料特性以及結(jié)構(gòu)受力性能,使UHPC材料的優(yōu)越性能能夠得到廣泛的認可;另一方面也需要橋梁建設(shè)單位綜合考慮經(jīng)濟成本和社會效益,促進思想的轉(zhuǎn)變。(5)目前對UHPC材料特性方面的研究已比較成熟,但對UHPC結(jié)構(gòu)的受力性能研究卻比較缺乏,已有的構(gòu)件受力試驗多采用縮尺模型制作,缺少足尺構(gòu)件的試驗研究,而許多情況在縮尺模型試驗中無法得到充分的體現(xiàn),從而無法準確預(yù)測UHPC材料在實際結(jié)構(gòu)中所表現(xiàn)出來的性能。(6)缺乏相應(yīng)規(guī)范規(guī)程,使得設(shè)計該類結(jié)構(gòu)時大多參考現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。然而現(xiàn)行規(guī)范適用的抗壓強度均不超過100MPa,且對混凝土承受的拉應(yīng)力忽略不計,這與UHPC材料較高的抗壓強度、不可忽略的抗拉能力相差甚遠,故采用現(xiàn)行混凝土規(guī)范進行UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計根本無法正確反映結(jié)構(gòu)的實際性能。雖然法國、日本、加拿大等國已經(jīng)制定有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)程,但設(shè)計規(guī)程條款并不成熟。我國在UHPC材料方面的研究開展較晚,研究相對