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UHPC高性能混凝土
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。
“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
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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) |
20-40 |
40-96 |
120-180 |
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水膠比 |
0.40-0.70 |
0.24-0.35 |
0.14-0.27 |
|
圓柱劈裂抗拉強度(MPa) |
2.5-2.8 |
-- |
4.5-24 |
|
最大骨料粒徑(mm) |
19-25 |
9.5-13 |
0.4-0.6 |
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孔隙率 |
20-25% |
10-15% |
2-6% |
|
孔尺寸(mm) |
-- |
-- |
0.000015 |
|
韌性 |
-- |
-- |
比NSC大250倍 |
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斷裂能(kN·m/m) |
0.1-15 |
-- |
10-40 |
|
彈性模量(GPa) |
14-41 |
31-55 |
37-55 |
|
斷裂模量(第一條裂縫)(MPa) |
2.8-4.1 |
5.5-8.3 |
7.5-15 |
|
極限抗彎強度(MPa) |
18-35 |
||
|
透氣性k(24小時40C)(mm) |
3x10 |
0 |
0 |
|
吸水率 |
<10% |
<6% |
<5% |
|
氯離子擴散系數(穩定狀態擴散)(mm2/s) |
-- |
-- |
<2x10e-12 |
|
二氧化碳/硫酸鹽滲透 |
-- |
-- |
-- |
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抗凍融性能 |
10%耐久 |
90%耐久 |
100%耐久 |
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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 |
|
徐變系數,Cu |
2.35 |
1.6-1.9 |
0.2-1.2 |
|
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,采用該模型設計配制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,密實增強復合材料)。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“復合材料”。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,還不便于現澆應用。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”的名稱形成于本世紀,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)問世和配制技術的進步,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(鋼纖維或復合有機纖維),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
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kg/m3 |
重量百分含量% |
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水泥 |
700-1010 |
27.0-38.0 |
|
硅灰 |
230-320 |
8.5-9.5 |
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磨細石英砂 |
0-230 |
0.0-8.0 |
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細砂 |
760-1050 |
39.0-41.0 |
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金屬纖維 |
150-190 |
5.5-8.0 |
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高效減水劑 |
15-25 |
0.5-1.0 |
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水 |
155-210 |
5.5-8.0 |
|
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力學性能接近鋼結構,同時UHPC具有優良的耐磨、抗爆性能。因此,UHPC特別適合用于大跨徑橋梁、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、公路鐵路橋梁(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。
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