超高性能混凝土(UHPC)定義與發展歷程詳細介紹
UHPC超高性能混凝土最早將其應用到實際中的是橋梁,它簡化了施工工序,使結構具有更高安全性能的同時,還降低了后期維護成本,并且全壽命周期的綜合成本更優于普通混凝土橋梁。而后隨著人們的建筑審美不斷提升,越來越多的建筑開始在外形上追求個性化、藝術化。傳統的工藝材料已然無法滿足,因此UHPC憑借其突出的性能,便自然而然地被應用到建筑設計中。下面為大家詳細介紹UHPC超高性能混凝土。
一、超高性能混凝土(UHPC)定義與發展歷程
超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete,簡稱UHPC),因為一般需摻入鋼纖維或高強聚合物纖維,也被稱作超高性能纖維增強混凝土。UHPC不同于傳統的高強混凝土(HSC)和鋼纖維混凝土(SFRC),也不是傳統意義“高性能混凝土(HPC)”的高強化,而是性能指標明確的新品種水泥基結構工程材料。
UHPC較有代表性的定義或需要具備的特性如下:
· 是一種組成材料顆粒的級配達到最佳的水泥基復合材料;
· 水膠比小于0.25,含有較高比例的微細短鋼纖維增強材料;
· 抗壓強度不低于150MPa;具有受拉狀態的韌性,開裂后仍保持抗拉強度不低于5MPa(法國要求7MPa);
· 內部具有不連通孔結構,有很高抵抗氣、液體浸入的能力,與傳統混凝土和高性能混凝土(HPC)相比,耐久性可大幅度提高。
UHPC屬于現代先進材料,創新了水泥基材料(混凝土或砂漿)與纖維、鋼材(鋼筋或高強預應力鋼筋)的復合模式,大幅度提高了纖維和鋼筋在混凝土中的強度利用效率,使水泥基結構材料的全面性能發生了跨越式進步。使用UHPC可以建造輕質高強和高韌性的結構,徹底改變混凝土結構“肥梁胖柱”狀態;其結構所擁有的耐久性和工作壽命,遠遠超越鋼、鋁、塑料等其它所有結構材料。
UHPC在上世紀七十年代末起源于丹麥,八、九十年代在歐洲進行了比較系統深入的研究,并開始在小型工程和制品上應用。進入本世紀,在歐美、日韓等許多國家均將UHPC作為新型、未來的或戰略性工程材料進行研究與發展,法國和日本率先制定了設計指南。目前,UHPC的配制、生產、施工和預制技術已經趨于成熟,結構性能與設計規范正處于發展完善過程,工程結構與制品的應用不斷取得新進展,定期舉辦國際UHPC/UHPFRC研討會進行學術交流。
二、UHPC的制備與增強、增韌原理
上世紀七十年代初的一些試驗研究證實,提高水泥凈漿的密實度,可以有效提高強度。丹麥學者H.H. Bache教授發展的DSP(Densified System with Ultra-Fine Particles)理論,即:用充分分散的超細顆粒(硅灰)填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中,實現顆粒堆積致密化。借助高效減水劑的分散作用,硅灰顆粒填充占據了水泥顆粒間的空隙即大量原本是水填充的空間,從而大幅度減小固體顆粒堆積的空隙率以及漿體的需水量,DSP體系可以使水膠比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高強骨料,DSP基體混凝土的抗壓強度可以達到280MPa,但脆性非常大;同時使用鋼纖維增強增韌(即UHPC),抗壓強度可達到400MPa(常溫養護)。更進一步,法國使用高壓成型和高溫高壓(壓蒸)養護的活性粉末混凝土(RPC),最高抗壓強度達到了800MPa。
三、UHPC的力學性能
單純的超高抗壓強度往往伴隨著“超高脆性”,并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力學性能”更主要體現在超高抗拉強度(單軸抗拉和彎曲抗拉強度)和高韌性,這依靠加入短纖維來實現。早期使用直徑0.15~0.4mm、長度6~12mm的平直光圓鋼纖維,可將UHPC的抗拉強度提高到30Ma,斷裂能達到1,500~40,000 N/m(鋼纖維體積含量2%~12%),使UHPC跨入韌性、高韌性材料的行列(斷裂能超過1,000J/m2劃分為韌性材料)。現在,使用異形,特別是扭轉形高強鋼纖維,可以進一步提高UHPC的抗拉強度、變形能力、韌性或斷裂能。此外,高強高模的聚乙烯醇(PVA)纖維也用于UHPC的增強與增韌;聚乙烯(PP)纖維用于提高UHPC的耐火能力。
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