超高性能混凝土性能研究分析

超高性能混凝土性能研究分析

李晓龙1  杜波2

1.四川大学锦江学院，四川 眉山，620860

2.基准方中建筑设计股份有限公司，四川 成都，610000

1. 前言

超高性能混凝土UHPC(Ultra-High Performance Concrete)是一种由水泥、硅灰、石英粉、减水剂、水、砂、钢纤维组成的一种新型水泥基复合材料，在大跨径混凝土桥梁、高层建筑，各种市政工程等领域有着理想的应用前景。

2.UHPC与普通混凝土的对比

超高性能混凝土UHPC（以下简称为UHPC）的水胶比在0.2左右，而普通混凝土一般为0.4——0.6，较高的水胶比会导致混凝土孔隙率升高，影响耐久性。如果考察UHPC的浆体和骨料比值，更是达到了大约6成，是普通混凝土不到3成浆体比例的两倍还多。的在抗压强度方面，UHPC可以达到120MPa以上，相比常见的30MPa左右抗压强度的混凝土达3倍以上。UHPC的韧性和断裂能优异，和高性能混凝土相比，UHPC的韧性提高了300倍以上，可以和一些金属相提并论。而另一项评价混凝土耐久性的重要指标——氯离子迁移系数则比普通混凝土小100倍，达到了10-14m2/s，普通混凝土则大约是1.5×10-12～4.5×10-12m2/s。

3.UHPC中各项有利于工程的指标受到几方面影响

1. UHPC的胶凝材料通常采用水泥、硅灰，由于造价和碳排放限制，也可以考虑用粉煤灰、矿渣、metakaolin、石灰石粉等材料替代上述两种胶凝材料。
2. 不同组分对UHPC抗压强度的影响。当前典型的UHPC的配合比通常是710kg/m3水泥（28%），230kg/m3硅灰（10%），210kg/m3石英粉（8%），1020kg/m3砂（31%），40～160kg/m3纤维（3%），13kg/m3减水剂（1%），140kg/m3水（18%）。在史才军教授团队的研究报告中（见图1）表明：水胶比从0.14变化至0.22，UHPC的抗压强度在3天到90天的养护条件下，均呈现下降趋势。以28天养护龄期为例，抗压强度随着水胶比升高，会从145Mpa下降至125Mpa。硅灰的使用量从15%调整到25%，考察不同龄期的抗压强度，则影响不大。石英粉的比例从15%调整至40%的过程中，发现强度略有提高——28天龄期的抗压强度可以从125mpa升至133mpa；砂和胶凝材料之比从0.8调整至1.6，对强度的影响也不大。综上，从组分比例看来，对强度影响较大的仍旧是水灰比，石英粉比例影响次之。
3. 不同组分对UHPC自收缩的影响。从图1可看出，水胶比从0.14变化至0.22，UHPC的自收缩值从1300×10-6升到4500×10-6。值得一提的是0.16～0.22的水胶比所产生的自收缩通常在养护14d之后趋于稳定，而更低的水胶比0.14则需要48d才稳定下来。硅灰掺量从10%变化至30%，自收缩值从2000升至4000，其中掺量在15%到30%这个区域影响比较显著。石英粉掺量从15%变化至40%，自收缩值基本处于3000左右，影响不大。同样的砂灰比从0.8变至1.6，对自收缩值影响也不大。纤维掺量从0增加至3%，发现自收缩可以从1300下降至600×10-6；短直纤维，自收缩最大，混掺纤维，自收缩最小。由此可以看出，要控制自收缩，需要注意水灰比、硅灰掺量、纤维掺量及形态的设计。

图1不同组分对UHPC的抗压强度和自收缩的影响

4. 目前有一些工程考虑往UHPC里添加粗骨料，抵抗混凝土的自收缩，当采用弹性模量较大的粗骨料时，对提高UHPC的弹性模量也起到积极作用。如果骨料采用的是轻骨料（例如陶砂），研究表明在28天养护下，随着轻骨料比例从5%提升到20%，其抗压强度会从125mpa稍微降低至100mpa。但是考虑到轻骨料的吸水性，采用轻骨料相当于对uphc进行内养护。对自收缩的影响较为显著，随着轻骨料比例从5%升至20%，自收缩下降20%～85%，对干缩降低程度最大可以达到20%左右。
5. 纤维-基体粘结性能表现。目前UHPC通常采用钢纤维，一些装饰面板若采用钢纤维则要注意锈蚀问题影响美观。对UHPC性能影响比较大的是纤维的形状。常见的形状有直线型、端钩型、波纹型。参照CECS13-2009《钢纤维与水泥浆体粘结强度试验》进行试验，结果表明经过改性即涂覆涂层和增加粗糙度，来强化界面过渡区和改善基体纤维摩擦性能的端钩型钢纤维的纤维-基体粘结性能最为理想。（端钩型性能理想是通过midas有限元建模得出的结论）
6. UHPC用高效聚羧酸减水剂。根据（ma et. at ccr 2021），该报告研究了4种(见图3)不同化学结构的PCEs，发现PCEs-4可以显著降低溶液表面张力；随着PCEs掺量的增加，水泥-硅灰浆体的zeta电位降低，PCEs-2和PCEs-4的掺加极大程度上降低浆体的zeta电位。PCEs-4减水剂在不同水胶比体系种均呈现较好的分散性能，还可以增加水泥-硅灰浆体的7d和28d强度。

图3 四种PCEs的结构信息

4. 总结

（1) 不同组分比例对UHPC的抗压强度和自收缩均产生影响，其中对抗压强度影响最大的因素还是水胶比；对自收缩影响较大的是水胶比及硅灰掺量。

（2) 骨料对UHPC的影响和普通混凝土相似，质量好的岩石作为骨料可以获得更高的弹性模量，从而抵抗自收缩。

（3) 对纤维进行改性并改良其形状可以让UHPC获得更加理想的强度和耐久性。

（4) 使用适当配比的高效减水剂对改善UHPC的性能有明显的帮助。

得益于优异的力学性能以及耐久性，UHPC已经在许多领域中有了实际的应用，并且产生了良好的效益。综合上述谈到的几个影响UHPC性能的因素，探索并且利用好现有的研究成果对UHPC在土木工程领域的应用有着十分积极的作用。