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UHPC发展历程

        超高性能混凝土,简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete),是一种创新性极高的水泥基工程材料,具有优异的耐久性和超高的力学性能。其中以DSP为胶凝材料的超高性能混凝土,最早起源于丹麦的阿尔堡水泥公司,后由法国的拉法基公司发展和改进成活性粉末混凝土RPC,并向全世界推广。
        UHPC的“超高力学性能”主要体现在超高抗拉强度(单轴抗拉和弯曲抗拉强度)和高韧性,这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维,可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa,断裂能达到20,000~40,000 N/m(钢纤维体积含量2%~12% ,详见表1),使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列(断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料)。现在,使用异形,特别是扭转形高强钢纤维,可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外,高强高模的聚乙烯醇(PVA)纤维也用于UHPC的增强与增韧;聚乙烯(PP)纤维用于提高UHPC的耐火能力。

材料性能

        UHPC的“超高力学性能”主要体现在超高抗拉强度(单轴抗拉和弯曲抗拉强度)和高韧性,这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维,可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa,断裂能达到1,500~40,000 N/m(钢纤维体积含量2%~12% ,详见表1),使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列(断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料)。现在,使用异形,特别是扭转形高强钢纤维,可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外,高强高模的聚乙烯醇(PVA)纤维也用于UHPC的增强与增韧;聚乙烯(PP)纤维用于提高UHPC的耐火能力。
表1:材料性能对比

图1  单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力-应变特征与其它材料对比

        UHPC的抗压与抗拉强度大幅度超越其它水泥基材料。在变形能力方面,UHPC可以在相对低的纤维含量水平实现拉伸“应变硬化”行为,即单轴受拉经历弹性阶段,出现多微裂缝,纤维抗拉作用启动;随后拉应力上升,进入非弹性的应变硬化阶段(类似钢材的“屈服”);达到开裂后最大拉应力(抗拉强度),出现个别裂缝在局部扩展,之后拉应力下降,进入软化阶段。“应变硬化”是韧性材料的重要特征,体现短纤维增强增韧效果“质”的变化,目前只有ECC(高延性水泥基复合材料)和UHPC可以实现“应变硬化”。普通和高强纤维混凝土(FRC、HSFRC)开裂即软化,纤维强度未能有效发挥,故提高韧性的作用有限。
        钢纤维增强增韧的UHPC,再与高强钢筋或钢绞线复合应用制作的梁(CRC或HRUHPC梁),抗弯承载能力接近钢梁的水平且抗弯行为相似(图2)。结合预应力技术,UHPC还有更大潜力用于建造大跨度或轻质高强、高韧的结构,至今已经发展出多种桥梁结构。

图2  UHPC梁、高强韧性钢梁与钢筋增强UHPC梁的抗弯性能对比

主要特点

超高性能混凝土(UHPC)结构的特点:结构自重较小、设计自由度大、韧性好、耐久性高,结构寿命长,符合可持续发展。

UHPC的耐久性与可持续发展

        UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低,UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化,绝大多数水泥颗粒的内部处于未水化的状态。因此,当水或水汽进入UHPC的裂缝时,暴露在裂缝表面未水化部分的水泥颗粒就会“继续”水化;结合了外界水分的水化产物体积大于水泥熟料体积,多出来的体积能够填堵裂缝。试验和工程验证表明,UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性,同时还起“胶结”裂缝作用,可在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能。
        UHPC的耐久性能中,表面钢纤维的锈蚀一直令人关注。靠近结构表面的钢纤维保护层很小,还可能露出表面,在潮湿或腐蚀性环境中(氯盐、酸性等环境),表面钢纤维有较快发生锈蚀的可能性。目前10~15年的试验和实际工程观察表明,只要钢纤维不露出表面,UHPC密实的基体能够非常有效地保护钢纤维不锈蚀,露出表面钢纤维的锈蚀没有扩展到内部,仅限于表面,但会影响表面美观。因此,对于有装饰功能的UHPC结构,需要采取措施防止钢纤维暴露或使用不锈蚀纤维。
        与钢结构相比,UHPC结构的优势在于高耐久性和几乎没有维护费用,并容易达到建筑防火要求。与传统的钢筋混凝土结构相比,UHPC结构寿命可成倍提高。根据理论分析、现有的暴露试验以及实际工程检验的结果,在腐蚀性自然环境中(如海洋环境)UHPC结构寿命可以超过200年;在非腐蚀环境UHPC结构寿命(如城市建筑)可以达到1000年。相对保守的日本指南认为,在正常使用环境条件下,UHPC结构的设计工作寿命为100年。耐久性中的碳化、钢纤维与钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱-骨料反应属于免检项目,但重化学腐蚀和耐火性能是需要检验的项目。
        UHPC属于高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土,同时也是最低碳的混凝土材料。通过具体工程结构的计算比较,可以量化分析UHPC的节材、节能和减排效果。定量分析表明:UHPC桥梁可节省材料体积24~50% ,节省材料重量35~60%;节能54%;减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP(当量CO2排放)分别达到59%和44%。

应用前景