超高性能混凝土
超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，也称作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。
- 中文名称 超高性能混凝土
- 外文名称 Ultra-High Performance Concrete
- 应用于 土木工程
简介
超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，也称作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。
"超高性能混凝土"包含两个方面'超高'--超高的耐久性和超高的力学性能(详见表1-普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土的性能对比):
性能参数
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对比
普通混凝土NSC | 高性能混凝土HPC | 超高性能混凝土UHPC | |
抗压强度(MPa) | 20-40 | 40-96 | 120-180 |
水胶比 | 0.40-0.70 | 0.24-0.35 | 0.14-0.27 |
圆柱劈裂抗拉强度(MPa) | 2.5-2.8 | -- | 4.5-24 |
最大骨料粒径(mm) | 19-25 | 9.5-13 | 0.4-0.6 |
孔隙率 | 20-25% | 10-15% | 2-6% |
孔尺寸(mm) | -- | -- | 0.000015 |
韧性 | -- | -- | 比NSC大250倍 |
断裂能(kN·m/m) | 0.1-15 | -- | 10-40 |
弹性模量(GPa) | 14-41 | 31-55 | 37-55 |
断裂模量(第一条裂缝)(MPa) | 2.8-4.1 | 5.5-8.3 | 7.5-15 |
极限抗弯强度(MPa) | 18-35 | ||
透气性k(24小时40C)(mm) | 3x10 | 0 | 0 |
吸水率 | <10% | <6% | <5% |
氯离子扩散系数(稳定状态扩散)(mm/s) | -- | -- | <2x10e-12 |
二氧化碳/硫酸盐渗透 | -- | -- | -- |
抗冻融性能 | 10%耐久 | 90%耐久 | 100%耐久 |
抗表面剥蚀性能 | 表面剥蚀量>1 | 表面剥蚀量0.08 | 表面剥蚀量0.01 |
泊松比 | 0.11-0.21 | -- | 0.19-0.24 |
徐变系数，Cu | 2.35 | 1.6-1.9 | 0.2-1.2 |
收缩 | -- | -- | -- |
流动性(工作性)(mm) | 测量坍落度 | 测量坍落度 | 测量坍落度 |
含气量 | 4-8% | 2-4% | 2-4% |
超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论(densified particle packing)，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒(骨料)堆积的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰、矿粉)填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充。早在1931年，Andressen就建立了最大堆积密度理论的数学模型。然而，直到上世纪七十年代末，在高效减水剂技术与产品性能大幅度提高的基础上，采用该模型设计配制的第一代超高性能混凝土才在丹麦奥尔堡Cement og Beton Laboratiet(水泥与混凝土试验室)诞生，称作CRC(Compact Reinforced Composite，密实增强复合材料)。CRC与目前的UHPC达到基本相同的力学性能，最高抗压强度超过400MPa，使用烧结铝矾土作骨料，同时使用钢纤维提高材料的韧性，所以称作"复合材料"。受到当时高效减水剂性能的限制，CRC或早期UHPC比较粘滞，振捣密实较困难，还不便于现浇应用。上世纪九十年代，欧洲开展了合作研究项目，世界各地也广泛开展相关研究，这种材料获得一个新名称"活性粉末混凝土，简称RPC"。"超高性能混凝土UHPC"的名称形成于本世纪，因为与早期的CRC或RPC相比，随着设计理论的完善、超高效减水剂(聚羧酸系)问世和配制技术的进步，这种材料已具备了普通混凝土的施工性能，甚至可以实现自密实，可以常温养护，已经具备广泛应用的条件。
UHPC与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，必须使用硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)，水泥用量较大，水胶比很低。UHPC的组成见表2。
表2:超高性能混凝土UHPC(钢纤维)基本组成
kg/m | 重量百分含量% | |
水泥 | 700-1010 | 27.0-38.0 |
硅灰 | 230-320 | 8.5-9.5 |
磨细石英砂 | 0-230 | 0.0-8.0 |
细砂 | 760-1050 | 39.0-41.0 |
金属纤维 | 150-190 | 5.5-8.0 |
高效减水剂 | 15-25 | 0.5-1.0 |
水 | 155-210 | 5.5-8.0 |
水/胶凝材料比 | 0.14-0.27 | -- |
UHPC堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的UHPC力学性能接近钢结构，同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构，以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。目前，UHPC已经在一些实际工程中应用，如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁(实例见表3)、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳，等等。可以预计，还会有越来越多的应用。
表3:法国第一座UHPC(钢纤维)公路桥梁混凝土组成和性能
组成材料 | kg/m | 性能 | |
水泥 | 1114 | 坍落流动度 | 630~640 mm |
硅灰 | 169 | 28d 特征抗压强度(fck) | 175 MPa |
0-6mm骨料 | 1072 | 28d 特征抗拉强度(ftk) | 8 MPa |
纤维: 0.3mm直径x20mm长 | 234 | 28d 特征裂后抗拉强度 | 9.1 MPa |
高效减水剂 | 40 | 弹性模量 | 64 GPa |
水 | 209 | 比重 | 2800 kg/m |
水/胶凝材料比 | 0.19 |
参考文献:3rd International Symposium on HPC Proceedings: October 19-22, 2003 in Orlando, FL