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作者：北京江汉科技有限公司教授级高级工程师 赵筠
1、超高性能混凝土（UHPC）定义与发展历程 超高性能混凝土（Ultra-HighPerformance Concrete，简称UHPC），因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete，简称UHPFRC）。UHPC不同于传统的高强混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC），也不是传统意义“高性能混凝土（HPC）”的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。1999年清华大学覃维祖教授等发表文章《一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土》最早介绍了UHPC[1]，至今在中国仍然较多地使用“活性粉末混凝土（简称RPC）”名称。RPC是法国一个公司的专利产品名称，宣传介绍较多而广为人知。1994年法国学者DeLarrard等将这类新材料称作UHPC[2]，由于UHPC或UHPFRC名称没有商业色彩，且能更好表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能，逐步被广泛接受和采用。 UHPC较有代表性的定义或需要具备的特性如下[2,3]： 1）是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料； 2）水胶比小于0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料； 3）抗压强度不低于150MPa；具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa（法国要求7MPa）； 4）内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体浸入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅度提高。 UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。使用UHPC可以建造轻质高强和高韧性的结构，彻底改变混凝土结构“肥梁胖柱”状态；其结构所拥有的耐久性和工作寿命，远远超越钢、铝、塑料等其它所有结构材料。 UHPC在上世纪七十年代末起源于丹麦，八、九十年代在欧洲进行了比较系统深入的研究，并开始在小型工程和制品上应用。进入本世纪，在欧美、日韩等许多国家均将UHPC作为新型、未来的或战略性工程材料进行研究与发展，法国和日本率先制定了设计指南。目前，UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟，结构性能与设计规范正处于发展完善过程，工程结构与制品的应用不断取得新进展，定期举办国际UHPC／UHPFRC研讨会进行学术交流。 2、UHPC的制备与增强、增韧原理 上世纪七十年代初的一些试验研究证实，提高水泥净浆的密实度，可以有效提高强度。丹麦学者H.H. Bache教授发展的DSP（Densified System with Ultra-Fine Particles）理论，即：用充分分散的超细颗粒（硅灰）填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化，见图1[4]。借助高效减水剂的分散作用，硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间，从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量，DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料，DSP基体混凝土的抗压强度可以达到280MPa，但脆性非常大；同时使用钢纤维增强增韧（即UHPC），抗压强度可达到400MPa（常温养护）。更进一步，法国使用高压成型和高温高压（压蒸）养护的活性粉末混凝土（RPC），最高抗压强度达到了800MPa。 图1 水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度示意图 高密实的DSP基体与钢纤维界面的密实度也非常高，界面粘结强度得以大幅度提高，使钢纤维在DSP基体中提高抗拉、抗弯、抗裂与增韧作用得到充分的发挥。 用DSP理论配制超高强度混凝土，是混凝土技术的一个重大突破。同时期出现的MDF水泥（Macro Defect Free，宏观无缺陷水泥，用聚合物填充水泥浆孔隙和裂缝），SIFCON（Slurry Infiltrated Fibre Concrete，预填钢纤维灌注水泥细砂浆的混凝土），也可以获得很高的材料强度和韧性，但是前者需要辊压或挤压成型，后者难以使钢纤维形成三维堆积，在应用上受到很大制约，至今只能用于制作小型制品。DSP理论实现更高的密实度，只需要选择适宜优质原材料和进行配合比优化，不需要使用特殊的工艺方法，用传统搅拌设备和振动密实方法，就能生产与成型。因此，基于DSP理论配制的UHPC，较快地进入了实用阶段。 如今，已经能够配制自密实UHPC，预制产品与现场浇筑比较方便。虽然现在配制UHPC的技术途径和使用材料呈现多样化，但遵循的基本原则并没有改变，即颗粒组成与配合比要使密实度最大化。 参考文献 [1]覃维祖等，一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土，工业建筑，1999.4:16-18. [2]TECHNOTE:Ultra-High Performance Concrete, FHWA Publication No: FHWA-HRT-11-038, March2011. [3]AFGC, Ultra HighPerformance Fibre-Reinforced Concretes - Recommendations, Revised Edition, June2013. [4]Bache, H.H., NyBeton – Ny Teknologi （新混凝土 – 新工艺技术, 丹麦语）, Aalborg Portland, Denmark,1992. |
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