|
作者：北京江汉科技有限公司教授级高级工程师 赵筠 3、UHPC的力学性能 单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”，并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更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[5]），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：高强混凝土、UHPC、钢筋增强UHPC和高强韧性钢材的性能对比 图2 单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力－应变特征与其它材料对比 （OC/HSC－普通/高强混凝土，FRC/HSFRC－普通/高强纤维混凝土，ECC－高延性水泥基复合材料） 通过图2[6]可以直观对比UHPC与其它水泥基工程材料的典型力学性能特征。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（见图3[4]），可以实现更高的强度/质量比和刚度/质量比（详见表1）。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3 UHPC梁、高强韧性钢梁与钢筋增强UHPC梁的抗弯性能对比 4、UHPC的耐久性与可持续发展 UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。根据理论和试验研究结果，基本上可以确定：UHPC没有冻融循环、碱-骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。但UHPC不耐硝酸氨腐蚀，因为钢纤维会较快锈蚀。 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没有水化状态。因此，水或水汽进入UHPC的裂缝，暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“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，见图4[7]。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[7]。 图4 水泥熟料水化封闭了微裂缝 UHPC的耐久性能中，表面钢纤维的锈蚀一直令人关注。靠近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（氯盐、酸性等环境），表面钢纤维有较快发生锈蚀的危险性。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结果，预期UHPC结构寿命，在腐蚀性自然环境中（如海洋环境）可以超过200年以上；在非腐蚀环境（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。 使用B.L. Damineli[8]等提出的胶凝材料浓度指数bi（binder intensity ）和碳浓度指数ci（CO2 intensity ）两个水泥应用的生态效率指标进行评定，UHPC属于最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。例如，对比典型的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥与UHPC门型梁的梁板一体公路桥（两个桥的材质与结构不同，长度、宽度和功能完全相同），定量分析表明：UHPC桥节材体积为24%，节材重量为35%；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%[9]。 参考文献 [5]Bache, H.H.,Compact Reinforced Composite – Basic Principles. CBL Report No. 41, AalborgPortland, 1987. [6]A. Spasojevi?,Structural Implications of Ultra-High Performance Concrete Fibre-ReinforcedConcrete in Bridge Design, EPFL, THèSE No 4051, 2008. [7]Pimienta, P., etal, Durability of UHPFRC specimens kept in various aggressive environments,10DBMC International Conference On Durability of Building Materials andComponents, Lyon, France, April 2005. [8]Damineli, B. L., etal, Measuring the eco-efficiency of cement use, Cement & ConcreteComposites, V.32, 2010, 555–562. [9]Relevance of aDuctal solution for highway bridges – Environmental comparison between 2solutions for a two-lane bridge, 30m long x 7.32m wide (ppt), Lafarge, 2004.07. |
|
|
