UHPC材料基本性能介绍 | 湖南大学桥梁工程系

UHPC材料基本性能介绍

 

      近5年来，针对我国工程建设的重大需求，湖南大学桥梁工程学科在新型桥梁结构、桥梁设计理论与应用、大型土木工程结构抗风及振动控制研究、大型桥梁与结构的非线性动力学、混凝土结构设计基本理论、高性能工程结构的设计与构造、大跨桥梁施工控制、既有桥梁加固与改造设计基本理论等方面进行了系统的研究，承担各类纵向项目100余项，其中国家自然科学基金30项，包括重大研究计划集成项目1项、重点项目2项。发表论文300多篇，其中SCI论文70多篇、国内重点期刊论文80多篇。近几年来，共获得国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步奖近20项。出版专著9部。

 

1、基本力学性能

      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

		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	170-227
	抗折强度（MPa）	2-5	6-10	30-60
	弹性模量	14-41	31-55	55-62
	泊松比	0.11-0.21	—	0.19-0.24
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	—	6.8-24
最大骨料粒经(mm)		19-25	9.5-13	0.4-0.6
韧性		—	—	比NSC大250倍
断裂能(kN-m/m)		0.1-15	—	10-40
断裂模量(第一条裂缝)(MPa)		2.8-4.1	5.5-8.3	16.5-22.0
极限抗弯强度(MPa)				20-62
二氧化碳/硫酸盐渗透		—	—	无
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
徐变系数，Cu		2.35	1.6-1.9	0.2-0.8
收缩		—	养护后40-80×10	养护后<x10无自生收缩
耐久性	抗氯离子	1×10	4.9×10	2×10
	孔隙率	20-25%	10-15%	2-6%

      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（见图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

 

2、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]。

      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。

      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。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%。