徐禮健

(長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0 前 言

超高性能混凝土(UHPC)具有超高強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性和斷裂能，同時(shí)具有優(yōu)異的耐久性能，不僅能夠大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，也能降低混凝土結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用。超高性能混凝土(UHPC)具有非常強(qiáng)的抗?jié)B透能力，幾乎無碳化，并且抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕的能力也非常強(qiáng)，耐磨性能也很高。由于UHPC中存在大量的未水化的水泥顆粒，在開裂情況下，超高性能混凝土具有良好的自我修復(fù)能力，超高性能混凝土的自重是傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的1/3或1/2，顯著降低了結(jié)構(gòu)的自重。因此，UHPC成為近幾年的研究熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行了研究，本文主要總結(jié)了近幾年一些學(xué)者對(duì)UHPC的力學(xué)性能和耐久性能的研究成果。

1 UHPC力學(xué)性能研究

1.1 抗壓性能

1.1.1 立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度

李傳習(xí)等[1]通過UHPC的原材料和配合比不變(用水量除外)，來探究水膠比(0.15～0.2)的變化對(duì)UHPC施工與力學(xué)性能的影響規(guī)律，制作了6個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)充分濕拌時(shí)間為6 min時(shí)，UHPC達(dá)到最佳擴(kuò)展度，其抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)時(shí)的水膠比為0.18。陳寶春等[2]為研究尺寸效應(yīng)對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響，通過制作6種規(guī)格的立方體和圓柱體試塊，邊長(zhǎng)和直徑分別為150、100 mm和70.7 mm(其中圓柱體直徑為70 mm)，共計(jì)72個(gè)試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：無論立方體或圓柱體UHPC試件強(qiáng)度都隨著尺寸增大而減小，且立方體的尺寸效應(yīng)大于圓柱體。當(dāng)邊長(zhǎng)和直徑為150 mm時(shí)，圓柱體的抗壓強(qiáng)度大于立方體的抗壓強(qiáng)度，而試件邊長(zhǎng)和直徑在100 mm和70 mm附近時(shí)，立方體的抗壓強(qiáng)度大于圓柱體抗壓強(qiáng)度，并給出了邊長(zhǎng)為100 mm的立方體為基準(zhǔn)的形狀尺寸統(tǒng)一換算關(guān)系。

1.1.2 彈性模量

Hoang等[3]研究了不同高寬比和鋼纖維含量(1.5%、2.0%)對(duì)超高性能混凝土(UHPC)的單軸拉伸和壓縮性能的影響,對(duì)150 mm×300 mm圓柱體進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，對(duì)40 mm×40 mm×80 mm的開槽棱柱體進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著鋼纖維的摻入，纖維的抗壓強(qiáng)度和彈性模量沒有顯著變化，但鋼纖維含量和高寬比對(duì)壓縮后的性能影響比較大，通過與以往公式的比較，對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)得到的峰值應(yīng)力應(yīng)變和彈性模量進(jìn)行了計(jì)算，并提出了纖維效率與纖維因子之間的關(guān)系。

1.1.3 峰值應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

Deng等[4]研究了混雜鋼-聚丙烯纖維和粗集料對(duì)超高性能混凝土(UHPC)單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響，通過改變混雜鋼-聚丙烯纖維、粗骨料用量和聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：混雜纖維的加入不僅有助于在UHPC試件中建立更強(qiáng)大的界面，而且能改變UHPC的失效模式，并建立了考慮鋼纖維、聚丙烯纖維和粗骨料的UHPC的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變行為預(yù)測(cè)的解析模型。

1.2 抗拉性能

1.2.1 軸心抗拉強(qiáng)度

邵旭東等[5]為了定量地研究鋼纖維特性對(duì)超高性能混凝土軸拉性能和彎拉性能的影響，在同一鋼纖維體積摻量(2%)下，通過控制鋼纖維長(zhǎng)徑比、鋼纖維類型和有無鋼纖維這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)彎拉試驗(yàn)比軸拉試驗(yàn)更能提高UHPC試件的拉伸強(qiáng)度和韌性，無論平直型或端鉤形鋼纖維UHPC試件，當(dāng)軸應(yīng)變達(dá)到3 000×10-6時(shí)，其應(yīng)力均高于7 MPa。Qiu[6]等通過改變?cè)鰪?qiáng)率、纖維取向和纖維化學(xué)處理這三種實(shí)驗(yàn)變量來對(duì)鋼筋增強(qiáng)UHPC拉伸性能實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：提高配筋率可以顯著地提高屈服荷載和極限荷載，同時(shí)也能夠有效地提高UHPC構(gòu)件在直接拉力作用下的抗裂剛度、抗裂寬度和峰值荷載，建立了UHPC構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式。

1.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

F.Fotouhi等[7]研究了含有7種不同比例(0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%)的UHPRFC試件，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):試件的纖維含量越高，其抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度也就越高，3%纖維含量試樣劈裂抗拉強(qiáng)度是非纖維試樣劈裂抗拉強(qiáng)度的228%，并提出了基于鋼纖維體積分?jǐn)?shù)確定試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的兩種二階方程。陳倩等[8]研究了聚丙烯纖維體積率、鋼纖維體積率和長(zhǎng)徑比這三個(gè)因素對(duì)UHPC強(qiáng)度的影響規(guī)律，制作了171個(gè)UHPC試塊，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：摻入鋼-聚丙烯混雜纖維可以提高其劈裂抗拉強(qiáng)度559%，得出混雜纖維最佳配合比，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了UHPC立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式。

1.2.3 抗折強(qiáng)度

Li Y等[9]研究了鋼-聚乙烯混雜纖維增強(qiáng)超高性能混凝土的抗彎性能，通過改變雜化纖維程度、集粒粒徑、暴露的溫度和水膠比這幾種變量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維和聚乙烯的結(jié)合能夠有效提高UHPFRC的斷裂模量、比例極限、韌性和韌性指數(shù)，較高的水膠比和較小的集料降低了UHPFRC的抗彎性能。曹瑞東等[10]研究了不同摻量的PVA纖維對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，得出了隨著纖維摻量的增加，UHPC的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有提高，并得出PVA的最優(yōu)摻量為0.2%，在一定程度上改善UHPC抗折強(qiáng)度低的缺陷。

2 UHPC耐久性能研究

2.1 抗碳化性能

Gu C等[11]研究了養(yǎng)護(hù)條件對(duì)UHPC在彎曲荷載下耐久性的影響，將RPC棱柱體試塊(40 mm×40 mm×160 mm)放在碳化室(二氧化碳質(zhì)量濃度為60%，溫度20℃，相對(duì)濕度70%)養(yǎng)護(hù)180 d，試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同養(yǎng)護(hù)條件下，RPC試件無論加載與否，其碳化深度均為0。葛曉麗等[12]通過高溫加速試驗(yàn)，研究了不同水膠比和養(yǎng)護(hù)條件下未水化水泥后期水化對(duì)UHPC性能的影響，結(jié)果表明：60 ℃水養(yǎng)護(hù)能夠有效加速UHPC中未水化水泥的水化，隨著齡期的增加，試件先收縮后膨脹，并在90天內(nèi)趨于穩(wěn)定，當(dāng)在90天時(shí)，其抗碳化性能和抗氯離子滲透性能均下降。

2.2 抗氯離子滲透和硫酸鹽離子侵蝕

Hussein L等[13]研究了超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(UHPFRC)在嚴(yán)重的氯離子環(huán)境下對(duì)構(gòu)件彎曲行為和微觀結(jié)構(gòu)的影響，測(cè)量三種不同纖維含量(1%、1.5%、2%)長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)重氯化物環(huán)境下粘結(jié)面積和可能的物理脫粘情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：嚴(yán)重的氯離子暴露對(duì)彎曲承載力有影響，UHPFRC纖維體積的增加顯著改善了復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能。王衛(wèi)侖等[14]研究了含PVA纖維(體積摻量0～2.0%)的UHPC抗氯離子滲透和硫酸鹽離子侵蝕的試驗(yàn)，結(jié)果表明：摻入適量的PVA纖維可以有效提高UHPC試件的抗硫酸鹽侵蝕的能力，隨著齡期的增加，PVA纖維UHPC試件氯離子滲透能力呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)降低，因此，在混凝土養(yǎng)護(hù)早期必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

2.3 抗凍融性能

An MZ等[15]研究了考慮再水化作用的超高性能混凝土(UHPC)在鹽溶液中凍融循環(huán)下的破壞機(jī)理，在5.0%氯化鈉溶液中進(jìn)行了加速凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在經(jīng)過1 500次凍融循環(huán)后，試樣的束縛水含量增加了11.3%，表明即使在低溫條件下，試件中未水化水泥的再水化反應(yīng)仍在繼續(xù)，再水化反應(yīng)可通過填充小于100 nm的孔隙來修復(fù)部分損傷，而凍融損傷主要發(fā)生在大于1 μm的孔隙中。李云峰等[16]研究了不同礦物摻合料UHPC 在三種水膠比下(0.21、0.24、0.27)的抗凍融性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：在礦物摻合料相同的情況下，當(dāng)水膠比為0.21時(shí)，試塊的抗凍性最好，而且相對(duì)動(dòng)彈性模量最大。

3 展 望

1)與國(guó)外相比，我國(guó)配制的UHPC的強(qiáng)度還比較低，且UHPC的最低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于其他國(guó)家還比較低，建議提高相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)配制的理論計(jì)算還不夠重視，下一步的研究目標(biāo)應(yīng)該朝著提高強(qiáng)度、節(jié)約經(jīng)濟(jì)和低碳環(huán)保的方向進(jìn)行。

2)對(duì)于UHPC在實(shí)際工程中的應(yīng)用還不夠多，國(guó)外在這方面已經(jīng)有較多的應(yīng)用實(shí)例。我們不僅僅要加深理論研究，更要把它應(yīng)用到實(shí)際工程中，完善相關(guān)的施工技術(shù)，并制定相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

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