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        超高性能混凝土研究與應(yīng)用進展

        2022-02-21 02:25:40劉瑜LIUYu劉曉貝LIUXiaobei黃荊HUANGJing
        價值工程 2022年5期
        關(guān)鍵詞:鋼纖維試塊基體

        劉瑜 LIU Yu;劉曉貝 LIU Xiao-bei;黃荊 HUANG Jing

        (①北京世紀千府國際工程設(shè)計有限公司,北京100089;②桂林理工大學土木與建筑工程學院,桂林541004)

        0 引言

        隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,橋梁工程、地下結(jié)構(gòu)工程等現(xiàn)代工程向著壽命更長、標準更高的方向發(fā)展,故對混凝土提出了更高的工作性能要求。1994 年,法國學者首次提出了 UHPC 的概念[3],即超高密度(Ultra-High Performance Concrete)。UHPC 是基于最大堆積密度原理制備而成的,與傳統(tǒng)的混凝土相比,具有超高強度、高韌性延性、高耐久性等優(yōu)異性能[3];此外,鋼纖維的加入對其整體強度的提升有較大影響[4]?;谝陨蟽?yōu)異性能,UHPC 已廣泛應(yīng)用于大跨度特殊結(jié)構(gòu)、超高層建筑和橋涵隧道等工程領(lǐng)域,并且在市政工程、國防工程等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景[5]。鑒于此,筆者在UHPC 材料制備、力學性能、應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進行了介紹,為UHPC 的后續(xù)研究提供借鑒和參考。

        1 制備過程

        1.1 原料 水泥,普通硅酸鹽水泥P.O 42.5 級以上,試塊28d 強度要求達到42.5MPa 以上;石英砂,分別為細砂、中砂、粗砂;硅灰,主要成分為氧化鈣、二氧化硅,是由硅灰石礦石經(jīng)粉碎研磨制成;鋼纖維,長徑比為30~100,纖維和砂漿之間的粘合就會增加;減水劑,起到對水泥顆粒拌合的分散作用,減少單位用水量,改善混凝土混合物的流動性。

        1.2 制備工藝 ①稱量一定量的細砂、中砂、粗砂攪拌5 分鐘;②加入水泥攪拌3 分鐘;③加入硅灰攪拌約10 分鐘,使其干粉料充分拌合均勻,制成UHPC 干粉料,干粉料拌合均勻后;④加入稱量好的鋼纖維,以避免鋼纖維結(jié)塊而導致分布不均勻的情況,待鋼纖維充分攪拌均勻后;⑤加入配備好的水和減水劑,攪拌約10 分鐘直至拌合物具有較好的流動性。其工藝流程見圖1。選用合適的配合料,采用最緊密堆積理論進行了超高性能混凝土基體的配合比試驗。

        圖1 UHPC 制備工藝流程

        參照GB/T50081-2019《混凝土物理性能試驗方法標準》[1],分別按照齡期為7d 和28d 的力學性能進行測定,抗壓試件分別采用立方體100mm*100mm*100mm、棱柱體100mm*100mm*300mm、圓柱體Φ100mm*100mm 的模具成型;抗折試件采用100mm*100mm*400mm 的模具成型,成型后將試塊置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7d 和28d 后脫模,脫模后的試塊置于相同養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至各齡期,并測其強度。

        2 力學性能

        2.1 鋼纖維摻量對UHPC 力學性能的影響

        影響UHPC 強度的主要因素是其孔隙結(jié)構(gòu),因此,降低孔隙率,提高密實度,優(yōu)化孔結(jié)構(gòu),是提高UHPC 性能的有效措施,而鋼纖維的摻入可以改善UHPC 的性能。因此本文主要研究鋼纖維摻量對UHPC 受力性能的影響。設(shè)置0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%共 7 組不同的鋼纖維體積摻量,研究不同鋼纖維體積摻量對UHPC 工作性能和力學性能的影響。

        實驗發(fā)現(xiàn),隨著鋼纖維體積摻量不斷增加,UHPC 坍落度和擴展度會不斷降低,這是因為鋼纖維在攪拌作用下互相搭接成結(jié),在UHPC 基體中形成纖維網(wǎng),體積摻量越大,鋼纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越密,其混合物間的摩擦力和阻力越大,工作性越差。綜合考慮其經(jīng)濟性、強度要求等均要滿足工作性能,確定最佳鋼纖維體積摻量為2%。

        觀察試塊抗壓破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn),鋼纖維的加入改變了混凝土的破壞形式,由常見的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐腫2],UHPC 試塊破壞后有大量的裂紋產(chǎn)生,但仍保持完整狀態(tài),說明當試塊出現(xiàn)裂縫后,鋼纖維和基體之間的粘接作用可以提供部分拉應(yīng)力。當裂縫完全展開,裂縫區(qū)基體會退出工作,則鋼纖維與基體之間的剪應(yīng)力來承擔全部的拉應(yīng)力,故若加入鋼纖維,基體的延性就會明顯提高。

        2.2 基本力學性能分析

        2.2.1 抗壓性能 抗壓強度作為UHPC 基本力學性能指標之一,一直以來深受關(guān)注,本文選用了不同鋼纖維摻量的7 組試件進行控制變量法研究,發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量逐漸增大,其抗壓強度逐漸增強;選用齡期為7d 的立方體試塊為例,其鋼纖維摻量-抗壓強度曲線見圖2。由圖2 可以發(fā)現(xiàn),鋼纖維摻量從1%增加到1.5%,抗壓強度增幅最大,并實測得到抗壓強度提高了38%。

        圖2 鋼纖維摻量對UHPC 抗壓強度的影響

        2.2.2 抗拉性能 測試UHPC 抗拉強度的試驗方法主要有軸拉試驗、劈裂試驗和彎拉試驗[10]。我國國家標準規(guī)定彎拉試驗應(yīng)采用100mm*100mm*400mm 的棱柱體試件[3],加載方式為三分點加載,試驗裝置簡單,操作方便。國內(nèi)學者張哲[6]研究了鋼纖維含量和類型對摻混合鋼纖維UHPC的軸拉性能的影響,結(jié)果表明混合鋼纖維UHPC 呈現(xiàn)應(yīng)變硬化和多元開裂的特性;隨著鋼纖維含量的增加,UHPC的可視開裂應(yīng)變增加,且摻入端勾型的鋼纖維的增強效率大于平直型鋼纖維。張陽[4]等人通過四點彎曲試驗研究發(fā)現(xiàn)增加鋼纖維含量,試件彎拉韌性比增加,說明試件開裂后,增加UHPC 基體中鋼纖維體積含量,能夠提高其殘余應(yīng)力,阻礙了裂縫的進一步發(fā)展,試件的變形減小,韌性增強。由此可見增加UHPC 鋼纖維體積含量,有利于增強UHPC 的彎拉性能。

        3 應(yīng)用進展

        UHPC 憑其超高強度、超高耐久性等優(yōu)異性能,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域,與普通混凝土相比,UHPC 可以使施工工序簡化,且可以在惡劣、復雜的環(huán)境中提高建筑的使用壽命,使結(jié)構(gòu)具有更高安全性能的同時,降低了后期維護費用,其全壽命周期的綜合成本更優(yōu)于普通混凝土?,F(xiàn)全球有約1000 座橋梁采用了UHPC 材料,大致分布情況見圖3。

        圖3 UHPC 材料橋梁全球分布情況

        3.1 UHPC 在國外的應(yīng)用進展

        加拿大于1997 年修建了世界上第一座UHPC 橋梁——舍布魯克人行橋,該橋的創(chuàng)新體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和材料上,其橋梁主體結(jié)構(gòu)為預制鋼管-超高性能混凝土桁架,節(jié)段內(nèi)未配置鋼筋,僅采用后張法拼接和節(jié)段預制工藝施工而成[5]。韓國于2002 年采用UHPC 建成了一座人行天橋,并對該橋的結(jié)構(gòu)和材料進行了測試和分析,編寫了關(guān)于UHPC 橋梁的設(shè)計規(guī)范,而后韓國自主建成了第一座UHPC 斜拉橋[5]。法國于2005 年最先采用了UHPC 橋面面板[5],橋面不再鋪設(shè)瀝青混凝土和防水層,在很大程度上減輕了橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重。奧地利于2010 年建成了世界上第一座UHPC 公路拱橋——Wild 橋[8],見圖4,該橋的結(jié)構(gòu)為并列的雙桁架拱,由預制正方形薄壁箱梁和接頭現(xiàn)場組裝而成。該橋充分利用了UHPC 材料輕質(zhì)高強的特點,使拱橋結(jié)構(gòu)細巧,并具有優(yōu)美的造型。

        圖4 Wild 橋雙桁架拱結(jié)構(gòu)

        UHPC 除了在橋梁工程上的應(yīng)用,在建筑結(jié)構(gòu)上也開拓了應(yīng)用空間,法國于1998 年率先在發(fā)電廠采用預制預應(yīng)力梁,并開始用UHPC 材料制作房屋構(gòu)件,如幕墻、屋蓋、外掛墻板等[5]。法國millau 高架收費站也采用了UHPC材料[8],板厚僅10 厘米,結(jié)構(gòu)飄逸美觀。

        3.2 UHPC 在國內(nèi)的應(yīng)用進展

        自1994 年在UHPC 提出不久后,中國在鐵道工程高鐵電纜槽蓋板領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用UHPC 材料。近十幾年來,我國高度關(guān)注UHPC 在工程中的應(yīng)用,在UHPC 的應(yīng)用上獲得了新的突破,主要集中在橋梁接縫澆筑、后期維修加固等方面[7]。UHPC 在我國首次規(guī)?;褂檬窃?005 年沈陽工業(yè)廠房擴建工程中,采用了C140 級UHPC 制作了329 件預制構(gòu)件,均為預應(yīng)力大體積構(gòu)件[7]。世界首座全預制拼裝UHPC 橋梁于2016 年在湖南長沙竣工[7],橋梁的厚度只有普通混凝土橋梁的三分之一,全橋僅有2 個橋墩,若用普通混凝土澆筑建造至少需要5 個。該橋梁先在工廠預制,然后運至現(xiàn)場,僅用了10 小時拼裝搭建而成,中國工程院院士陳政清專家[7]見證了這座天橋的誕生,并評價道:“這座橋的竣工,在中國超高性能混凝土工程應(yīng)用領(lǐng)域是一個飛躍[7]?!?/p>

        除用于制作預制構(gòu)件外,UHPC 現(xiàn)場澆筑技術(shù)也在不斷發(fā)展,其中應(yīng)用最為廣泛的是鋼橋中的鋼-UHPC 組合橋面板,邵旭東教授[9]團隊自主研發(fā)的STC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu),可徹底解決的世界性難題是鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂。莫時旭教授[10]團隊也對UHPC 部分充填混凝土窄幅鋼箱組合梁受力性能進行研究,發(fā)現(xiàn)負彎矩區(qū)混凝土開裂以及鋼箱失穩(wěn)產(chǎn)生屈曲是此類結(jié)構(gòu)最終破壞的主要原因,因此提出使用UHPC 材料來代替普通混凝土受拉并在中支座區(qū)充填混凝土來提高鋼箱穩(wěn)定性,以此改善了混凝土在負彎矩區(qū)的開裂問題,并提高了組合結(jié)構(gòu)的受力性能。

        4 結(jié)語與展望

        自20 世紀90 年代UHPC 誕生以來,發(fā)展了近20 年,從最初單純的追求超高強度,到后來兼顧工作性能,再到充分發(fā)揮耐久性等優(yōu)點達到節(jié)能減排、節(jié)約成本,從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。UHPC 除在橋梁工程被廣泛應(yīng)用外,在軍事工程、核電工程、海洋工程等方面也都有著廣闊的前景。經(jīng)濟性是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因,由于UHPC 中大量使用硅灰、石英砂、鋼纖維,其成本大約是普通混凝土價格的20 倍,因此在不降低UHPC 優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上尋求更低成本的集料、纖維是未來研究UHPC 材料的發(fā)展方向,所以UHPC 材料還有很大的進步發(fā)展空間。

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