超高性能混凝土,简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete),也称作活性粉末混凝土(RPC,Reactive Powder Concrete),是过去三十年中具创新性的水泥基工程材料,实现工程材料性能的大跨越。
超高性能混凝土的设计理论是大堆积密度理论(densified particle packing),其组成材料不同粒径颗粒以佳比例形成紧密堆积,即毫米级颗粒(骨料)堆积的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰、矿粉)填充,微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充。早在1931年,Andressen就建立了大堆积密度理论的数学模型。然而,直到上世纪七十年代末,在高效减水剂技术与产品性能大幅度提高的基础上,采用该模型设计配制的代超高性能混凝土才在丹麦奥尔堡Cement og Beton Laboratiet(水泥与混凝土试验室)诞生,称作CRC(Compact Reinforced Composite,密实增强复合材料)。CRC与目前的UHPC达到基本相同的力学性能,高抗压强度超过400MPa,使用烧结铝矾土作骨料,同时使用钢纤维提高材料的韧性,所以称作“复合材料”。受到当时高效减水剂性能的限制,CRC或早期UHPC比较粘滞,振捣密实较困难,还不便于现浇应用。上世纪九十年代,欧洲开展了合作研究项目,世界各地也广泛开展相关研究,这种材料获得一个新名称“活性粉末混凝土,简称RPC”。“超高性能混凝土UHPC”的名称形成于本世纪,因为与早期的CRC或RPC相比,随着设计理论的完善、超高效减水剂(聚羧酸系)问世和配制技术的进步,这种材料已具备了普通混凝土的施工性能,甚至可以实现自密实,可以常温养护,已经具备广泛应用的条件。
UHPC堪称耐久性好的工程材料,适当配筋的UHPC力学性能接近钢结构,同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此,UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构,以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。目前,UHPC已经在一些实际工程中应用,如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁(实例见表3)、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳,等等。可以预计,还会有越来越多的应用。
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 | 120-180 |
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 | -- | 4.5-24 |
大骨料粒径(mm) | 19-25 | 9.5-13 | 0.4-0.6 |
孔隙率 | 20-25% | 10-15% | 2-6% |
孔尺寸(mm) | 0.000015 | ||
韧性 | 比NSC大250倍 | ||
断裂能(kN·m/m) | 0.1-15 | 10-40 | |
弹性模量(GPa) | 14-41 | 31-55 | 37-55 |
断裂模量(条裂缝)(MPa) | 2.8-4.1 | 5.5-8.3 | 7.5-15 |
极限抗弯强度(MPa) | 18-35 | ||
透气性k(24小时40C)(mm) | 3x10 | 0 | |
吸水率 | <10% | <6% | <5% |
氯离子扩散系数(稳定状态扩散)(mm2/s) | <2x10e-12 | ||
二氧化碳/硫酸盐渗透 | |||
抗冻融性能 | 10%耐久 | 90%耐久 | 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 |
泊松比 | 0.11-0.21 | 0.19-0.24 | |
徐变系数,Cu | 2.35 | 1.6-1.9 | 0.2-1.2 |
收缩 | |||
流动性(工作性)(mm) | 测量坍落度 | ||
含气量 | 4-8% | 2-4% |
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