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水泥基超高性能混凝土的制备及其性能影响因素分析

来源:原创论文网 添加时间:2020-09-28

  摘    要: 水泥基超高性能混凝土作为一种新型水硬性胶凝复合材料,可以显着延长主体结构的使用寿命、提高工程质量、增强防灾减灾能力,有助于水泥工业和建筑产业的结构调整和产品升级,已多次应用于各种基础设施和建筑结构等工程中。介绍了UHPC的定义、制备原理和方法,阐述了UHPC的材料组成、细观结构、养护方式和纤维增强、增韧机理,分析了胶凝材料、养护方式、纤维和外加剂对水泥基超高性能混凝土强度的影响。

  关键词: 混凝土; 超高性能; 影响因素; 强度;

  0 、引言

  水泥基超高性能混凝土(UHPC)作为一种新型水硬性胶凝复合材料,1994年首次被LARRARD等[1]提出,已多次应用于公路、高速铁路、核电设施和房屋建筑等结构工程中。目前,中国仍处于基础设施大规模建设时期,随着绿化环保、节能减排和可持续发展等理念不断深入,相关政策对工程建设也提出了更高的要求。超高性能混凝土可以显着延长结构主体的使用寿命、提高工程质量、增强防灾减灾能力,有助于水泥工业和建筑产业的结构调整和产品升级[2]。由于UHPC的研究和应用主要集中于发达国家经济体,国内虽然对其需求极为迫切,但有关方面研究仍然不足;且其价格较普通混凝土高出不少,影响了它在国内工程中的应用[3,4]。本文基于国内外研究现状着重介绍了UHPC的制备原理和方法、细观结构、纤维增强和增韧机理、原材料选择和养护方式等,分析了UHPC抗压强度的影响因素,进一步探究了水泥基超高性能混凝土的增强、增韧措施。

  1 、制备UHPC的基本原理和方法

  1.1 、UHPC的制备原理

  混凝土作为一种不均匀材料的多相体结构,孔隙是影响其强度的重要因素。因此,减小孔隙率、优化孔隙结构、提高堆积密度和掺入纤维是混凝土提高强度的有效途径,也是制备UHPC的主要原理和基本方法。POWERS[5]提出胶空比的概念来表明高性能混凝土孔结构与强度的关系,发现胶凝材料的水化程度和水化产物填充原始空隙的程度决定了混凝土本身的强度。LARRARD 等[1]认为水泥基超高性能混凝土的力学表现与材料的堆积密度相关,堆积密度越高,空隙率越小,结构强度越大。SHERIF等[6]通过在混凝土原材料拌制过程中加入钢纤维,获得了抗拉强度为15.9 MPa的良好性能混凝土。

  UHPC基于活性粉末混凝土的制备原理,剔除粗骨料,采用颗粒小、均匀且强度高的细骨料,同时掺入粉煤灰、硅粉等超细活性矿物胶凝材料,使之很好地填充于骨料的孔隙之中,从而减小孔隙率,提高原材料的堆积密度。在原材料的拌制过程中加入钢纤维等提高混凝土的抗拉性能;在硬化和养护阶段,通过加压和高温蒸汽养护,使内部更多的C-S-H生成硅钙石。
 

水泥基超高性能混凝土的制备及其性能影响因素分析
 

  1.2、 UHPC的制备方法

  1.2.1、 材料组成

  UHPC作为一种科技含量较高的新型建筑材料,各个国家的研究工作者对它进行了大量的配合比组成设计。美国规范规定在AASHTO TypeⅡ梁中采用80级焊接钢筋网取代UHPC中的钢纤维,发现其抗剪强度超过采用钢纤维的UHPC梁,且施工方便,成本大大降低[7]。YIGITER等[8]用超细粉煤灰代替60%的水泥,并在养护过程中加压,获得了抗压强度为338 MPa的混凝土。很多学者对强度为200~300 MPa的粉末混凝土进行了配制试验研究[9,10,11,12]。

  掺入各种纤维可以获得较高强度的UHPC,其中镀铜细钢纤维最为普遍,这也是UHPC价格居高不下的原因之一。张彭成[13]、柯开展等[14]将碳纤维代替钢纤维应用于UHPC中,进行了相关力学性能试验,发现替换以后的UHPC抗压强度虽有一定增加,但混凝土的脆性也随之增加,导致UHPC韧性不足。

  为了深入贯彻绿色环保、节能减排和可持续发展等理念,采用超细粉煤灰、钢渣粉、偏高岭土和超细矿粉等代替一部分水泥和硅灰,不仅有利于环保,还可以降低材料成本[15,16,17,18]。

  1.2.2、 养护方式

  高温、高压是UHPC获得高强度和高韧性的关键因素。温度越高,参与反应的火山灰活性材料越多,混凝土内部也就更密实。高温加压养护能够加速火山灰反应,并改变已形成水化物的微观结构,促进结晶水化物的形成与硬化浆体的脱水[19]。在高温、高压的同时加入蒸汽养护可以显着提高材料的力学性能,加快收缩速度,提高混凝土的抗渗能力[20]。然而,蒸汽养护导致UHPC的制造成本进一步提高,在施工现场也难以实现。

  2、 超高性能的机理

  2.1、 细观结构

  UHPC的高强度与其内部的高度密实性有很大关系。在强度形成阶段,蒸压养护能降低C-S-H凝胶中的CaO/SiO2含量,使UHPC混凝土内部形成针状和片状的托勃莫来石。高温可促进水泥、粉煤灰、硅灰和石英粉的火山灰活化反应,当温度达到250℃时,UHPC中出现硬硅钙石[21]。随着养护温度增加,C-S-H平均链长增加。碱激发水泥等活性粉末材料在抗压强度相同的情况下,具有更高的抗弯性能、粘结性能和断裂能。胶凝材料活性物质中的CaO/SiO2含量较低,其微米级的孔结构有利于水分进出,因此具有更好的抗火性能。

  2.2、 纤维增强、增韧机理

  UHPC基体中胶凝材料的粒径较小,这些胶结颗粒与钢纤维之间的粘结滑移、拉拔、桥接和分布方向都是决定UHPC强度的关键因素。没有添加钢纤维的UHPC试件,在轴心受压时,由于试块内部集聚了大量能量,破坏时呈现一定的爆炸性[22]。因此,UHPC脆性较普通混凝土更为明显。在UHPC混凝土试块中掺入一定量的纤维可以增加韧性、减小脆性破坏,纤维以直径0.2 mm、长细比55~70的细纤维为主,掺入量在3.5%左右。

  在初凝阶段,UHPC中添加的纤维(金属纤维、无机纤维、有机纤维)对基体干缩产生抑制作用,有效降低了混凝土的初始缺陷;在工作阶段,纤维通过与基体之间的高强度粘结,相互之间形成了桥连作用,抑制了混凝土内部裂缝开展,如图1所示。因此,纤维的加入不仅抑制了UHPC裂缝的产生和发展,也增强了其韧性和延性,从而提高混凝土的抗拉强度。

  图1 纤维桥连作用示意图
图1 纤维桥连作用示意图

  从细观角度上看,超高性能混凝土结构的破坏过程实际上是材料内部裂缝的产生、发展和贯通的过程。当荷载增加到混凝土产生裂缝时,开裂处的纤维受到周围混凝土基体约束而不能被全部拉出,残留的纤维拉力将开裂断口拉住,同时提供一定的应力支撑,从而抑制了裂缝继续发展[23]。UHPC基体的高密实性大大增加了纤维与基体之间的粘结强度,使纤维在UHPC基体中增强、增韧的效果得到充分发挥,从而使UHPC构件的受力性能大幅提高。

  3 、强度影响因素分析

  3.1 、胶凝材料的影响

  胶凝材料主要指水泥和活性细粉掺合料。水泥的等级越高,UHPC的抗压强度也就越高[24];活性细粉掺合料主要指硅灰、超细粉煤灰和超细矿渣粉等,掺和料的粒径越小,空隙填充效应越好,参与反应的活性物质也就越多,从而改善UHPC混凝土的流动性,提高其力学性能。

  当硅灰掺量不超过25%时,UHPC试件的强度随着硅灰掺量增加而增大;当超过25%时,材料成本增加并且强度提升效果不再明显。因此,一般硅灰的掺量控制在15%~25%。为了降低材料成本,可以采用等质量的超细粉煤灰和矿渣替换部分水泥和硅灰;为了保证UHPC混凝土的强度,掺合料的使用不宜超过胶凝材料质量的20%[25]。

  3.2 、养护方式的影响

  UHPC的养护方式有热水养护、高温干热养护、高温高压养护、高温高压蒸汽养护以及组合养护[26]。高温是水泥基超高性能混凝土获得高强度和高性能的关键因素,它可加速胶凝材料的火山灰活性反应。分析各种养护方式对UHPC强度的影响可以发现: ① 对强度而言, 高温高压蒸汽养护>高温高压养护>高温干热养护>热水养护;② 高温干热、高温蒸汽、热水养护均能有效提高UHPC的早期强度,最终强度也有很大程度提高;③ 高温养护完成后,由于活性粉末胶凝材料大都反应完成,所以后期强度增长比较缓慢;④ 对湿热养护时间而言,在混凝土浇筑完成后,90 ℃左右热水养护和蒸汽养护的最佳养护时间为3 d左右,时间进一步增加对强度的影响不大[27,28]。

  3.3 、纤维的影响

  钢纤维通过对闭合裂纹的桥连拉结作用增大了UHPC的内聚力和内摩擦角,从而提高其韧性和抗剪强度,并使其受压时由脆性破坏转为塑性破坏。黄育等[29]研究了不同钢纤维对粉末混凝土的性能影响,发现钢纤维对粉末混凝土的抗拉、抗剪提升较为明显,可防止混凝土在高压时出现爆炸性破坏。钢纤维对UHPC抗压性能的提升没有对抗拉和抗剪性能的提升那么明显。钢纤维的含量过高,不仅增加了UHPC的材料成本,而且使混凝土的流动性降低,对抗压强度的提高效率也较低。钢纤维的形状对混凝土强度的影响也较为明显,研究显示采用端勾型钢纤维能进一步增强UHPC的强度。

  聚丙烯纤维强度高、弹性好、耐久性强,是化学纤维中较好的混凝土掺合料。杨兆鹏[30]研究了聚丙烯纤维对粉末混凝土的抗压强度、抗拉强度以及折压比的影响,综合考虑各方面因素,推荐0.2%聚丙烯纤维掺量为最佳配合比。

  张彭成等[13]采用碳纤维替代部分钢纤维进行粉末混凝土的配制,发现其抗折强度下降而抗压强度有所提高。柯开展等[14]采用碳纤维替代钢纤维配制粉末混凝土并展开试验研究,发现其最终破坏形态表现出很大的脆性破坏。

  3.4、 外加剂的影响

  为了使UHPC获得较高的强度,采用较低的水灰比是有效方法之一。当水灰比较低时,为了保证混凝土的流动性,有必要加入适量的高效减水剂[31]。聚羧酸高效减水剂具有相容性好、减水效率高(减水效率为30%左右)、使用效果好等优点,在UHPC的配置过程中应用广泛,掺量可取胶凝材料质量的2%~3%,早强型聚羧酸减水剂则效果更佳。

  4 、结论

  从UHPC的提出和制备原理出发,通过对UHPC的材料组成、细观结构、养护方式和纤维增强、增韧机理展开介绍,分析了胶凝材料、养护方式、纤维和外加剂对水泥基超高性能混凝土强度的影响。得到以下结论:

  1) 以超细粉煤灰代替部分水泥并掺入硅灰等活性材料,通过加压高温蒸养可以在UHPC内部生成更多的C-S-H。

  2) 掺入0.2%的聚丙烯纤维,可以显着提高UHPC的抗压、抗折强度,提高其力学性能。

  3) 聚羧酸高效减水剂可以在低水灰比的条件下使UHPC保持良好的流动性。

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