性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete),简称UHPC,国际上系指抗压强度在150MPa以上,并具有韧性、超长耐久性的水泥基复合材料的统称。其中,具代表性的性能混凝土材料为活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete),早由法国学者于1993年提出,主要由硅灰、水泥、减水剂、细骨料及钢纤维等材料组成,依照大密实度原理构建,从而可使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减至少。
UHPC材料组分内不包含粗骨料,颗粒粒径一般小于1mm,因高度的致密性而具有强度及的耐久性。研究表明,UHPC抗压强度可达200MPa以上,同时材料耐久性可达200年以上。此外,由于UHPC中分散的细钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展,从而使材料表现出的韧性和延性性能。
什么是UHPC性能混凝土?
UHPC是具有强度,低吸水率,耐久性和耐侵蚀性能的特殊混凝土。目前在建筑设计领域(区别于结构领域)使用的UHPC的抗压强度大于120,抗折强度大于25MPa。虽然UHPC可以达到很高的抗压强度,但对于纤薄建筑构件,主要利用的是UHPC的抗折强度。在实际应用中,UHPC基体的强度通过小掺量的耐碱玻璃纤维,聚乙烯醇纤维,钢纤维进一步得到增强和增韧。
由于美观和防火的原因,耐碱玻璃纤维在建筑UHPC中使用为普遍。由于UHPC的基体强度远远普通GRC(玻璃纤维增强水泥),它所使用的纤维掺量明显比GRC中少。三维的HUPC构件也可以配筋,比如钢筋,玻璃纤维或碳纤维棒,或者采用预应力,但是这些配筋通常在UHPC建筑构件中并不必要。
UHPC的基本原材料对于熟悉混凝土的人来说并不陌生:水、砂、水泥、硅灰、外加剂。听起来很简单,但和普通混凝土相比UHPC是不同的数量级。没有神秘成分:树脂,纤维素或特殊聚合物都没有被用到以达到性能,秘诀在于超细颗粒和经仔细选择的颗粒化学和几何特性,并使这些颗粒通过正确的搅拌,浇筑和养护以达到基体的紧密堆积和很强的分子结合力。
UHPC不仅具有的强度和耐久性,同时通过正确的加工方法和工艺,它能够为高规格的建筑构件,创意建筑设计灵感,建筑的经济性提供满足其需求的解决方案。以下是一部分UHPC在建筑设计方面的应用情境和所能达成的效果。
日本工程技术人员则认为,混凝土是一种具有高填充能力的的混凝土,在新拌阶段不需要振捣就能完善浇注;在水化、硬化的早期阶段很少产生有水化热或干缩等因素而形成的裂缝;在硬化后具有足够的强度和耐久性。
加拿大的工程技术人员认为,混凝土是一种具有高弹性模量、高密度、低渗透性和高抗腐蚀能力的混凝土。
综合各国对混凝土的要求,可以认为,混凝土具有高抗渗性(高耐久性的关键性能);高体积稳定性(低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量);适当的高抗压强度;良好的施工性(高流动性、高粘聚性、自密实性)。
中国在《高性混凝土应用技术规程》(CECS207-2006)对混凝土定义为:采用常规材料和工艺生产,具有混凝土结构所要求各项力学性能,具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。
自密实性
混凝土的用水量较低,流动性好,抗离析性高,从而具有较的填充性。因此,配好恰当的大流动性混凝土有较好的自密实性。
收缩和徐变
混凝土的总收缩量与其强度成反比,强度越高总收缩量越小。但混凝土的早期收缩率,随着早期强度的提高而增大。相对湿度和环境温度,仍然是影响混凝土收缩性能的两个主要因素。
混凝土的徐变变形显著低于普通混凝土,混凝土与普通强度混凝土相比较,混凝土的徐变总量(基本徐变与干燥徐变之和)有显著减少。在徐变总量中,干燥徐变值的减少更为显著,基本徐变仅略有一些降低。而干燥徐变与基本徐变的比值,则随着混凝土强度的增加而降低。
技术要求
水泥
水泥应选用硅酸盐水泥或普硅酸盐水泥。水泥中C3A含量应不大于8%,细度控制在10%以内,碱含量小于0.8%,氯离子含量小于O.1%。水泥中的C3A含量高、细度高,比表面积就会增大,混凝土的用水就会增加,从而造成混凝土落度损失过快,有时甚至会出现急凝和假凝现象,这不仅会影响混凝土的外观质量,同时也将直接影响其耐久性,为了更好地达到各项指标,水泥的存放时间以3天为宜。
矿物掺和料
矿物掺和料对混凝土具有减水、活化、致密、润滑、、填充的作用,它能延缓水泥水化过程中水化粒子的凝聚,减轻坍落度损失。矿物掺合料选用品质稳定的产品,矿物掺合料的品种宜为粉煤灰、磨细粉煤灰、矿渣粉或硅灰。其各项指标应满足:粉煤灰的细度≤20%,烧矢量≤5%,含水量≤0%,氯离子含量≤0.02%。
外加剂
外加剂与水泥相适应性、减水率、流动性、含气量、掺量都将影响混凝土的工作性,高速铁路外加剂宜采用聚羧酸系列产品,其技术指标主要包括:减水率不应低于20%,硫酸钠含量小于10%,碱含量不得超过10%,硫酸钠含量小于10%,外加剂中的氯离子含量不得大于0.2%,含气量不小于3%。
细骨料
含泥量、泥块含量也是影响混凝土各项技术指标的重要原因之一,含泥量、泥块含量过高,不仅能降低混凝土强度,同时易造成内部结构的毛细通道不能有效的阻止有害物质的侵蚀。对于高速铁路工程来说,细骨料应选用处于级配区的中粗河砂,砂的细度模数要求为2.3—3.O。
粗骨料
粗骨料宣选用二级配、三级配碎石,保持良好的级配能增加混凝土强度。在选择粗骨料时,一定要控制大骨科的含量,大骨料的含量超标,将直接影响保护层外侧混凝土的质量,会导致混凝土的表面干裂纹,影响表观质量。碎石粒径宜为5mm-20mm,大粒径不应超过25mm,级配良好,压碎指标不大于8%,针片状含量不大干10%,含泥量低于1.0%,骨料水溶性氯化物折合氯离子含量不超过集料质量的0.02%。