張 宇 鮑小宇 彭曉靜 李晨輝 李 琛

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

1 概述

自混凝土發(fā)展以來，因混凝土具有原料豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡單，使用方便的特點(diǎn)，使其使用量越來越大，使用范圍越來越廣，成為當(dāng)代最主要的土木工程材料之一。但是混凝土由于本身自重大，易脆斷，抗拉強(qiáng)度低，處理困難等缺點(diǎn)，使得混凝土在使用過程中容易造成資源浪費(fèi)，能源消耗，污染環(huán)境等嚴(yán)重問題。

為了改善混凝土使用帶來的不利狀況，提高混凝土的材料性能，混凝土的研究有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了高強(qiáng)混凝土，輕骨料混凝土以及聚合物混凝土等等。然而混凝土在大跨結(jié)構(gòu)、橋梁、薄壁結(jié)構(gòu)和高層建筑的應(yīng)用中仍不占優(yōu)勢。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了超高性能混凝土的概念。超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)150 MPa以上，自重輕，具有優(yōu)異的耐久性和防腐蝕性，降低了工程造價(jià)[1]。

超高性能混凝土具有的顯著優(yōu)點(diǎn)使其研究與應(yīng)用得到了較快的發(fā)展。

2 材料性能

2.1 抗壓強(qiáng)度

超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度約為普通混凝土的3倍[1]，其強(qiáng)度大小主要與其水膠比，膠凝材料用量，礦物摻合料摻量及鋼纖維摻量有關(guān)。

水膠比含量的不同對超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯影響[2]。朋改非等人[2]測定了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21～0.24的水膠比含量和低于0.2時(shí)的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度。水膠比在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21～0.24時(shí)，其各齡期抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而遞減。水膠比質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2時(shí)，摻入不同礦物摻合料及不同水膠比的抗壓強(qiáng)度不同，但無論僅摻硅灰(SF)還是SF，F(xiàn)A，GGBS混摻，水膠比在0.18時(shí)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大。王軍委等人[3]測定了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24～0.26的水膠比含量在不同礦物摻合料摻量，不同膠凝材料含量下的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)3 d，7 d，28 d，56 d下，抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，隨水膠比的增大而減小。

膠凝材料摻量對制備超高性能混凝土起到關(guān)鍵作用，養(yǎng)護(hù)3 d及7 d，超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料的增加而略有降低。而養(yǎng)護(hù)28 d及56 d，超高性能混凝土隨膠凝材料的增加而增大并趨于穩(wěn)定。水膠比一定時(shí)，增加膠凝材料摻量可增加混凝土的流動(dòng)性。

李云峰等人[4]，王斌等人[5]，朋改非等人[2]和王軍委等人[3]通過對硅灰，粉煤灰，礦粉礦物摻合料的不同含量和不同組合，測試了超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度，得出礦物摻合料顯著影響了超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度，單摻，雙摻及三種混摻對抗壓強(qiáng)度的影響不同。單摻硅灰摻量為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。雙摻硅灰與粉煤灰的早期強(qiáng)度低于基準(zhǔn)UHPC強(qiáng)度，后期強(qiáng)度可超過基準(zhǔn)UHPC強(qiáng)度，且當(dāng)硅灰摻量為10%，粉煤灰摻量為20%時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。雙摻硅灰與礦粉的后期強(qiáng)度可超過基準(zhǔn)UHPC強(qiáng)度，且在礦粉摻量不變時(shí)，硅灰摻量增加使超高性能混凝土早期強(qiáng)度增加。硅灰，粉煤灰，礦粉三種混摻時(shí)，總摻量在30%～50%時(shí)，硅灰含量在8%～10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較高。

鋼纖維的加入能改善混凝土的脆性，提高混凝土的韌性。當(dāng)鋼纖維含量從0.5%增加到2.5%時(shí)，超高性能混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度可提高7.64%～25.69%[6]。建議最優(yōu)鋼纖維摻量為1%。

2.2 抗拉強(qiáng)度

由于混凝土材料的抗壓強(qiáng)度很高，抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，使其在外荷載作用時(shí)表現(xiàn)出受壓不受拉的現(xiàn)象，混凝土構(gòu)件在實(shí)際工程中也常常搭配鋼筋來抵抗拉力。杜任遠(yuǎn)等人利用軸拉試驗(yàn)，抗折試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)測定了超高性能混凝土在不同鋼纖維摻量下的抗拉強(qiáng)度值[7]。超高性能混凝土在不摻鋼纖維時(shí)，其抗拉強(qiáng)度是普通混凝土的3倍。摻入鋼纖維后，超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度顯著提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土。較高的抗拉強(qiáng)度使得超高性能混凝土在應(yīng)用中可以有效地阻止裂縫的發(fā)生與蔓延，確?；炷翗?gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定。而且超高性能混凝土擁有極強(qiáng)的拉伸韌性，其極限拉應(yīng)變可達(dá)3%～4%，有較強(qiáng)的裂縫控制能力[8]。

2.3 軸壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線

混凝土的軸壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以反映混凝土的塑性、脆性與強(qiáng)度。王勇威等人[9]，柯曉軍等人[10]測定了高強(qiáng)高性能混凝土在軸向壓力作用下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變隨混凝土抗壓強(qiáng)度的提高而增大，其峰值應(yīng)變可達(dá)2 500 με，軸壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比為0.85，甚至更高。但是超高性能混凝土的極限應(yīng)變卻在降低，維持在3 000 με左右。

泊松比隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而增大，均值為0.211，與普通混凝土泊松比相差不大[10]。

彈性模量與單純高強(qiáng)度混凝土彈性模量相近，但是無法得出超高性能混凝土的變化原理[11]。

2.4 耐久性

耐久性是衡量混凝土性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。超高性能混凝土有著低水膠比和高礦物摻合量，毛細(xì)孔較少，密實(shí)性較高。Narald S.Müller[12]與劉娟紅等人[13]通過混凝土耐久性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土表現(xiàn)出明顯致密的微觀結(jié)構(gòu)，總孔隙率相較水泥石，高性能混凝土低很多，其較低的毛細(xì)孔隙率使得有害介質(zhì)很難侵入其中。超高性能混凝土孔隙率小，密實(shí)性高，有較好的抗碳化性能、抗?jié)B性與抗凍性可以有效抑制堿骨料反應(yīng)。超高性能混凝土在腐蝕環(huán)境下質(zhì)量損失很低，抗氯離子腐蝕較強(qiáng)，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)只有10-9cm2/s數(shù)量級。

3 研究方向

超高性能混凝土研究應(yīng)該響應(yīng)新時(shí)代經(jīng)濟(jì)，綠色，節(jié)能的理念，結(jié)合現(xiàn)階段發(fā)展歷程，它還有以下研究方向：

1)制備超高性能混凝土需要的鋼纖維和礦物摻合料用量較大，成本較高。未來應(yīng)該充分利用工業(yè)廢渣和其他高韌性纖維作為替代品，既滿足強(qiáng)度與耐久性要求，又有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2)超高性能混凝土制備工藝較為復(fù)雜，精細(xì)，且需要高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)。能源消耗較高，難以推廣應(yīng)用。應(yīng)研究利用簡單工藝，制備出滿足要求的商品超高性能混凝土。

3)超高性能混凝土的力學(xué)性能、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及其影響因素研究還未定論，仍需要繼續(xù)研究，得出一套理論體系。

4)需要制定出超高性能混凝土制備，設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，滿足其材料性能與應(yīng)用要求。

4 結(jié)語

超高性能混凝土自誕生至今，已有20年的發(fā)展歷程。它的材料配合比，制備工藝，材料性能和微觀機(jī)理等都進(jìn)行了大量的研究，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了不錯(cuò)的成績。超高性能混凝土的主要性能有以下幾個(gè)方面：

1)超高性能混凝土相比普通混凝土擁有較高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

2)超高性能混凝土具有良好的裂縫控制能力，鋼纖維的摻入極大改善了超高性能混凝土的韌性。

3)超高性能混凝土擁有致密的微觀結(jié)構(gòu)，水膠比很低，耐久性優(yōu)良。