钢-混凝土复合的新模式——超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之四:工程与产品应用,价值、潜力与可持续发展

内容提示:第11章~结语为本文连载的第四部分,也是最后部分;第一部分为前言~第3章,第二部分为第4章~第6章,第三部分为第7章~第10章,已在本刊前三期上刊载。11 UHPC的工程与产品应用11.1公路桥梁许多公路桥梁处于严酷环境,如盐水冻融、氯离子侵入诱发钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀等,达不到期望的使用寿命或经常需要维修加固。UHPC提供了建造超长寿命桥梁的可能性,许多UHPC的应用研发工作也因此是围绕桥梁展     

钢-混凝土复合的新模式——超高性能混凝土（UHPC/UHPFRC）之二：配制、生产与浇筑,水化硬化与微观结构,力学性能

内容提示：（第4章-第6章为本文连载的第二部分;第一部分为前言-第3章,已在本刊上一期刊载;第三部分为第7章-第10章,第四部分为第11章-结束语,将在后续两期刊载）4 UHPC的配制、生产与浇筑4.1组成材料最初的UHPC（即Densit）,使用了当时（上世纪七十年代后期）属于新的原材料——硅灰和萘系高效减水剂,其他均为传统材料;     

钢-混凝土复合的新模式——超高性能混凝土（UHPC／UHPFRC） 之三：收缩与裂缝，耐高温性能，渗透性与耐久性，设计指南

内容提示：第7章～第10章为本文连载的第三部分;第一部分为前言～第3章,第二部分第4章～第6章,已在本刊前两期上刊载;第四部分为第11章～结束语,将在本刊下期刊载!     

再生砖粉UHPC收缩性能试验研究

利用再生砖粉部分取代水泥制备混凝土是实现建筑垃圾再生利用的途径之一。采用活性激发后的砖粉作为辅助胶凝材料取代部分水泥制备UHPC,研究分析了不同取代率下再生砖粉UHPC的自收缩和干燥收缩规律与机理,基于试验建立了再生UHPC自收缩率和干燥收缩率预测模型。研究结果表明：再生砖粉取代水泥能够降低UHPC的自收缩,且UHPC的自收缩率随着砖粉取代率的增加而下降;再生砖粉取代水泥后能够减小UHPC的干燥收缩,且UHPC的干燥收缩随着砖粉取代率的增加呈先减小后增大的趋势。砖粉取代率为30%时,UHPC的干燥收缩最小,较之基准组降低了49.7%。自收缩率与干燥收缩率预测模型与试验结果吻合良好,能够用于预测再生砖粉UHPC的收缩发展。     

超高性能混凝土抗压强度尺寸效应及收缩特性

研究了钢纤维体积分数、膨胀剂种类及掺量对不同尺寸的超高性能混凝土(UHPC)试件28d抗压强度及自成型27h后至180d收缩特性的影响.结果表明:以40mm立方体试件抗压强度为基准,不掺膨胀剂时100mm立方体试件的抗压强度换算系数为0.75～0.80,而掺有膨胀剂的100mm立方体试件抗压强度换算系数为0.74～0.80;UHPC的收缩形式以自收缩为主,约占其总收缩量的87.0%～92.7%,掺加钢纤维能够有效降低其收缩量;试验选用的EA1膨胀剂因水化速率过快,在UHPC收缩测试前已基本完全水化,造成试件内部自干燥作用加强,因此增大了UHPC的收缩量;选用的EA2膨胀剂能与空气中的水蒸气及试件内部的水分发生反应并产生持续的膨胀效果,因此在实际应用时应注意控制其掺量,以保证UHPC的体积稳定性.     

超高性能混凝土收缩研究进展

收缩是超高性能混凝土(UHPC)早期开裂的主要诱因,主要综述了UHPC收缩的发展规律、测试方法、调控手段及其收缩机理。结果表明：UHPC的收缩主要由自收缩和干燥收缩组成,而自收缩通常占总收缩的78.6%～90.0%,且主要集中在早期,后期收缩基本趋于稳定;热养护和组合养护可促进水泥水化以及掺合料的火山灰反应,改善孔结构,有利于消除后期UHPC收缩应变;毛细管张力理论可以很好地从相对湿度、孔隙结构、自应力、界面结构、水合程度来解释UHPC自收缩机理;当前UHPC收缩的测试方法主要侧重于实验室内,需要开发出一种实际工程应用中UHPC的收缩变形测量技术,实现可长期监测、数据实时传输、开裂的预报预警,对于大型工程UHPC结构的实时养护和工程防裂指导十分重要。     

超高性能混凝土(UHPC)收缩性能试验研究

为了研究常温施工和不同养护条件下超高性能混凝土(UHPC)的收缩性能,在实验室模拟现场施工条件进行了UHPC收缩试验,改进了收缩测试方法。试验结果表明,在绝湿养护条件下,掺加CSA膨胀剂比不掺加膨胀剂的UHPC收缩约减小100×10~(-6),不掺加膨胀剂的UHPC总收缩量为550×10~(-6);CSA膨胀剂的膨胀作用主要发生在前35 h,后续长时间保持稳定;早期补水增湿的养护条件下,UHPC迅速发生反向补偿收缩。基于试验结果,给出了UHPC常温条件下施工工艺的合理化建议。     

减缩剂对超高性能混凝土性能的影响研究

研究了减缩剂（SRA）掺量对超高性能混凝土（UHPC）抗压强度、抗折强度、自收缩和干燥收缩的影响。结果表明：随着减缩剂掺量的增加,UHPC的自收缩和干燥收缩显著降低,特别是早期自收缩减小效果更为明显,但同时会降低试件的抗压强度、抗折强度,且随着减缩剂掺量的增加,抗压强度不断降低。     

中热及低热水泥配制超高性能混凝土的研究

分别采用低热水泥、中热水泥、普硅水泥及大掺量矿物掺合料配制超高性能混凝土（UHPC）,研究了UHPC力学性能、体积稳定性及热学性能的变化。结果表明：普硅水泥配制的UHPC力学性能最好,采用中热、低热水泥或增加矿物掺合料掺量均会使混凝土的抗压及劈裂抗拉强度降低;中热、低热水泥可以减小UHPC的自收缩,增大干燥收缩,但UHPC自收缩和干燥收缩的收缩总量减小,且低热水泥的降低效果优于中热水泥,相较于普硅水泥,低热水泥配制的UHPC总收缩量减小了33%;中热、低热水泥配制UHPC可以降低混凝土的水化速率,同时延缓到达最大水化速率的时间;单纯采用低热水泥降低UHPC绝热温升效果有限,混凝土中心温度与普硅水泥配制的UHPC相差不大。     

钨尾矿砂对超高性能混凝土性能的影响

研究了钨尾矿砂对超高性能混凝土(UHPC)工作性能、抗压和抗折强度、干燥收缩性能、抗氯离子渗透性能的影响,并结合压汞法和扫描电子显微镜等微观测试方法分析了钨尾矿砂的作用机理。结果表明:随着UHPC中钨尾矿砂对碳酸钙砂取代率的增加,UHPC的流动性降低,7 d和28 d的抗压和抗折强度提高。UHPC中钨尾矿砂取代率对UHPC前7 d的干燥收缩影响较小,14 d后UHPC的收缩随钨尾矿砂取代率的增加而降低,相比基准组,UHPC的收缩值最高减少了18%。钨尾矿砂能提高UHPC基体的密实度和匀质性,降低孔隙率,细化孔径,提高UHPC的抗氯离子渗透性能。     

低收缩高模量超高强混凝土制备技术研究

针对超高性能混凝土(UHPC)胶凝材料收缩大,弹性模量低等问题,通过添加玄武岩粗骨料和高强细骨料制备出具有高弹性模量(>54 GPa)、低收缩(<300με)和超高强(>150 MPa)的UHPC,并研究粗骨料掺量与细骨料种类对UHPC力学性能及收缩的影响。结果表明:随着粗骨料掺量的增加(0~800 kg/m3),UHPC抗压强度先提高后降低,静力受压弹性模量几乎呈线性提高;粗骨料掺量为0~200 kg/m3时,UHPC的抗弯拉强度变化较小,粗骨料掺量在200~800 kg/m3增加时,UHPC的抗弯拉强度明显降低;随粗骨料掺量的增加(0~800 kg/m3),UHPC的收缩逐渐减小,粗骨料掺量为600 kg/m3时,180 d收缩值为292με,仅为无粗骨料时的72.7%。     

密封养护混凝土内部湿度与收缩的一体化试验与模拟

对3种强度等级的混凝土进行了密封养护下内部相对湿度和自由变形的试验测定,获得了从混凝土浇注开始到77d龄期混凝土内部湿度和自由变形的发展数据,同时对混凝土因水泥水化引发的自干燥和自收缩问题进行了模拟.结果表明：混凝土内部相对湿度和收缩具有较好的同步性;混凝土内部湿度变化可以看作是其自收缩变化的驱动力;水灰比越小,自干燥引起的混凝土内部相对湿度下降幅度越大,密封条件下混凝土的收缩也越大;以水泥水化度和混凝土内部湿度为内因的自干燥与自收缩模型较好地模拟了密封条件下混凝土内部湿度变化与相应的自收缩发展.试验结果与模型预测值吻合良好,模型可用于不同养护环境下混凝土自干燥与自收缩的分析预测.     

超高性能混凝土早期变形性能及调控技术

超高性能混凝土(UHPC)由于其极低水胶比及高掺量超细矿物掺合料,在早期易产生较大的自收缩,引起开裂,影响结构耐久性。为了揭示UHPC早期变形性能影响规律及建立相应的调控技术,研究了水胶比(0.15~0.20)、粗骨料用量和膨胀剂掺量对UHPC自收缩的影响。结果表明:随着水胶比降低,UHPC自收缩先增大后减小,在0.18水胶比时收缩最大;粗骨料的掺入能明显抑制UHPC体系自收缩;膨胀剂能明显的补偿UHPC自收缩,但掺量过高会导致UHPC安定性不良,5%掺量时补偿效果较为理想。     

混凝土干燥收缩开裂评价及其试验新方法

介绍了一种评价混凝土收缩开裂的试验和评价方法,该法能够准确测量约束状态下混凝土干燥收缩时其内部产生的拉应力,特别是能够客观评价补偿收缩混凝土在弹性限制条件下抵御收缩应力的能力;提出了干燥收缩开裂概率C的概念,并将混凝土发生干燥收缩开裂的概率划分为C≥60%(高开裂风险),40%≤C<60%(中等风险)和C<40%(低风险)三种状态;试验表明,补偿收缩混凝土能够在混凝土中建立一定的自应力,可以有效降低混凝土的干燥收缩开裂概率。     

早期混凝土自收缩实验研究

混凝土收缩应变通常与干燥或水泥水化引起的水分损失量成比例。从混凝土浇筑开始,实验测量了正常和高强度混凝土早期样品的内部相对湿度和自收缩的发展。实验结果表明,混凝土内部相对湿度的发展首先遵循湿度饱和阶段(RH=100%,阶段I),然后是逐渐减少阶段(RH <100%,阶段II)。阶段I和阶段II中产生的收缩应变可分别与化学收缩和内部湿度降低相关。     

低水化热低收缩超高性能混凝土(UHPC)试验研究

采用紧密堆积理论优化出了超高性能混凝土(UHPC)胶凝材料体系各组分比例,通过掺加钢渣粉和复合膨胀剂配制出低水化热低收缩UHPC,并通过SEM分析了UHPC水化产物和界面黏结微观结构。结果表明,采用大掺量矿物掺合料优化胶材体系和骨料体系可制备出工作性良好、标养条件抗折强度达25.6 MPa、抗压强度达142 MPa的UHPC,绝热温升仅59.7℃,180 d干燥收缩率仅280×10-6。钢渣粉的掺入不仅能有效降低UHPC水化热,对抑制收缩也有一定作用。     

集料粒径对超高性能混凝土力学性能与干燥收缩的影响

采用粒径1.25 mm的石英砂、粒径4.75 mm的河砂、粒径9.5 mm的小碎石与粒径19 mm的中碎石作集料分别配制了4种不同粒径集料的超高性能混凝土(UHPC),对比研究了集料粒径对这4种UHPC的抗压强度、抗弯拉强度、受压弹性模量、弯曲韧性与干燥收缩的影响。结果表明:中碎石UHPC的抗压强度与弹性模量最高,小碎石UHPC次之,河砂UHPC较石英砂UHPC略低。随着集料粒径的增大,UHPC抗弯拉强度、弯曲韧性指数均有不同程度降低,与河砂UHPC相比,小碎石UHPC的抗弯拉强度与弯曲韧性指数降低幅度较小,仍能维持良好的抗弯性能。碎石的掺入显著降低了UHPC的干燥收缩,中碎石UHPC、小碎石UHPC的收缩率相对于河砂UHPC分别降低了33.1%、26.2%。综合来看,小碎石UHPC的各项性能表现均比较优异。     

超高性能混凝土的自收缩特性研究

研究了不同钢纤维体积分数(0、2%、3.5%)的超高性能混凝土(UHPC)在密封养护条件下的线性收缩量、温度变化以及水化放热速率随时间的变化规律。结果表明,超高性能混凝土的自收缩过程可以分为四个阶段,分别由温度和湿度控制,且与温度变化以及水化放热数据匹配良好;钢纤维的掺入不改变收缩发展阶段也不改变各阶段的持续时间,但随着钢纤维掺量的提高,有效抑制了UHPC收缩发展程度;通过MANGATAZARI纤维收缩抑制模型模拟UHPC自收缩变化,与实测数据的匹配度良好。     

混凝土减缩剂的作用机理及其应用效果

由于混凝土干燥收缩及自收缩而产生的应力,对于脆性较大的混凝土结构来说,当其受到来自结构内部或外部的限制时,往往会导致材料的开裂,这会严重地影响混凝土结构的强度和耐久性,本文讨论了混凝土干燥收缩及自收缩的机理,然后给出了减缩剂（SRA）对抗混凝土自收缩及受限收缩的作用效果。     

C50桥面铺装用混凝土收缩性能分析

采用自行研制的混凝土高性能减缩剂,以及多种矿物掺合料和减水剂,对混凝土早期自收缩、长期干燥收缩进行试验研究,最终得到了适合桥面铺装用C50级低收缩混凝土配合比.试验结果表明:减缩剂和增钙粉煤灰可显著降低混凝土的自收缩和干燥收缩,而减水剂和矿粉对混凝土收缩则产生负面影响;聚羧酸系减水剂、减缩剂和增钙粉煤灰的复合使用可使混凝土180d的干燥收缩降低40％以上.