超高强混凝土的研究进展3李 悦(北京工业大学建工学院,北京100022)摘 要: 随着建筑技术的发展,强度等级超过100M Pa 的超高强混凝土已经研制成功并在工程中应用。
介绍了活性粉末混凝土、无纤维增强混凝土及纤维增强混凝土等三类超高强混凝土的性能特点及其研究现状,并且讨论了今后超高强混凝土的发展方向。
关键词: 超高强混凝土; 研究进展; 纤维TheResearch Progresses of Super H igh Strength ConcreteL I Y ue(T he co llege of arch itectu re and civil engineering ,Beijing U n iversity of T echno logy ,Beijing 100022,Ch ina )Abstract : W ith the developm en t of bu ilding techno logy ,the super h igh strength concrete w ith the strength degreeover 100M Pa already w as developed successfu lly and app lied in field .T h is paper in troduces the p roperties and research p rogresses of th ree k inds of super h igh strength concrete ,w h ich are reactive pow der concrete ,fiber reinfo rce concrete and non -fiber reinfo rced concrete .Fu rthermo re ,the develop ing trend of super h igh strength concrete w as also discu ssed .Key words : super h igh strength concrete ; research p rogresses ; fiber 混凝土材料是一种应用广泛的工程材料,其强度等级是反映混凝土研究水平的一个重要标志。
一般认为强度等级达到或超过C 60的为高强混凝土,但对超高强混凝土并没有明确的定义,文中认为强度等级超过C 100的为超高强混凝土。
在我国,C 100以上的超高强混凝土已经在重要工程中开始使用,国外已经在实验室中配制出了抗压强度超过800M Pa 的超高强混凝土,并正在研制1000M Pa 的极高强混凝土。
但是,随着混凝土强度等级的不断提高,随之而来也暴露出一些问题,其中最突出的问题是高强混凝土的脆性大,并且混凝土强度越高,材料的脆性就越大,超高强混凝土甚至会出现爆裂破坏现象。
为了克服此缺点,一个有效的途径是掺加纤维的方式来改善其延性。
综述了超高强混凝土国内外研究现状,为该类材料的研究和应用提供指导。
1 活性粉末混凝土活性粉末混凝土(R eactive Pow der Concrete ,缩写为R PC )是一种超高强、低脆性,且具有高耐久性的新型水泥基复合材料。
R PC 实现高强化的基本原理是:通过提高材料组分的细度与活性,减少材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝),获得超高强度与高耐久性。
根据这个原理,R PC 所采用的原材料平均颗粒尺寸在0.1～1.0mm 之间,目的是尽量减小混凝土中的孔间距,从而提高拌合物的密实度。
最早的R PC 由法国最大的营造公司Bouygues 公司在1993年率先研制成功。
它由级配良好的细砂、水泥、石英粉、硅灰及高效减水剂等组成,同时,为了进一步提高材料的延性,掺入了直径约0.15～0.20mm 、长度为3～12mm 的微钢纤维。
它有2个强度等级:一是经高温高压处理后强度达800M Pa 的R PC 800;二是经蒸气养护处理后强度达200M Pa的R PC200。
随后,美国、加拿大等国家也开始进行研究并在工程中应用。
1996年,D ugat J等人进行了R PC200和R PC800的力学性能试验,对R PC的应力2应变曲线、弹性模量、泊松比、极限应变、弯折强度、平均断裂能等进行了试验研究,同时考察了钢纤维掺量对R PC延性的影响,指出钢纤维的最佳掺量是2%～3%,过高掺量反而会降低R PC的平均断裂能。
1997年,加拿大建起了一座60m的R PC人行桥,完成了R PC从理论到实践的飞跃。
2001年,为了研究R PC 是否适用用于桥梁上,美国制作了一根长达24m的预应力R PC梁,进行了结构试验,R PC梁中掺入了2的50.16mm×13mm的钢纤维,成型后在88℃的热水中养护48h,梁中除了预应力钢筋外没有配其他钢筋。
试验中,此梁表现出来优良的力学与变形性能。
当梁的挠度达到300mm时,试验人员借助放大镜也没有找出裂缝,其极限强度达到了207M Pa,极限挠度为480mm。
湖南大学何峰等试验研究了原材料品种、性质及配合比对R PC强度的影响,在未掺钢纤维的情况下,配制出了流动性好,高温养护(200℃)下抗压强度为229.0M Pa的R PC,在掺钢纤维的情况下,R PC的抗压强度高达298.6M Pa。
由于R PC具有极其优越的性能,预期在以下几方面具有较好的发展和应用前景。
1)预应力结构和构件。
利用R PC的超高强度与高韧性,能生产薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件,可大幅度缩短工期和降低工程造价。
2)钢2混凝土组合结构。
R PC制成的钢管混凝土,具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性,用它制作高层或超高层建筑的结构构件,可大幅度减小截面尺寸和结构自重,增加建筑物的使用面积与美观。
3)特殊用途的构件。
R PC的孔隙率极低,具有超高抗渗性及良好的耐磨性,可以用于补强和修补工程,可替代钢材和昂贵的有机聚合物。
今后对于R PC还需要在以下几个方面进行深入的研究:(1)活性粉末混凝土材料的配合比及施工工艺;(2)活性粉末混凝土的收缩、徐变;(3)活性粉末混凝土的应力2应变本构关系;(4)活性粉末混凝土结构的设计理论;(5)活性粉末混凝土材料的抗拉疲劳强度及动力性能。
2 超高强无纤维混凝土超高强无纤维混凝土在我国已经有广泛的研究和工程应用,其常用的技术路线为:“高标号水泥+高效减水剂+活性掺合料+优质骨料”,水胶比控制很低,一般低于0.3,活性掺合料普遍采用硅灰,已有的研究成果如下。
清华大学冯乃谦用中热525号硅酸盐水泥加硅灰及高效减水剂FDN,并加入CFA(控制坍落度损失),制得28d强度92.4M Pa,坍落度20c m,2h无坍落度损失的超高强流态混凝土。
清华大学曹峰等剔除普通混凝土中的粗骨料以提高匀质性,同时在水泥基体中复合使用粉煤灰、硅粉和高效减水并掺加微细钢纤维以增强韧性和延性,配制出流动性良好的混凝土,抗压强度达到230M Pa,抗折强度50 M Pa。
重庆建筑大学蒲心诚按常规工艺制成28d抗压强度为117M Pa的超高强混凝土,后又采用“普通525号水泥+超高效萘系减水剂+硅灰+低水灰比”的技术路线制得坍落度240mm以上,28d抗压强度100M Pa以上的超高强混凝土。
目前,用类似的技术路线己经能制得抗压强度达150M Pa的混凝土。
超高强混凝土的研究、应用和推广可以减少结构构件尺寸、有效减轻构件和结构自重,对发展高耸结构、高层结构有重要意义,具有长期的综合经济性。
但是其缺点已经如前所述,高强混凝土的脆性及爆裂破坏性能已经严重限制了其进一步的发展应用,通过掺入纤维可以明显改善其缺陷,提高混凝土的抗弯抗冲击韧性,进而提高超高强混凝土结构的抗动力破坏性能。
3 超高强纤维增强混凝土3.1 钢纤维增强混凝土钢纤维是一种高强高弹模金属纤维,能明显提高混凝土的抗压、抗劈裂、抗折强度、提高混凝土的弯曲韧性和抗冲击性能。
钢纤维混凝土最早出现于20世纪初的俄国,此后美、英、法、德、日本等国开始进行钢纤维混凝土的试验研究。
1963年美国学者Rom ualdi J P和B aston G B提出著名“纤维间距理论”,认为钢纤维混凝土的开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的理论,引起了广泛的重视,从而促进了钢纤维混凝土的发展。
我国对钢纤维基本理论的研究开始于20世纪70年代, 80年代后这一领域的试验研究得到了迅速开展。
大连理工大学赵国藩教授首先从断裂力学理论出发,导出了与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混凝上抗拉强度公式,并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态。
此后,许多学者从不同角度对钢纤维混凝土进行了研究,包括材料强度、本构关系、单轴受压荷载下应力2应变全过程,钢纤维混凝土的抗冲击、抗磨等性能,抗折强度和抗折弹性模量的研究。
这些研究成果极大地推动了钢纤维混凝土的应用与发展,并且形成了相应的技术规程:《钢纤维混凝上结构设计与施工规程》(CECS38:93)、《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)和《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004),对我国钢纤维混凝土材料的应用与研究走向规范化起到了指导性作用。
在普通钢纤维混凝土的基础上,高强和超高强钢纤维混凝土的研究也开展迅速。
例如,湖南大学的黄政宇等通过在普通钢纤维增强混凝土的基础上剔除粗骨料,增加了超细活性粉末材料硅灰、超细矿渣、超细粉煤灰等,掺加高效减水剂,并通过高压成型及热水养护或高温养护等工艺配制出抗压强度在200M Pa以上钢纤维增强超高强纤维。
解放军理工大学的严少华等对对钢纤维含量为0～6%、抗压强度在65～120M Pa范围的4种钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力应变关系作了研究。
已有研究的考核指标包括:抗压、抗拉、抗剪、抗冲击弯曲韧性、断裂韧性、疲劳等力学性能以及单轴受压条件下的应力应变关系和本构模型等,提出了钢纤维高强混凝土的有关特性参数。
研究结果表明,钢纤维高强混凝土的增强增韧机理与普通钢纤维混凝土无明显差异,同一种纤维对中等强度混凝土的增强系数与对高强混凝土的增强系数相近或略有提高。
3.2 聚丙烯纤维混凝土聚丙烯纤维是一种强度高、密度小、不吸水、耐酸碱的新型高分子建筑材料。
20世纪60年代中期,国外开始研究用合成纤维作为水泥砂浆增强材料的可能,发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高水泥砂浆的抗冲击性能,实验结果表明,若在混凝土中掺加体积率为0.1%～0.3%的聚丙烯纤维时,可使混凝土的塑性收缩减少12%～25%,并建议用聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料。
在我国,普通强度等级的聚丙烯纤维混凝土主要研究成果包括:中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制,归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点,明确指出低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂和增韧作用。