超高性能混凝土制备关键技术及其工程应用实践

渊江苏苏博特新材料股份有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室袁江苏南京211103冤摘要院超高性能混凝土具备超高强尧超高韧和超高耐久性等显著特性袁可大幅促进土木工程的轻量化尧高层化尧大跨化和高耐久化袁具有广阔的应用前景遥然而袁大规模应用超高性能混凝土过程中仍面临着原材料取材苛刻尧施工粘度大尧自收缩大等技术瓶颈遥简要介绍了超高性能混凝土超高强尧低粘度尧低收缩尧高韧性和高弹模的制备关键技术袁及其应用于预制桥面板和板梁湿接缝的工程实践遥关键词院超高性能混凝土曰超高强曰低粘度曰高弹模曰高韧性

Abstract:Ultra-highperformanceconcreteoccupiesstrengthenedmechanicalproperties,significantductilityandremarkabledurability,whichhasreceivedanincreasinginterestinthestructuralelementwithlightweight,concrete,thereremainmaintechnicalchallengestobesolved,suchasstrictrequirementsforrawmaterials,poorhighrise,largespanandhighdurability.However,intheprocessofon-sitepouringofultra-highperformanceworkabilitywithhighviscosityandlargeautogenousshrinkage.Thispaperbrieflyintroducesthekeytechnologiesforpreparingultra-highperformanceconcretewithultra-highstrength,lowviscosity,lowshrinkage,hightoughnessandhighrigidityfeatures.Inaddition,twotypicalapplicationcasesofprefabricatedbridgedeckandwetjointarepresented.

Keywords:ultra-highperformanceconcrete曰ultra-highstrength曰lowviscosity曰hightoughness曰highrigidity0引言

混凝土的脆性一直是困扰工程界的世界难题袁不仅造成结构的安全性和寿命降低袁也引发了极大的经济浪费遥高韧性化已经成为改善混凝土材料及工程结构脆性的重要手段之一袁且纤维增强是核心遥早在20世纪80年代袁美国密歇根大学VictorLi教授团队发明的工程水泥基复合材料渊简称ECC冤袁就具有较好的韧性尧多微裂缝扩展等特

UHPC冤引起学术界和工程界广泛关注袁其突出优势体现在强度与韧性的高度匹配遥UHPC具有比强度高袁负荷能力大袁突出的抗弯拉性能和韧性袁节省资源尧能源和耐久性优异等一系列技术优势和性能特点袁能满足土木工程轻量化尧高层化尧大跨化和高耐久化的要求袁以及国防尧核电尧海洋平台等特种工程和新型结构体系创新等战略需求袁是混凝土科技发展的主要方向之一[3-5]遥

作为新一代工程材料袁UHPC的工程应用仍面

强度难以突破80MPa袁且往往需要引入人为缺陷来实现韧性[2]遥随着高性能混凝土制备技术的发展袁一种新型的高技术材料要超高性能混凝土渊简称

基金项目院院国家自然科学面上基金渊51578269冤曰国家重点研发

计划渊2018YFC0705400冤曰国家自然科学基金重点项目(51438003)遥

征袁已经得到广泛关注[1]遥但是袁ECC基体材料抗压

临着许多亟需解决的技术问题遥首先袁为满足致密性要求袁UHPC组成材料技术指标要求相对苛刻袁同时往往需要高温热水或热压养护工艺袁难以满足就地取材以及现场规模化应用需求曰其次袁为获得低孔隙率袁UHPC采用极低水胶比等技术途径袁造

圆园19年第3期原16原

刘建忠袁韩方玉袁林玮袁等院超高性能混凝土制备关键技术及其工程应用实践新型材料成施工粘度大尧静态损失快尧规模化连续施工困难袁且还会进一步影响内部纤维分布导致性能下降曰再次袁极低水胶比和高胶材用量导致UHPC塑性收缩和自收缩变形大袁开裂风险极高袁无法满足大构件应用需求曰最后袁如何提升UHPC高强度基体与纤维之间的协同作用效率袁提高纤维的有效利用率袁实现工程实体高韧性尧应变硬化和多缝开裂等袁亦是需要攻克的技术难题遥

文章基于多年的科研攻关和工程应用实践袁介绍了以实现UHPC规模化工程应用为目标袁在力学性能尧流变调控和收缩变形抑制方面取得的技术成果袁及其相应的工程应用情况和效果遥1UHPC制备关键技术1.1超高强

UHPC的制备袁实现抗压强度大于200MPa的要求遥

养护龄期渊d冤1.2低粘度

UHPC高的超细粉体用量和极低水胶比袁造成了外加剂用量显著提高袁浆体颗粒水膜层厚度减小以及间隙液外加剂残留增多袁从而导致UHPC浆体粘度大且随着减水剂用量的增加逐渐增大遥通过引入螯合基团的降粘型外加剂的开发袁捕获释放的离子并快速吸附于颗粒表面袁减少溶液中外加剂和离子残余量袁是降低浆体粘度的有效方法之一曰同时袁通过引入微细颗粒调控胶凝体系空隙率和比表面积袁进一步释放出自由水袁增加颗粒包裹水的水膜层厚度渊图3冤袁可实现浆体粘度降低35%以上渊图4冤袁有效解决了UHPC粘度大和静置流动性损失快的技术难题袁为UHPC现场规模化泵送施工和免振捣密实成型奠定了基础遥

图2复合掺合料协同增效效果

降低水胶比是UHPC获得高致密性的关键技

术途径之一袁而具有超大减水等功能的高性能外加剂是实现UHPC极低水胶比的核心遥基于UHPC粉体颗粒的表面结构和性能分析袁进行高性能外加剂的分子结构设计袁通过引入强络合基团袁实现对不同电性尧电荷密度表面的强吸附袁利用超长侧链提供长空间位阻袁从而构筑出UHPC的专用减水剂遥相比传统减水剂袁专用减水剂在UHPC混合胶凝体系中的总吸附量可以增加10%以上袁颗粒堆积显著改善渊图1冤袁突破了传统减水剂的极限减水袁实现UHPC水胶比可降低至0.14以下遥

图3降粘型外加剂协同颗粒降阻技术

图1UHPC专用减水剂对颗粒堆积的影响

SP剂量渊%冤此外袁通过不同掺合料的活性配伍袁充分发挥其空隙分级填充效应以及各自化学活性的互补作用袁可实现UHPC强度的快速与持续增长渊图2冤袁从而摒弃国际上使用硅灰和高能耗磨细石英粉以及施压成型和热压养护制备超高性能混凝土的通用技术袁满足常规材料就地取材袁常规养护条件下

圆园19年第3期图4UHPC降粘效果

VR渊%冤原17原

新型材料刘建忠袁韩方玉袁林玮袁等院超高性能混凝土制备关键技术及其工程应用实践1.3低收缩

区别于普通混凝土袁UHPC的收缩变形主要表现为自收缩袁且早期变形大袁1d收缩变形量为总收缩的70%左右遥因此袁UHPC的收缩抑制技术如何实现与其收缩特性相匹配是解决收缩问题的核心遥基于水化历程分析袁配制不同活性组合的尧低需水量的补偿收缩抗裂材料袁使其作用规律与UHPC收缩历程相协同袁并配合减缩型外加剂的开发袁可实现UHPC自收缩显著降低袁达300滋着以内渊图5冤袁进一步结合粗骨料限缩作用袁可实现UHPC的低收缩特性袁从而显著降低实体工程的开裂风险遥

性模量袁但该技术途径效果有限遥通过多尺度颗粒增强技术可有效解决界面过渡区的薄弱难题袁形成高强密实骨架效应袁从而突破UHPC无法使用粗集料的限制袁并可实现UHPC弹性模量进一步提升袁达50~70GPa袁且可调可控渊图7冤遥

图7UHPC弹性模量调控效果

佳的耐久性袁特别能够满足桥梁结构体系创新的需求袁同时可以有效抑制梁体下挠尧开裂尧疲劳破坏等

2UHPC工程应用

UHPC可以实现结构的轻量化尧高韧性以及极

顽疾的发生遥此外袁UHPC超强的粘结性能可实现钢筋的有效锚固长度降至3~5d袁创新钢筋免构造连接新型式袁在预制拼装领域应用前景广阔遥

图5UHPC收缩调控结果

韧性的前提袁这受基体尧纤维以及微观界面粘结性能影响遥钢纤维的几何尺寸应根据基体颗粒的组成和特征进行优化袁并可采用纤维分散技术避免结团现象发生曰此外袁通过物理尧化学等纤维表面改性技术袁可提升与UHPC基体的界面粘结性能袁纤维锚固力可提高50%以上曰继以纤维混杂增强增韧理论袁可实现UHPC分阶段全过程的增韧袁从而实现UHPC优异的韧性性能渊图6冤遥

1.4高韧性

UHPC基体和纤维的高度协同作用是获取高

2.1预制桥面板

南京长江第五大桥主桥为跨径80m+218m+600m+600m+218m+80m的三塔组合梁斜拉桥袁主梁采用整体抗扭性能较好的整体箱型组合梁型式袁主梁底板渊含斜底板冤尧腹板采用钢结构袁顶板采用17cm含粗骨料UHPC板渊图8冤遥粗骨料UHPC板既作为主梁的一部分袁同时也是行车道板袁通过剪力键与钢主梁连接遥南京五桥建设起点高尧工程规模大尧工厂化程度高袁在世界上原创性地将含粗骨料UHPC直接作为大跨度斜拉桥桥面板材料使用袁直接参与受力袁优化了桥面板的厚度袁明显降低了钢混组合梁自重袁改善了整体结构性能袁大大延伸了钢混组合梁斜拉桥的适用跨度遥

1.5高弹模

相比于普通混凝土袁UHPC弹性模量得到了显著提升袁达40耀50GPa袁但进一步提升其弹性模量技术瓶颈明显遥粗骨料的引入可适当提升UHPC的弹原18原

圆园19年第3期图8南京五桥组合梁结构示意

图6UHPC韧性提升技术与效果

刘建忠袁韩方玉袁林玮袁等院超高性能混凝土制备关键技术及其工程应用实践新型材料南京五桥含粗骨料UHPC具备高弹模尧高弯拉尧低收缩等特性袁同时满足常规材料就地取材尧常规养护工艺实现制备等特点遥最终采用的材料性能如表1所示袁且具有极佳的结构受力特性袁可达1000万次以上的疲劳寿命袁同时施工性能优异袁预制板品质良好遥

表1南京五桥UHPC材料性能

抗压强度/MPa181.0依5.6

弹性模量/GPa56.4依0.7

初裂弯拉强度/MPa16.53依0.67

极限弯拉强度/MPa23.50依0.80

断裂能/渊kJ窑m-2冤30.24

收缩变形/滋着216

强与高韧的高度统一袁满足应变硬化特征曰增强界面过渡区是UHPC掺入粗骨料以及弹性模量进一步提升的关键遥

渊4冤UHPC可实现结构体系和连接型式的创

新袁在桥梁工程和预制装配化领域具有广阔的应用前景遥参考文献

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[5]张云升袁张文华袁刘建忠.超高性能水泥基复合材料[M].北京院科学出版社袁2014.

第一作者院刘建忠渊1976-冤袁男袁博士袁研究员级高级工程师袁材料学专业遥

渊编辑院鲁照宁冤渊收稿日期院2019-5-16冤

2.2

宁波机场路采用UHPC进行预制箱梁湿接缝

预制装配梁湿接缝

连接袁以简化接缝构造袁实现钢筋免构造简易连接袁快速拼装遥UHPC材料具备自密实尧高粘结尧高抗拉以及高应变硬化等特征袁以实现钢筋应力有效传递和结构服役性能得以保证遥同时袁还应满足常规化施工工艺需求袁具备施工便捷尧养护方便等特点遥3结语

文章介绍了UHPC工程化推进过程中突破的技术成果以及典型工程应用案例袁得到如下结论院

渊1冤外加剂分子结构的设计和构造袁是实现

UHPC极低水胶比的关键袁同时是降低其浆体粘度和收缩的有效方法之一曰通过高性能掺合料的组成设计不仅可以实现常规养护工艺下UHPC强度的快速与持续增长袁同时可以显著降低UHPC浆体的粘度遥

渊2冤采用与UHPC收缩历程相协同的多元组合抗裂材料袁配合减缩型外加剂可实现UHPC的自收缩显著降低袁达300滋着以内遥

渊3冤通过基体协同纤维增韧袁可实现UHPC高

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