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UHPC超高性能混凝土原材料的选用!

时间:2020-12-22     作者:浙江建信装饰   阅读

 超高性能混凝土,简称UHPC(Ultra-High PerformanceConcrete),也称作活性粉末混凝土(RPC,Reactive Powder Concrete),是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料,实现工程材料性能的大跨越。“超高性能混凝土”包含两个方面‘超高’——具有超高的耐久性和超高的力学性能(抗压、抗拉以及高韧性)。


  材料组成的起源


  最初的UHPC(即Densit),使用了在当时(七十年代后期)属于新的原材料——硅灰和萘系高效减水剂,其它均为传统材料;九十年代以RPC为代表的UHPC,引入了磨细石英粉,减水剂则更新换代为聚丙烯酸系和聚羧酸系超高效减水剂。


  进入新世纪,UHPC矿物原材料的研究涉及纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米碳管、磨细或分选超细粉煤灰、超细矿粉、超细水泥、稻壳灰、偏高岭土、玻璃粉,等等。至今,实用的最细矿物材料仍然是硅灰,因其具有粒形好(球形)、火山灰活性高,以及成熟的商业化供应等优点。使用其它超细矿物材料,有助于降低硅灰用量。使用普通细度粉煤灰、矿粉替代部分水泥,用玻璃粉替代石英粉,均取得良好效果。实际应用的UHPC,抗压强度一般在150~250MPa范围,粗细骨料一般选择强度高的天然岩石,如石英、花岗、玄武岩等。更高强度或需要非常高的耐磨性能,可使用人工骨料,如烧结铝矾土、碳化硅、金属骨料等。提高纤维对UHPC增强增韧的效果与效率,也取得较大进展。


  现在,UHPC矿物组成材料的本地化和绿色化,是大量研发工作的重点,以降低UHPC的生产配制成本,使UHPC更低碳。重庆大学的王冲等试验研究表明,采用常规的工艺与材料就能够配制UHPC。他们的试验,使用最大粒径20mm石灰石粗骨料,细度模数2.3的中砂细骨料,900kg/m3复合胶凝材料(50%水泥、10%硅灰、20%矿粉和20%石灰石粉),不使用纤维,水胶比0.16,用普通的试验室搅拌机,配制出的混凝土坍落度最高达268mm,最高抗压强度90天和365天分别达到175.8MPa和182.9MPa。东南大学研究配制绿色C200的UHPC(C200 GRPC),胶凝材料组成为40%水泥、25%超细矿粉、25%超细粉煤灰和10%硅灰,使用4%体积的钢纤维(lf=13mm,df=0.175mm),获得UHPC抗压强度、抗弯强度和断裂能分别超过200MPa、60MPa和30,000J/m2。


  H.Yiğiter、H.Yazıcı等的研究小组,分别试验用普通细度粉煤灰(比表面积290m2/kg)和矿粉(比表面积396m2/kg),替代20%~60%的水泥(比表面积380m2/kg)。研究三种养护条件下,即20oC标准养护、100 oC蒸汽养护7天和高温高压(210 oC、2MPa压力)养护8小时,粉煤灰和矿粉替代水泥对UHPC强度的影响,结果见图1和图2。标准养护条件下,随粉煤灰和矿粉替代水泥率增加,UHPC的7d强度有所降低,但是28d和90d强度没有明显变化,这与早期Bache的粉煤灰替代水泥试验结果一致。经过蒸汽或高温高压养护,无粉煤灰、无矿粉的UHPC,强度有较大幅度提高;随粉煤灰替代水泥率增加,强度呈下降趋势;矿粉替代20%水泥的强度最高,此后随替代率增加强度降低。粉煤灰和矿粉替代水泥率达到60%,UHPC强度仍能够达到非常高水平。因此,使用大掺量粉煤灰和矿粉,UHPC的水泥用量可以降低到普通高强混凝土的水平,即350~550kg/m3。


粉煤灰替代水泥对UHPC强度影响

  图1:粉煤灰替代水泥对UHPC强度影响

矿粉替代水泥对UHPC强度影响

  图2:矿粉替代水泥对UHPC强度影响


  基本原材料


  UHPC基本原材料为:水泥,硅灰,高效或超高效减水剂,骨料(dmax≤1mm的细石英砂或普通粒级砂与粗骨料),纤维(钢纤维、PVA纤维)。典型水胶比(w/b)为0.15~0.20。


  K.Wille等分析统计了50个UHPC配合比的主要指标和强度变化范围,见表4.1。这些UHPC的组成,部分无粗骨料,部分有粗骨料(dmax=7~16mm),大部分为20oC养护,小部分有纤维和90oC热养护。总体而言,使用粗骨料的UHPC强度相对高,水泥与硅灰用量相对低;使用纤维和进行热养护的UHPC强度相对高。


UHPC


  由于水胶比非常低和掺加纤维,新拌UHPC往往比较粘滞,但只要选材合适、配合比合理,也可以配制出工作性良好或自密实UHPC)。首先,需要关注和选用与超高效或高效减水剂相容性好的水泥。一般来说,低碱、低C3A水泥(抗硫酸盐水泥)与减水剂的相容性较好,应优先尝试。水泥的矿物组成,如石膏含量或硫酸盐/C3A比等,也会影响减水剂效果。应试验和比较多个来源的水泥与减水剂,获得最优组合是配制高工作性UHPC的基础。其次,减水剂的用量应通过试验找到其饱和掺量(即在此掺量以上,增加掺量不会明显提高工作性),宜用饱和掺量使UHPC达到可能的最好工作性。此外,用一些与水泥细度相似、与减水剂相容性更好的矿物材料如粉煤灰、矿粉、玻璃粉、石英粉、石灰石粉、玄武岩粉等,替代部分水泥,也有助于改善UHPC的工作性。


  现在,使用最多的减水剂是聚羧酸系超高效减水剂,饱和或高掺量会较大幅度延迟凝结时间,可以使用促凝剂抵消减水剂的部分缓凝作用。


UHPC


  UHPC的粉料(指粒径小于0.125mm颗粒)为水泥与硅灰,也包括活性矿物材料(粉煤灰、矿粉、玻璃粉、稻壳灰、偏高岭土等)和非活性矿物材料(石英粉、石灰石粉、玄武岩粉等)。即:测试每种材料的粒径分布,然后用计算机软件分析计算,得到理论上最大堆积密实度的材料组成比例,作为试配的基础。采用经验的方法设计配合比,可参考表4.1。最细颗粒——硅灰的最佳体积约占粉料总体积的1/3左右。如果使用超细粉煤灰或超细矿粉(粒径介于水泥与硅灰之间),可以适当降低硅灰的用量,这样有助于改善工作性。


  在常用的UHPC强度范围150~250MPa,可以使用高强度、级配良好的砂石骨料,降低浆体含量和减小收缩。浆体体积(粉料、水、减水剂和气泡的体积之和)一般在50~90%范围。高的浆体体积含量,有助于提高工作性。


  如今,配制UHPC超高性能混凝土的技术途径和使用材料呈现多样化,但遵循的基本原则没有变——颗粒组成与配合比使密实度最大化。UHPC的超高强度,决定了水胶比或水粉比一般低于0.25,对于配制高流动性或自密实UHPC,需要减水剂发挥更大的效力,选用相容性好的减水剂、水泥和硅灰是成功的关键。