超高性能混凝土在中国的研究和应用

超高性能混凝土在中国的研究和应用

发表时间：2019-05-21T09:39:08.593Z 来源：《房地产世界》2019年1期作者：李宾

[导读] 自从中国2005年第一次将超高性能混凝土应用于工程中，超高性能混凝土已经广泛应用于电缆槽盖板、高速铁路、地铁、桥梁、挂檐板和人行道盖板中。

天津宏鑫混凝土有限公司天津 300380

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也越来越迅速。超高性能混凝土作为一种新型水泥基材料，具有强度高，耐久性优异的优点。本文综述了超高性能混凝土在中国的研究和应用。使用常规辅助性胶凝材料取代水泥和硅灰，在普通工艺下，也可制备出满足性能要求的超高性能混凝土。硅灰和纳米二氧化硅可加速超高性能混凝土胶凝材料的水化速度，但矿粉延缓了超高性能混凝土胶凝材料的水化速度。超高性能混凝土具有均匀致密的微观结构。超高性能混凝土的抗拉、抗弯、抗剪、粘结强度、峰值应变等均远大于普通混凝土，掺入钢纤维可显著增大超高性能混凝土的韧性。超高性能混凝土的抗冻性和抗锈蚀性能均优于普通混凝土。自从中国2005年第一次将超高性能混凝土应用于工程中，超高性能混凝土已经广泛应用于电缆槽盖板、高速铁路、地铁、桥梁、挂檐板和人行道盖板中。

关键词：超高性能混凝土；中国；研究和应用

引言

相对于普通混凝土，超高性能混凝的力学性能、耐久性能等提高显著。近年来，其在工程领域尤其是特殊工程领域逐步得到应用。目前，我国针对高性能混凝土的研究主要集中在原材料与制备养护工艺、力学性能、耐久性能等方面，尚未形成系统、大规模的研究，一定程度了延缓了其在工程领域中的进一步推广。本文基于对现有文献的总结分析，对目前超高性能混凝土研究内容与方向进行了梳理归纳，并对未来研究方向与内容进行了展望。随着未来高、大、深等超级工程的建设，超高性能混凝土将具有更广阔的研究空间和应用前景。

1 原材料与制备养护条件

一直以来，研究人员都在尝试通过在原料中加入钢纤维、钢渣粉、稻壳灰等材料以提高超高性能混凝土的强度，或者用超细粉煤灰、钢渣粉、稻壳灰等材料作为替代材料以减少水泥、硅灰的用量，不仅节约成本、利于环保，而且能将超高性能混凝土更好的应用于工程中。用水泥、硅灰和超细粉煤灰以1∶0．25：（0.3－0．4）的胶凝材料比例，且水胶比小于0．16，通过100℃的热水养护制备了超高性能混凝土，当胶砂比为1．2时，超高性能混凝土具有最佳的强度，不掺钢纤维时的混凝土抗压强度达到200MPa，掺入3%（体积分数）长径比为60的钢纤维，混凝土的抗压强度接近250MPa，抗折强度达45MPa。水泥、硅灰、超细粉煤灰和钢渣粉做胶凝材料，用天然细沙取代标准砂，掺入2%的钢纤维，在0．18水胶比下制备了超高性能混凝土，经90℃热水养护的超高性能混凝土抗压强度达到了152MPa，抗折强度可达27.9MPa。稻壳灰代替硅灰，当低温稻壳灰掺量为50%，在100℃热水养护条件下，活性粉末混凝土的抗压强度可达115．

1MPa。剔除了硅灰，制备了超细水泥超高性能混凝土。当矿粉掺量为30%，粉煤灰掺量为10%时，用超细水泥制备的超高性能混凝土抗压强度最大，流动度最高，超高性能混凝土的生产成本较低。当水胶比小于0．18，砂胶比为0．9左右，骨料为0．16－0．63粒径范围时，超高性能混凝土的抗压强度较高。但是，为了增大辅助性胶凝材料的火山灰活性，提高超高性能混凝土的强度，传统的制备工艺往往需要热养护，使得超高性能混凝土的应用局限于预制构件，大大限制了超高性能混凝土的应用。为了克服这个缺点，近年来，人们采用标准养护条件制备超高性能混凝土。用60%复合超细辅助性胶凝材料取代水泥和硅灰，并采用天然黄砂作为骨料，采用三种养护制度（标准养护、蒸汽养护和蒸压养护），成功制备出了抗压强度大于200MPa的超高性能混凝土。大量使用矿物掺合料，并掺入最大粒径为20㎜的粗骨料，采用常规搅拌、成型、养护工艺配制出了超高性能混凝土。当采用水胶比为0．16，胶凝材料总量为900㎏/m3（50%水泥，10%硅灰，20%磨细矿粉，20%石灰石粉），合适掺入减水剂和缓凝剂时，混凝土最大坍落度为268㎜，90d抗压强度为175．8MPa，365d抗压强度为182．9MPa。大量掺入辅助性胶凝材料，采用普通工艺，在标准养护制度下，制备出了抗压强度为220MPa、抗折强度为70MPa的超高性能混凝土。由于混凝土的生产制备会增加能源的消耗，加剧环境污染，为了减少环境污染，将铁矿石残渣回收利用，用铁矿石残渣作为骨料，研究了两种不同养护制度下超高性能混凝土的性能，研究结果表明，用铁矿石残渣100%取代天然骨料显著降低了混凝土的工作性和抗压强度。然而，当铁矿石掺量不超过40%时，对于标养90d的试件，掺铁矿石的试件强度和不掺铁矿石的试件强度相当；对于蒸汽养护2d的试件，和不掺铁矿石的试件相比，掺铁矿石的试件抗压强度减小了11%，抗折强度增大了8%。

2 水化过程和微观结构

关于超高性能混凝土胶凝材料的水化过程，国内也有一些研究，主要集中在标准养护制度下超高性能混凝土胶凝材料的水化过程。三元正交设计下水泥-硅灰-矿粉胶凝体系下超高性能混凝土胶凝材料的水化过程。研究结果表明，在标准养护制度下，硅灰改变水化的诱导期，减小了加速期出现的时间。硅灰用量为15%的混合物放热速率超过了不掺硅灰和矿粉的混合物，当硅灰用量从0%增大到15%时，加速期从7．23h降低到了4．77h。然而，当硅灰用量增大到30%，水化放热速率变慢，加速期增大到了6．37h。矿粉主要延缓了潜伏期和加速期，掺入矿粉的混合物放热峰比纯水泥体系混合物出现的晚，当矿粉用量分别为25%和50%时，加速期分别为9．95和9．8h。研究了纳米二氧化硅对超高性能混凝土水化过程和微观结构组成的影响。研究结果表明，掺入纳米二氧化硅改变了超高性能混凝土胶凝材料的水化过程，由于纳米二氧化硅的火山灰效应和成核效应，随着纳米二氧化硅掺量的增大，水泥水化的加速期和减速期都提前了。掺入纳米二氧化硅，也优化了超高性能混凝土的孔结构。随着纳米二氧化硅的掺入，超高性能混凝土的孔隙率和平均孔径减小。和不掺纳米二氧化硅的超高性能混凝土相比，掺入纳米二氧化硅超高性能混凝土的微观结构更均匀致密。然而，当纳米二氧化硅用量5%时，由于纳米二氧化硅的结团效应，不利于超高性能混凝土的微观结构形成。采用纳米压痕技术，研究了超高性能混凝土的微观性能。研究结果表明，占据一半浆体体积的水化产物是由高硬度的水化相，大量未水化的水泥和粉煤灰比水化产物具有更高的力学性能，可作为微骨料填充混凝土的孔隙，提高超高性能混凝土的强度。而且，临近骨料或纤维表面的浆体力学性能和浆体性能相近，表明超高性能混凝土具有紧密的界面过渡区。超高性能混凝土的水化产物主要为Ⅲ型C-S-H，氢氧化钙含量低，没有钙矾石。超高性能混凝土的孔隙率约为5%，主要为微小孔，孔径分布均匀（10nm左右）。借助微观结构的扫描电子显微镜技术，可以观测到超高性能混凝土的结构相当致密，基体结构几乎没有可以让有害气体、水和侵蚀性溶液渗入的毛细孔道。从扫描电镜图像上看，超高性能混凝土在180d龄期时，水泥石结构非常致密，只有一些空气孔洞，这是由于水泥水化及硅灰和磨细矿粉的火山灰效应造成的。