1、,超高性能混凝土制备、性能及应用,概述,配制技术,耐久性能,力学性能,目 录,微观结构,工程应用,发展趋势,1、定义,一、概述,超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC），一般需掺入钢纤维或聚合物纤维，也被称为超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）。UHPC以超高的强度、韧性和耐久性为特征，成为实现水泥基材料性能大跨越的新体系。 UHPC不同于传统的高强混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC）,也不是传统意义的高性能混凝土（HPC）的高强化改性，而是性能指标明确、具有新本构关系和结构寿命的水泥基结构工程材料。 “超高性能”表征的是同时具有超
2、高强度、高韧性、低渗透性和高体积稳定性等优异性能。较具有代表性的定义和需要具备的特征如下：,1、定义,一、概述,是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料； 水胶比0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料； 抗压强度150MPa，具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa（法国规定7MPa）； 内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体侵入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土相比，耐久性可大幅度提高。 “活性粉末混凝土”（RPC，Reactive Powder Concrete）， 是法国Bouygues建筑公司的一项专利产品，因广泛传播引起关注，RPC一度成为超高性能混凝土
3、的代名词。而“UHPC”名称能更好地表达这种水泥基材料或混凝土在全面性能上的跨越式进步，逐步被广泛接受和采用。 商品化的UHPC产品均为专利配方产品，有独立的名称或商标，如：丹麦的Densit ，法国的RPC 、Ductal、BSI 、CEMTEC 、BCV 等等。,2、发展历程,一、概述,20世纪70年代高效减水剂的开发和90年代优质活性矿物细粉、超细粉（硅灰、沸石粉等）的应用，使水胶比降低，混凝土结构密实，强度大大提高。 水泥材料高强化发展的两个模型：宏观无缺陷水泥基材料（MDF），1979年英国化学公司和牛津大学研制成功MDF，抗压强度高达300MPa，抗弯强度150MPa，弹模50GP
4、a，配比及工艺如下： 90%99%硅酸盐水泥或铝酸盐水泥；4%7%聚合物树脂；水胶比0.2；搅拌时强力拌和；成型时采用热蒸压工艺，使基体内无大孔隙。 缺点：需要辊压或挤压成型；材料对水敏感，水分侵入后，体积膨胀，强度下降。,2、发展历程,一、概述,高致密水泥基材料（DSP），采用高效减水剂和硅灰，掺加超硬度骨料，用充分分散的超细颗粒硅灰（0.5nm0.5m）填充在水泥颗粒堆积体系（ 0.5100m）的空隙中，实现颗粒堆积致密化，同时采用压制密实成型工艺（强制式拌合，高频振捣和振动加压成型），可通过添加纤维增加韧性。 缺点：工作性差、易开裂、造价高、内部干燥产生的自收缩很大，以至于净浆浆体会自行
5、开裂。,一、概述,DSP理论奠定了UHPC的理论基础,第一个DSP体系UHPC的组成和强度发展,水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度图解,2、发展历程,超细颗粒硅灰填充在水泥颗粒之间的空隙中，提高了固体颗粒堆积密实度，并在高效减水剂的作用下，使DSP浆体的水胶比降低到0.150.19水平。,2、发展历程,一、概述,活性粉末混凝土（RPC） 1993年，法国皮埃尔理查德研究小组通过模仿“DSP材料”，按照最紧密堆积理论，剔除粗集料，使用最大粒径约为0.6mm的石英砂作为集料，掺入适量钢短纤维和活性掺合料，配以成型施压、热处理养护等制备方法，成功地研制出了高韧性、高强度、耐久性优良和体积稳
6、定性好的活性粉末混凝土RPC。典型的钢纤维长13mm，直径0.15mm，最大掺量2.5%。3d强度： 90 热水养护200MPa；400 养护800MPa。,2、发展历程,一、概述,密实增强复合材料（CRC） 丹麦研究人员Bache在DSP材料的基础上，采用长6mm，直径0.15mm，掺量5-10%的钢纤维，同时配以钢筋制备而成。 缺点：钢纤维掺量高，成本大大增加，适用于有特殊要求的结构，如：抗冲击性能或很高的力学性能等。灌浆纤维混凝土（SIFCON） 在模板内先放置钢纤维，然后在纤维空隙灌注水泥砂浆，纤维掺量达到12-13%，几乎10倍于普通钢纤维混凝土。抗压强度、抗拉强度可以达到120MP
7、a和40MPa，可用于道路面板及其维修。 优点：破坏时具有很高的应变； 缺点：纤维分布不均匀，难以使钢纤维形成三维堆积。,一、概述,1999年清华大学覃维祖教授最早将RPC引入中国。 近年来，北京交通大学、湖南大学、东南大学等高等院校相继开展研究，取得了系列成果。 经过35年发展，UHPC到了一个可以实际应用的水平，其抗压强度150200MPa，几乎等同于钢材，抗拉强度可超过15MPa，弯曲抗拉强度达到50MPa，并且在普通养护条件也可制备出满足性能要求的UHPC，并在高铁电缆槽盖板、桥梁、高层建筑、海洋工程等结构中开始得到应用。,2、发展历程,一、概述,3、配制与性能,RPC典型组成、配合比
8、和性能,一、概述,传统混凝土与UHPC的抗压强度范围,3、配制与性能,UHPC单轴压缩应力、应变曲线,抗压性能,OC/HSC-普通/高强混凝土,一、概述,FRC/HSFRC-普通/高强纤维混凝土，ECC-高延性水泥基复合材料,3、配制与性能,UHPC单轴拉伸应力、应变曲线,抗拉性能,钢筋增强UHPCCRC的抗弯承载能力接近钢梁承载力水平，抗弯行为相似。,一、概述,3、配制与性能,HPC、UHPC、钢筋增强UHPC和高韧性钢材的性能对比,一、概述,3、配制与性能,UHPC渗透性、耐久性平均指标，以及与HPC、OC对比,4、标准规范,一、概述,（1）法国 2002年，发布了第一部UHPC设计指南U
9、ltra-High Performance Fibre Reinforced Concrete - Interim Recommendations 超高性能纤维增强型混凝土临时建议，并于2013年发布修订版建议。由于缺少相应设计方法，这部“准标准”也被法国以外地区广泛采用。（2）瑞士 2015年，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）发布了Swiss Standard SIA 2052 UHPFRC SIA 2052 UHPFRC瑞士标准设计规范。,4、标准规范,一、概述,法国三种UHPC材料性能参考值,4、标准规范,一、概述,（3）德国 德国从2004年到2016年，UHPC国际研讨会每4年开一次
10、，UHPC的综合研究与欧洲规范 （DFG SSP 1182）都正在编制。德国钢筋混凝土协会（DAfStb）2003/2008年出版UHPC最新进展报告Sachstandsbericht-U ltrahochfester Beton，详细总结了UHPC材料性能、设计与施工方法，作为过渡性UHPC设计施工指南。fib（国际结构混凝土协会）的规范Model Code 2010，已经将纤维混凝土强度等级扩展到C200。现在，fib的TG8.6工作组（Task Group）正在编制UHPFRC设计指南。,4、标准规范,一、概述,（4）日本 2004年成功发布UHPFRC设计与施工建议（暂定），建议成功地
11、应用到了羽田机场跑道的扩建工程中，这是迄今为止最大规模的UHPC应用。2004年日本土木工程学会（JSCE）颁布了超高强纤维增强混凝土结构设计施工指南（草案），2006年出了英文版本。,4、标准规范,一、概述,（5）韩国 韩国在2008年制定了K-UHPC Design Guidelines (1st Draft) K-UHPC设计指南（暂定），并在韩国混凝土协会（KCI）的协助下，于2012年发布K-UHPC Design Guidelines K-UHPC设计指南。（6）美国 2015年，美国混凝土协会（ACI）成立了专注于UHPC的ACI239C委员会，负责编制UHPC设计指南。同时相关
12、的ASTM标准工作正在进行。除此之外，美国联邦公路管理署（FHWA）出版系列UHPC技术文献，作为UHPC桥梁设计与发展的基础性技术文件。（7）加拿大 2015年，加拿大标准协会（CSA）成立了UHPC工作组，负责编制设计规程。,一、概述,（8）中国标准- GB/T 31387-2015 活性粉末混凝土 对RPC的定义、等级分类、性能、材料要求、拌和、养护、检验等进行了规定。将RPC混凝土按照力学性能分为RPC100，RPC120，RPC140，RPC160，RPC180五个等级,同时对抗冻性、抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀作出了规定。,4、标准规范,一、概述,4、标准规范,掺加有机合成纤维时，
13、其掺量不宜大于1.5kg/m3，硅灰用量不宜小于胶凝材料用量的10%，水泥用量不宜小于胶凝材料用量的50%。,一、概述,（9）中国标准-铁道部标准客运专线RPC材料人行道挡板、盖板暂行技术条件,4、标准规范,构件设计：人行道挡板、盖板： 抗压极限强度：fc=130MPa 抗拉极限强度：Ec=48GPa 保护层厚度：t10mm 连接钢筋锚固长度：L4d,一、概述,（10）中国标准-超高性能混凝土技术规范：材料与检验 清华大学与建材协会牵头的超高性能混凝土技术规范：材料与检验正在制定中。,4、标准规范,抗拉性能等级,抗压强度等级,抗折强度等级,渗透性等级,一、概述,4、标准规范,硬化超高性能混凝土
14、的基本技术指标,一、概述,（11）地方标准 湖南大学在超高性能混凝土轻型组合桥面结构方面编写了两部地方标准，如下：,4、标准规范,5、存在问题,一、概述,需要建立可靠的UHPC本构关系，包括UHPC在各种结构上的性能、结构是否配筋或配筋方法、预应力技术、结构设计与验证方法。材料成本较高，纤维是增大成本的主要因素，需要努力提高纤维的抗拉增强增韧效率，降低纤维用量和UHPC结构造价，钢纤维在这方面还有较大提高空间。长期性能还有很多需要深入的研究。,配制技术,耐久性能,力学性能,目 录,微观结构,工程应用,发展趋势,概述,设计理论,二、配制技术,最紧密堆积理论：细颗粒填充在粗颗粒之间的空隙，更细颗粒
15、填充在细颗粒之间的空隙，逐级向下，达到最大密度。,颗粒粒径分布,优化混合粒径分布达到理论最大堆积密度,设计理论,二、配制技术,基于Andreasen方程编制的EMMA软件，可根据原材料颗粒粒径分布，计算出最优的材料组成比例，使其达到理论上的最大堆积密度。在不考虑钢纤维的加入时，根据成型后容重将其换算为单方材料用量。水胶比为0.18，胶材用量为874kg/m3，集料用量1436kg/m3，胶砂比1:1.64，硅灰占胶材用量的30%。,材料粒径测试,计算机分析得出组成比例,设计理论,二、配制技术,由于UHPC还需要添加一定量的钢纤维，因此模拟配比需根据其工作性做进一步的调整。根据目前国内外大多数学
16、者的研究，加入钢纤维后的UHPC，胶砂比一般在1:11:1.1之间，硅灰掺量占胶材用量的20%-30%。调整后配比见下图，胶砂比1:1，硅灰掺量占胶材用量的22%。,原材料,（1）水泥 品质稳定、强度等级不低于42.5低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，水泥熟料中C3A含量不应大于8%，其性能应符合GB 175-1999规定，不得使用其他品种水泥客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件；对于结构用混凝土，可使用42.5以上矿渣硅酸盐水泥，对于快速修补或加固用混凝土，可使用满足硫铝酸盐水泥（GB 20472-2006）标准要求的快硬硫铝酸盐水泥超高性能混凝土技术规范：材料
17、与检验；应使用与外加剂适应性强的水泥。,二、配制技术,原材料,（2）硅灰 硅灰（Silica Fume，简称SF）也被称为微硅粉或凝聚硅灰，是从硅铁合金或金属硅冶炼的烟尘中回收的粉末，外观颜色为灰白色或者白色，主要成分为非晶态SiO2，含量一般在80%95%，粒径一般小于 0.1m，有很高的火山灰活性。硅灰极细的颗粒形态使其可填充孔隙（填充效应），使得浆体结构更密实；含量很高的非晶态SiO2与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，增加水化硅酸钙CSH凝胶量（火山灰效应），加强浆体与骨料间的界面粘结，此外在80-90热养护中有助于UHPC生成额外具有强度的水化相；球形形态良好，与水泥颗粒存在静电
18、斥力作用，可以产“滚珠”作用，对混凝土拌合物有良好的增塑作用。,二、配制技术,基体中硅灰颗粒,硅灰颗粒,原材料,（2）硅灰 硅灰应符合GB/T 27690的规定GB/T 31387-2015活性粉末混凝土； 宜使用满足矿物掺合料应用技术规范（GB/T 51003-2014）要求的硅灰超高性能混凝土技术规范：材料与检验。,二、配制技术,（3）石灰石粉 石灰石粉的低强度不适合UHPC，并会造成UHPC更加粘稠； 不得采用磨细石灰石粉超高性能混凝土技术规范：材料与检验。,原材料,（4）粒化高炉矿渣 矿渣微粉作为混凝土和水泥制品的掺合料，具有改善各种性能的优点： 可大幅度提高水泥混凝土强度，能配制出超
19、高强水泥混凝土； 可有效抑制水泥混凝土碱骨料反应，显著提高水泥混凝土抗碱骨料反应性能； 可有效提高水泥混凝土抗海水浸蚀性能，特别适用于抗海水工程； 可显著减少水泥混凝土泌水量，改善混凝土和易性； 可显著提高水泥混凝土致密性，改善水泥混凝土抗渗性；,二、配制技术,原材料,（4）粒化高炉矿渣粒化高炉矿渣粉磨得越细，其活性越高，早期产生的水化热越大，并且早期的自收缩随矿渣掺量的增加而增大，因此掺入UHPC中的磨细矿渣的比表面积不宜过细，一般以不超过4000cm2/g为宜；粒化高炉矿渣粉应符合GB/T 18046的规定，宜采用S95及以上等级的粒化高炉矿渣粉GB/T 31387-2015活性粉末混凝土
20、和超高性能混凝土技术规范：材料与检验；,二、配制技术,原材料,（5）粉煤灰 粉煤灰特有的空心球形态可节约大量水泥和细骨料，并具有以下有点： 减少用水量； 改善和易性； 增强可泵性； 减少徐变； 减少水化热和热能膨胀性； 提高抗渗能力； 增加修饰性。,二、配制技术,原材料,（5）粉煤灰含碳量高的粉煤灰需水量大，对混凝土的流变性、强度和变形都有不利的影响，因此用于UHPC中的粉煤灰的烧失量以小于3%为宜；粉煤灰应符合GB/T 1596的规定，宜采用级粉煤灰GB/T 31387-2015活性粉末混凝土；宜采用满足矿物掺合料应用技术规范（GB/T 51003-2014）要求的II级及以上F类粉煤灰超高
21、性能混凝土技术规范：材料与检验。,二、配制技术,原材料,（6）石英砂（粉） 各种石英砂（SiO2含量大于90%）用于实现颗粒组合的最佳堆积，这使水泥的填充效果被部分取代，并弥补细砂的颗粒间隙。 GB/T 31387-2015 活性粉末混凝土要求如下：RPC120以上等级所用骨料宜为单粒级石英砂和石英粉，应分为粗粒径砂（1.25-0.63mm）、中粒径砂（0.63-0.315mm）和细粒径砂（0.315-0.16mm）三个粒级；石英粉中公称粒径小于0.16 mm的颗粒比例应大于95%；RPC120及以下等级可选用级配区的中砂，砂中公称粒径大于5 mm的颗粒含量应小于1%，天然砂的含泥量0.5%、
22、无泥块，人工砂的亚甲蓝试验结果（MB值）应小于1.4，石粉含量2.0% 。,二、配制技术,原材料,（6）石英砂（粉）,二、配制技术,技术指标,不同粒级石英砂的超粒径颗粒含量,原材料,二、配制技术,（7）粗骨料 研究表明，在获得同样强度的前提下，使用粒径2mm5mm的玄武岩骨料，可以降低UHPC水泥用量和浆体含量20%左右，搅拌时间可以缩短，自收缩降低40%，弹性模量增加，极限应变减小。粗骨料最大粒径应远远小于结构厚度，通常在8mm内。 粗骨料指粒径大于2.36mm（8目），最大粒径4.75或8mm的颗粒材料，强度应高于所制备UHPC的强度超高性能混凝土技术规范：材料与检验。,原材料,（8）高效
23、减水剂 应符合GB 8076和GB 50019规定，宜选用高性能减水剂，减水率宜大于30%GB/T 31387-2015活性粉末混凝土； 应符合GB 8076规定，严禁掺入氯盐类外加剂，且减水率不得低于29%，硫酸钠含量不得大于2%客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件； 减水率不小于35%的醚类聚羧酸型减水剂超高性能混凝土技术规范：材料与检验。,二、配制技术,原材料,（9）钢纤维 钢纤维可以紧密嵌入密实、固相均匀的UHPC基体中； 纤维增加延展性是基于基体破裂时，基体和纤维间的静态摩擦力被克服，纤维没有断裂； 直径0.20mm，长度9-17mm，抗拉强度2000N/
24、mm2的微细钢纤维被证明是最好的选择，和易性也较好，体积掺量不小于2.5%；,二、配制技术,原材料,（9）钢纤维 为提高钢纤维的有效性，使用异型钢纤维（端钩、大端头、压痕、波纹、扭转等）提高纤维握裹力或机械性粘结强度，使用长径比较大的微细纤维可增大纤维的粘结力和握裹力； 有机纤维中，PVA纤维对UHPC的增强增韧效果最好，PP纤维则用于提高UHPC的耐高温或耐火性能。,二、配制技术,原材料,（9）钢纤维,二、配制技术,不同钢纤维拔出滑移量与纤维应力,平直纤维为1100MPa； 高强端钩和扭转纤维达到21502900MPa，接近或达到纤维的抗拉强度（T1、H2纤维拉断）,原材料,（9）钢纤维,二
25、、配制技术,不同钢纤维拔出滑移量与表面剪切应力,平直纤维为10MPa左右，异形纤维则达到了4247MPa，比平直纤维提高4倍多； 纤维脱粘后的拔出过程，平直纤维和异形纤维的剪切应力还继续增长或维持在较高水平，均呈现较高的机械性粘结强度； 扭转纤维是目前UHPC应用效率最高的钢纤维。,原材料,（9）钢纤维,二、配制技术,不同钢纤维从UHPC拔出过程的最大拉应力与粘结强度,原材料,（9）钢纤维,二、配制技术,表面镀黄铜的钢纤维从UHPC中拔出的表面破坏形态,平直纤维在UHPC中呈现的这种“机械性粘结”，没有出现在普通高强混凝土中。平直纤维较高的机械性粘结力，可能来源于纤维端部剪切产生的变形、纤维表
26、面粘附物与表面刮伤等增加了拔出阻力。,原材料,（9）钢纤维 GB/T 31387-2015 活性粉末混凝土要求,二、配制技术,直径0.180.23mm，长度1214mm，抗拉强度不得低于2850MPa，其他性能应满足JG3064-1999技术要求客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件；,原材料,（9）钢纤维 超高性能混凝土技术规范：材料与检验要求如下： 钢纤维长度/等效直径比值大于65、抗拉强度大于2000MPa的高强碳钢或不锈钢纤维材料；有机纤维指聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等有机纤维，PVA纤维的弹性模型不得小于30GPa，抗拉强度不得小于1
27、000MPa，可单独或与钢纤维一起用于超高性能混凝土；对考虑应变硬化的应用场合，钢纤维体积掺量不得小于2.5%，钢纤维与有机纤维复掺时，钢纤维体积掺量不得小于2.0%，有机纤维的体积掺量一般不大于2%；对有钢筋配筋且配筋较密的场合，钢纤维的体积掺量可不超过2.0%，甚至不掺钢纤维。,二、配制技术,水胶比,水胶比不应大于0.2客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件； 水胶比宜小于0.20，特殊情况下，最大水胶比不得大于0.24超高性能混凝土技术规范：材料与检验。,二、配制技术,GB/T 31387-2015 活性粉末混凝土要求,搅拌,搅拌机：可调速的强制式搅拌机，如双卧
28、轴式、盘式、及带刮铲的行星式搅拌机，不得选用单轴搅拌机。,二、配制技术,GB/T 31387-2015 活性粉末混凝土、 客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件,先加纤维预搅拌，后加水再搅拌,搅拌要求,二、配制技术,超高性能混凝土技术规范：材料与检验,先加水搅拌，后边搅边加纤维,搅拌,二、配制技术,德国Eirich R型搅拌机,可调速搅拌筒与搅拌器反向旋转，形成逆向物料流，能够高效率混合细粉料。配备抽真空系统，在搅拌的最后阶段对搅拌机内抽真空除去气泡，提高密实度。可以将UHPC拌合物的气泡体积降低到1%以下。,浇筑,二、配制技术,应采用分层浇筑，每层浇筑厚度不宜大于3
29、00mm，层间不应出现冷缝，浇筑采用平板振捣器或模外振捣器振捣成型GB/T 31387-2015活性粉末混凝土；应在30min内灌注完毕，构件宜连续灌注，最大间隔时间应不超过6min客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件。,养护要求,GB/T 31387-2015 活性粉末混凝土 方式1：静停、初养、终养及自然养护；方式2：静停 、升温养护及自然养护，蒸汽养护温度控制宜采用自动控制系统；静停保持相对湿度在60%以上、温度10以上，静停6h以上，然后升温至40保温24h（升温速度不应大于12/h）或直至同条件养护试件的抗压强度达到40MPa，再以不超过15/h的降温速度
30、降至构件表面温度与环境温度之差不大于20，拆模后升温70终养48h以上。采用自然养护时，环境温度要高于10，表面应保持湿润7d以上。亦可静停后直接升温至70，保温72h或养护至强度达到设计要求，再缓慢降温后拆模，升温养护过程湿度控制在95%以上。,二、配制技术,养护要求,客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件 成型构件需要静停6h，采用蒸汽养护，养护过程分为升温、恒温、降温三个阶段，升温速度不应大于12/h，降温速度不应大于15/h，恒温应控制在805，恒温时间不应小于48h，撤除保温设施时，构件表面温度与环境温度之差不应超过20。构件蒸汽养护结束后需自然养护，环境温
31、度不应低于20，并对构件进行洒水养护，时间不应少于7d。,二、配制技术,养护要求,超高性能混凝土技术规范：材料与检验对于预制产品或构件，宜采用90以下的蒸汽养护工艺； 标准蒸汽养护制度：带模静停24h左右，脱模后以不超过15/h速率升温到90，恒温48h，然后以不大于15/h的速率降至室温； 蒸汽养护后，在出厂前，预制构件宜继续在环境温度下保湿养护57d； 对于非蒸养产品或构件，在浇筑抹面后，应立即采用塑料薄膜覆盖或采用养护剂养护，并用水雾或终凝后表面洒水等保湿措施养护，宜至少养护14d，构件内外温差不得大于20，否则宜采取保温养护措施。,二、配制技术,耐久性能,目 录,微观结构,工程应用,发
32、展趋势,概述,配制技术,力学性能,抗压强度,三、力学性能,超高强度是UHPC的基本特性之一，定义上UHPC抗压强度不低于150MPa，并存在尺寸效应。,抗压强度,三、力学性能,UHPC与普通强度混凝土和高强度混凝土相比，其特点是在单轴抗压测试中，相当长的时间里表现出一种本质上的线弹性，直到达到抗压强度前不久和破坏时形成微裂纹之前，弹性模量一般在45-55GPa之间。 达到强度时的应变取决于骨料级配，在最大粒径2mm的细颗粒混凝土应变为4.0-4.4，而在粗颗粒混凝土的数值为3.5。,无纤维UHPC单轴抗压测试的应力-应变图,泊松比,细颗粒UHPC弹性区域的泊松比在0.18-0.19之间，粗颗粒
33、UHPC（玄武岩碎屑最大粒径5-8mm）的约为0.21，非常接近普通强度混凝土通常假定的0.2。由于微裂纹的形成，线弹性响应发生偏离的时间较晚，这反映在泊松比后面的增加。破坏后，可假定为0.3。,泊松比随着压应力增加的发展,三、力学性能,抗压强度,三、力学性能,通过掺加纤维可显著提高和控制峰后性能，但对应力-应变曲线的上升阶段几乎没有影响。,抗压强度,UHPC压应力-应变图的下降部分性能变化取决于纤维含量，纤维种类和纤维方向。,三、力学性能,峰后范围（曲线下降部分）比上升部分更加分散,抗拉强度,三、力学性能,UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性。
34、目前还没有针对UHPC单轴抗拉试验的标准方法，无切口试件适用于确定抗拉强度，而有切口试件则适用于确定纤维增强UHPC的应力-开裂宽度的关系，后者作为脆性材料响应或材料软化峰后性能的特征。UHPC典型的抗拉强度值为711MPa。,试验尺寸和试验装置,抗拉强度,UHPC可以在相对低的纤维含量水平下实现拉伸“应变硬化”行为，而普通和高强纤维混凝土（FRC、HSFRC）无法实现拉伸“应变硬化”行为，但UHPC的变形能力低于ECC（高延性水泥基复合材料）。纤维的加入一方面使抗拉强度更高，另一方面可通过更宽的裂缝传递应力，基体中第一条裂缝的产生会增加强度，即观察到应变硬化行为。,三、力学性能,抗拉强度,基
35、体破裂后，力值最初会下降（混凝土破裂应力，裂缝50m），然后随着钢纤维的激活，强度上升。纤维承载能力完全激活后，裂缝宽度超过w0时会全部拔出（约为0.15mm），同时纤维承载力下降。,三、力学性能,抗弯强度,尺寸为1604040mm的棱柱体，抗弯强度能达到13-17MPa，然而同配比的700150150mm尺寸梁的值只能达到7-10MPa，存在巨大的尺寸效应。,三、力学性能,抗拉强度,三、力学性能,浇筑布料方式不同对纤维分布的方向性影响较大，纵向分层浇筑使钢纤维趋向于水平平面分布，有利于纤维提高小梁纵向抗拉强度。,抗拉强度,三、力学性能,抗拉强度,三、力学性能,当=90达到最大弯曲抗拉强度（几
36、乎所有纤维与受拉方向相同）；在=0最不利的情况下（纤维垂直于受拉方向），纤维甚至起到了隔离混凝土基体的反作用，UHPC的抗弯强度甚至低于普通混凝土。,抗拉强度,三、力学性能,当变形（裂缝开展宽度）增加时，掺加短纤维的混凝土抗拉能力衰减速率更快,弹性模量,三、力学性能,断裂能,三、力学性能,UHPC兼具高抗拉强度和高变形能力，因此UHPC的抗拉与抗弯断裂韧性大幅度超越FRC和HSFRC的断裂韧性，可以跨入韧性材料（即断裂能超过1000J/m2）的行列。,UHPC断裂能与纤维含量的关系,耐久性能,目 录,微观结构,工程应用,发展趋势,概述,配制技术,力学性能,体积变形,四、耐久性能,UHPC的水胶
37、比非常低，水化进行到一定程度导致内部干燥（自收缩），其密实的结构则有效阻止内部水分的损失，所以UHPC的干燥收缩较小。,混凝土的收缩和水胶比的关系,体积变形,UHPC的自收缩与内部相对湿度变化历程,四、耐久性能,体积变形,UHPC的收缩在经历热养护过程迅速完成，即经过热养护后体积稳定，几乎不再收缩。,四、耐久性能,体积变形,四、耐久性能,膨胀剂（HCSA、EA）、减缩剂（SRA）和陶粒（PCWA）内养护，减小UHPC的收缩，取得较好效果。,体积变形,四、耐久性能,非接触法测自收缩,接触法测干燥收缩,徐变,与收缩相似，徐变经过预先热处理后显著减小。不经过热处理的UHPC的徐变值要比根据徐变理论预
38、计的大得多。UHPC的徐变值比高强度混凝土低很多，这可能是由于其致密的微观结构会阻碍毛细孔水传输的事实，另一方面可能是由于UHPC显著的自干燥效果。,不同龄期UHPC的徐变数据，并与DIN1045-1预测值对比,四、耐久性能,体积变形,四、耐久性能,徐变初步粗略估计，其数量级可以取值如下： -无热处理的UHPC最终徐变系数：=0.61.4 -热处理后的UHPC最终徐变系数（约70-90）：=0.20.4,受压徐变法测徐变,抗冻,四、耐久性能,UHPC冻融质量损失率,UHPC冻融动弹性模量变化,抗侵蚀,由于UHPC有着非常致密的微观结构，对来自除冰盐或海洋环境下的氯离子抵抗能力明显高于普通强度混
39、凝土。因此，带有UHPC保护层的混凝土为钢筋提供了更好的防锈保护。,普通强度混凝土（C2无疏水性）、粗粒度热养护UHPC的氯离子扩散深度（右）和传输电荷（左）（RCM法）,四、耐久性能,抗侵蚀,四、耐久性能,UHPC氯离子抗渗透性能远远优于普通C50混凝土,UHPC三种混凝土抗离子渗透性能,抗碳化,四、耐久性能,UHPC的抗碳化性能要远远好于常规C50混凝土,RPC（0mm） 掺加粗骨料UHPC（0mm） C50混凝土（5mm）,目 录,工程应用,发展趋势,概述,配制技术,力学性能,耐久性能,微观结构,微观结构,五、微观结构,UHPC的总孔隙率大幅度降低，同时孔径被细化，即渗透性毛细孔所占比重
40、也大幅度降低。对比UHPC C200与RPC C500可见，加压成型试件经250热养护，总孔隙率和毛细孔含量进一步降低。,微观结构,五、微观结构,早期水化产生的Ca（OH）2量较大，14天达到高峰，此后硅灰的火山灰反应占主导，开始消耗降低Ca（OH）2量。,微观结构,五、微观结构,UHPC的3天和90天水化程度分别为12%和24%，可完成的最大水化为28%。,五、微观结构,裂缝愈合性能,重新加载的抗弯性能没有受到影响，表现出很好的连续性，从重新加载的各条曲线斜率可以看出，热水、氯化钠溶液浸泡和经历干湿循环的试件，刚度（弹性模量）均高于在干燥空气（相对湿度50%）中存放试件。这种刚度的恢复，表明
41、接触水的试件，裂缝有一定程度的“胶结”性愈合，提高了材料的连续性。,微观结构,五、微观结构,可以直观地看到水泥水化产物生长与硅灰颗粒的火山灰反应溶解，逐步形成密实结构的过程。,微观结构,五、微观结构,胶凝材料与骨料、纤维之间的界面过渡区（ITZ）密实度提高，常温养护28天UHPC的基体与钢纤维ITZ还清晰可见，但宽度只有2m4m，热养护提高硅灰的火山灰反应程度，界面的密实度与基体相似，ITZ几乎无法辨别。,五、微观结构,微观结构,热水养护72 h的试样（左）的C-S-H水化物呈纺锤状，彼此独立、互不交联；而高温干热养护及蒸汽养护的试样（右）的水化物C-S-H是相互交错呈网络状和片状，这两种结构
42、形式在受力性能上要优于前者，在很大程度上改善了微结构。,微观结构,五、微观结构,UHPC矿物相主要包含钙矾石，氢氧化钙，石英和碳酸钙,不掺粗骨料UHPC,掺加粗骨料UHPC,C50混凝土,五、微观结构,相比于普通混凝土，UHPC的二次水化反应消耗了更多氢氧化钙,不掺粗骨料UHPC,掺加粗骨料UHPC,C50混凝土,微观结构,五、微观结构,UHPC中掺入矿物掺合料可以显著的降低单位胶凝材料的水化热,微观结构,目 录,工程应用,发展趋势,概述,配制技术,力学性能,耐久性能,微观结构,国外应用,六、工程应用,加拿大，Sherbrooke footbridge（1996），预制UHPC桁架桥，世界第一
43、座UHPC大型结构。跨径60m，由6个长10m的小节段组成，上弦杆为带肋UHPC板，腹杆为UHPC填充不锈钢管，下弦杆由2根连续预应力UHPC梁组成（每根梁有2束体内预应力）。各预制节段由体外预应力钢束连接在一起（32预应力束），上下弦UHPC抗压强度200 MPa。,国外应用,六、工程应用,6跨，总长134m，最大跨径为36m；主梁采用变高的三角桁架型式，上弦杆为无粘结预应力UHPC构件，下弦杆和斜腹杆采用钢管，并通过摩擦型高强螺栓与上弦杆完成连接； 桥面板由5m宽的横向先张预应力UHPC预制板组成； 待桁架架设完成后，UHPC桥面板之间、以及与上弦杆均通过结构胶实现连接，而无任何机械连接接
44、头。,德国富尔达河桥,国外应用,六、工程应用,2跨（20.5m和22m），由高0.9m的预制先张预应力双T型梁拼装而成，梁由28d抗压强度210MPa，钢纤体积含量3%的自密实UHPC浇筑，常温饱和湿度养护，2天脱模； 常规强度混凝土设计方案需使用39t普通钢筋，17.4t预应力钢束；UHPC方案仅需4t普通钢筋和28t钢纤维，预应力钢束则为6t； UHPC方案上部结构自重仅为328t（普通钢筋方案为975t）。,法国 Bourg-les-Valence OA4桥,国外应用,六、工程应用,美国，Wapello County Mars Hill Bridge，单跨简支梁，美国第一座I型UHPC桥
45、，梁内无抗剪箍筋，利用UHPC自身的高抗拉性能.。,国外应用,六、工程应用,传统混凝土梁或钢梁上铺设预制UHPC井字肋板结构桥面板，桥面板与梁之间、桥面板相互间采用现场灌注UHPC连接，设置抗剪栓钉、钩、传力杆等保证连接的强度和可靠性，能有效解决化冰盐导致桥面板快速劣化的问题。,美国 Little Cedar Creek桥井字肋板结构桥面板,国外应用,六、工程应用,双T型梁中有30束高强预应力钢绞线，不设被动钢筋，仅设置横向和纵向接口的连接钢筋； 接口用自密实UHPC现场灌注，刚性连接形成连续、无接缝整体桥面板，上面直接铺设沥青混凝土铺装层。,国外应用,六、工程应用,奥地利，Wild公路桥,长
46、154m，并列双桁架拱，由预制正方形薄壁箱梁和接头现场组装而成，拱内部安装体外后张预应力钢索施加预应力；UHPC强度等级为C185，构件成型2天脱模，3天后进行90热养护，使构件收缩快速完成；是拱桥轻型化的一次尝试，也是超大长细比预应力UHPC柱性能一项基础研究。,国外应用,六、工程应用,法国 皮内尔公路桥 上部结构由C35/C45的混凝土桥面板和17个预应力UHPC梁组合而成； 纵向主梁UHPC的抗压强度为165MPa，配合比：2360kg CERACEM BFM-Millau预混料（水泥和骨料的干混料），45kg高效减水剂，195kg水，195kg钢纤维。,UHPC 加强腹板,国外应用,六
47、、工程应用,UHPC箱型梁顶板宽4.4m（含翼板）、高度1.63m，工厂预制22个镶合成型（match-cast）箱梁节段，现场节段拼接，节段相互粘接，用6束体外预应力钢索张拉形成整体，然后整体吊装就位，梁总重量小于200吨。 厚度0.14m的箱梁顶板，既是桥面板也是路面板，不铺设防水层和沥青混凝土铺装层。在箱梁预制成型时，使用特殊纹理模板，使箱梁顶面直接浇筑形成UHPC粗糙纹理，作为车行路面，保证抗滑性能。 同样功能跨线桥，需要使用200方的C45混凝土，该桥的UHPC用量约方，施工周期缩短至少1个月，并且取消了中间桥墩、桥面防水和铺装层。,法国A51公路PS34桥,国外应用,六、工程应用,
48、法国 Pont de la Chabotte公路桥,由22个预制节段采用粘结剂和体外预应力连接而成； UHPC节段高1.6m，腹板厚度120mm，匹配浇筑预制工艺； 选用了BCV的两种产品，一种是28d抗压强度为130MPa（无热养护），另一种是150MPa（热养护）； 与采用C35/C45的混凝土结构比，混凝土用量仅为其40%； 现场施工时间减少了1/3。,国外应用,六、工程应用,澳大利亚， Shepherds Creek Road Bridge ，跨径15m，桥宽21m，第一座I型UHPC梁公路桥。 在两个I型UHPC主梁之间，搭设25mm厚度的UHPC板作为永久模板，上面浇筑普通钢筋混凝土桥面板，UHPC板具有永久模板和保护上部结构两个功能。,国外应用,六、工程应用,日本，Sakata Mirai footbridge，后张法预制箱梁，在临时支架上进行拼装施工，恒载仅约为普通预应力混凝土桥的1/5。,国外应用,六、工程应用,东京机场GSE桥（2010）,自密实UHPC抗压强度180MPa，水灰比接近限值0.24，钢纤维体积掺量2，直径0.2mm，长15mm； 桥梁结构由三箱形截面组成，顶板采用传统的钢筋混凝土，腹板和底板采用UHPC，预应力筋布置在箱室内； UHPC腹板与普通钢筋混凝土桥面板之间设有开孔UHPC板剪力连接件，由于桥面板悬臂较长，这些连接件也受到竖向拉拔力。,
