超高性能混凝土力学和耐久性能研究综述

2020-01-02徐礼健

四川建材 2020年10期

徐礼健

(长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

0 前言

超高性能混凝土(UHPC)具有超高强度、优异的韧性和断裂能，同时具有优异的耐久性能，不仅能够大幅提高混凝土结构的使用寿命，也能降低混凝土结构的维修费用。超高性能混凝土(UHPC)具有非常强的抗渗透能力，几乎无碳化，并且抗氯离子渗透和抗硫酸盐侵蚀的能力也非常强，耐磨性能也很高。由于UHPC中存在大量的未水化的水泥颗粒，在开裂情况下，超高性能混凝土具有良好的自我修复能力，超高性能混凝土的自重是传统混凝土结构的1/3或1/2，显著降低了结构的自重。因此，UHPC成为近几年的研究热点之一，国内外很多学者都对超高性能混凝土进行了研究，本文主要总结了近几年一些学者对UHPC的力学性能和耐久性能的研究成果。

1 UHPC力学性能研究

1.1 抗压性能

1.1.1 立方体抗压强度和轴心抗压强度

李传习等[1]通过UHPC的原材料和配合比不变(用水量除外)，来探究水胶比(0.15～0.2)的变化对UHPC施工与力学性能的影响规律，制作了6个边长为100 mm的立方体试块进行抗压性能试验研究。结果表明：当充分湿拌时间为6 min时，UHPC达到最佳扩展度，其抗压强度随着水胶比的增大呈现先增加后减小的趋势，抗压强度达到最优时的水胶比为0.18。陈宝春等[2]为研究尺寸效应对UHPC抗压强度的影响，通过制作6种规格的立方体和圆柱体试块，边长和直径分别为150、100 mm和70.7 mm(其中圆柱体直径为70 mm)，共计72个试件，进行抗压强度试验。结果表明：无论立方体或圆柱体UHPC试件强度都随着尺寸增大而减小，且立方体的尺寸效应大于圆柱体。当边长和直径为150 mm时，圆柱体的抗压强度大于立方体的抗压强度，而试件边长和直径在100 mm和70 mm附近时，立方体的抗压强度大于圆柱体抗压强度，并给出了边长为100 mm的立方体为基准的形状尺寸统一换算关系。

1.1.2 弹性模量

Hoang等[3]研究了不同高宽比和钢纤维含量(1.5%、2.0%)对超高性能混凝土(UHPC)的单轴拉伸和压缩性能的影响,对150 mm×300 mm圆柱体进行了压缩试验，对40 mm×40 mm×80 mm的开槽棱柱体进行了直接拉伸试验。试验结果表明：随着钢纤维的掺入，纤维的抗压强度和弹性模量没有显著变化，但钢纤维含量和高宽比对压缩后的性能影响比较大，通过与以往公式的比较，对压缩实验得到的峰值应力应变和弹性模量进行了计算，并提出了纤维效率与纤维因子之间的关系。

1.1.3 峰值应变和应力-应变关系

Deng等[4]研究了混杂钢-聚丙烯纤维和粗集料对超高性能混凝土(UHPC)单轴受压应力-应变特性的影响，通过改变混杂钢-聚丙烯纤维、粗骨料用量和聚丙烯纤维长径比对UHPC试件进行单轴压缩试验，试验结果表明：混杂纤维的加入不仅有助于在UHPC试件中建立更强大的界面，而且能改变UHPC的失效模式，并建立了考虑钢纤维、聚丙烯纤维和粗骨料的UHPC的压缩应力-应变行为预测的解析模型。

1.2 抗拉性能

1.2.1 轴心抗拉强度

邵旭东等[5]为了定量地研究钢纤维特性对超高性能混凝土轴拉性能和弯拉性能的影响，在同一钢纤维体积掺量(2%)下，通过控制钢纤维长径比、钢纤维类型和有无钢纤维这三个参数进行试验研究。结果表明：在一定范围内弯拉试验比轴拉试验更能提高UHPC试件的拉伸强度和韧性，无论平直型或端钩形钢纤维UHPC试件，当轴应变达到3 000×10-6时，其应力均高于7 MPa。Qiu[6]等通过改变增强率、纤维取向和纤维化学处理这三种实验变量来对钢筋增强UHPC拉伸性能实验，试验结果表明：提高配筋率可以显著地提高屈服荷载和极限荷载，同时也能够有效地提高UHPC构件在直接拉力作用下的抗裂刚度、抗裂宽度和峰值荷载，建立了UHPC构件的抗拉强度计算公式。

1.2.2 劈裂抗拉强度

F.Fotouhi等[7]研究了含有7种不同比例(0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%)的UHPRFC试件，进行了抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度试验，试验结果发现:试件的纤维含量越高，其抗压强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度也就越高，3%纤维含量试样劈裂抗拉强度是非纤维试样劈裂抗拉强度的228%，并提出了基于钢纤维体积分数确定试件的劈裂抗拉强度和抗弯强度的两种二阶方程。陈倩等[8]研究了聚丙烯纤维体积率、钢纤维体积率和长径比这三个因素对UHPC强度的影响规律，制作了171个UHPC试块，进行立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度试验。结果表明：掺入钢-聚丙烯混杂纤维可以提高其劈裂抗拉强度559%，得出混杂纤维最佳配合比，并基于实验结果提出了UHPC立方体抗压强度、轴心抗压强度与劈裂抗拉强度的关系式。

1.2.3 抗折强度

Li Y等[9]研究了钢-聚乙烯混杂纤维增强超高性能混凝土的抗弯性能，通过改变杂化纤维程度、集粒粒径、暴露的温度和水胶比这几种变量进行试验，试验结果表明：钢纤维和聚乙烯的结合能够有效提高UHPFRC的断裂模量、比例极限、韧性和韧性指数，较高的水胶比和较小的集料降低了UHPFRC的抗弯性能。曹瑞东等[10]研究了不同掺量的PVA纤维对UHPC力学性能的影响，得出了随着纤维掺量的增加，UHPC的抗折强度和劈裂抗拉强度均有提高，并得出PVA的最优掺量为0.2%，在一定程度上改善UHPC抗折强度低的缺陷。

2 UHPC耐久性能研究

2.1 抗碳化性能

Gu C等[11]研究了养护条件对UHPC在弯曲荷载下耐久性的影响，将RPC棱柱体试块(40 mm×40 mm×160 mm)放在碳化室(二氧化碳质量浓度为60%，温度20℃，相对湿度70%)养护180 d，试验结果表明：在不同养护条件下，RPC试件无论加载与否，其碳化深度均为0。葛晓丽等[12]通过高温加速试验，研究了不同水胶比和养护条件下未水化水泥后期水化对UHPC性能的影响，结果表明：60 ℃水养护能够有效加速UHPC中未水化水泥的水化，随着龄期的增加，试件先收缩后膨胀，并在90天内趋于稳定，当在90天时，其抗碳化性能和抗氯离子渗透性能均下降。

2.2 抗氯离子渗透和硫酸盐离子侵蚀

Hussein L等[13]研究了超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)在严重的氯离子环境下对构件弯曲行为和微观结构的影响，测量三种不同纤维含量(1%、1.5%、2%)长期暴露在严重氯化物环境下粘结面积和可能的物理脱粘情况，试验结果表明：严重的氯离子暴露对弯曲承载力有影响，UHPFRC纤维体积的增加显著改善了复合材料构件的力学性能。王卫仑等[14]研究了含PVA纤维(体积掺量0～2.0%)的UHPC抗氯离子渗透和硫酸盐离子侵蚀的试验，结果表明：掺入适量的PVA纤维可以有效提高UHPC试件的抗硫酸盐侵蚀的能力，随着龄期的增加，PVA纤维UHPC试件氯离子渗透能力呈现指数级降低，因此，在混凝土养护早期必须采取相应的防护措施。

2.3 抗冻融性能

An MZ等[15]研究了考虑再水化作用的超高性能混凝土(UHPC)在盐溶液中冻融循环下的破坏机理，在5.0%氯化钠溶液中进行了加速冻融循环试验，试验结果表明：在经过1 500次冻融循环后，试样的束缚水含量增加了11.3%，表明即使在低温条件下，试件中未水化水泥的再水化反应仍在继续，再水化反应可通过填充小于100 nm的孔隙来修复部分损伤，而冻融损伤主要发生在大于1 μm的孔隙中。李云峰等[16]研究了不同矿物掺合料UHPC 在三种水胶比下(0.21、0.24、0.27)的抗冻融性能，试验结果表明：在矿物掺合料相同的情况下，当水胶比为0.21时，试块的抗冻性最好，而且相对动弹性模量最大。