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媒体报道

关于UHPC混凝土的几点讨论

发布时间:2022-06-18 16:31:57点击:714

信息摘要:

虽然UHPC混凝土在学术层面的讨论还在不断进行之中,各标准对此均有所反映,但总体而言,它是一种比高性能混凝土更具优越力学性能(强度和耐久性)的水泥基复合材料。UHPC除具有超高强的抗压强度外,还具有优良的耐久性和一定的抗拉能力,但是抗压强度依然是其最主要的技术指标。

一、UHPC混凝土最低抗压强度

UHPC混凝土

UHPC除具有超高强的抗压强度外,还具有优良的耐久性和一定的抗拉能力,但是抗压强度依然是其最主要的技术指标。


各国标准所规定的UHPC最低抗压强度指标不尽相同。早期标准均定得较高,如法国(AFGC)2001年和2013年的指南、日本 (JSCE)2004年的指南均定为150MPa,韩国2012年的指南更是高达180MPa;然而,极高的抗压强度在工程上难以充分发挥作用,为推广应用,近年来最低强度要求有降低的趋势,如法国的NFP-18-470 定为130MPa,瑞 士 SIA 2052和美国ASTM C 1856/1856M-17定为120MPa。目前,120MPa和130MPa认可度较高,同时有个别专家认为,强度只有120~130MPa时,不能称之为超高性能,而只能是超高强度。因为只有耐久性好,才能称为超高性能,而且耐久性好则材料密实性必然好,强度也自然更高。在现有标准中,中国的GB/T 31387-2015定得最低,仅为100MPa,这也引起国际同行的争议。


由于各标准中所采用的强度测试试件形状、尺寸并不一致,且形状、尺寸效应存在着换算关系,换算后各标准对UHPC最低强度的要求与换算前相比数值有所变化,但大小序列并没有改变。有学者认为,100MPa抗压强度的混凝土采用高性能混凝土的方法可以制备出来,因此,将其定为UHPC最低强度是偏低的;同时,UHPC因为要达到优良的耐久性,采用低水胶比获得高于100MPa抗压强度并无困难,而且强度定低了也不见得能取得经济效益,因此,建议中国的UHPC抗压强度最低要求可定在120~130MPa之间。


二、UHPC定义


虽然UHPC在学术层面的讨论还在不断进行之中,各标准对此均有所反映,但总体而言,它是一种比高性能混凝土更具优越力学性能(强度和耐久性)的水泥基复合材料。


在分析总结各国标准基础上,有学者提出的UHPC定义为“与高性能混凝土相比,具有高强度、 高耐久性和拉伸延性的水泥基复合材料,并且掺入用于提高开裂后拉伸延性的纤维或纤维网,28d抗压强度至少120MPa”。


首先,对UHPC材料本质的认识,目前有两大观点:一种观点认为它仍然是混凝土的一种;另一种观点认为它是一种不同于传统混凝土的水泥基材料。具体体现在UHPC名词中,前者认为它的C是指混凝土(Concrete),后者认为它的C是指水泥基材料(Cement-based Material)。大部分学者和标准中C用的是前者,也有学者持后者的观点。实际上后者的说法在2004年德国卡塞尔第1届UHPC国际会议上得到许多专家的认可,虽然UHPC仍沿用混凝土名称,但却可以认为是一种新的材料,即新一代水泥基建筑材料。


其次,关于UHPC是否一定要用纤维增强,也有不同的看法。在许多研究中,UHPC包含有纤维增强和无纤维增强的2种材料,以探究纤维作用;另外,在钢管UHPC受压构件中,管内UHPC也可以不用纤维增强,因为钢管约束作用能提高管内UHPC的韧性。另一种观点认为,UHPC一定要有纤维增强,并应称为 UHFRC,不能省去FR(Fiber Reinforced,纤维增强)。法国、瑞士等规范均采用UHPFRC,有时在名词中还要加上 “复合” (Composite)来强调它是由基体和纤维组成的材料。


最后,也有学者认为UHPC应具有开裂后的拉伸延性。对此,也有不同的看法。UHPC不仅具有一定的抗拉强度,且由于纤维的桥接作用,受拉开裂后具有一定的拉伸延性,许多学者研究认为UHPC受弯结构设计应考虑其抗拉强度。设计中考虑抗拉强度后,对UHPC的拉伸延性就必然提出要求。然而,另有观点认为UHPC的抗拉强度并不高,贡献不大,且它与浇注方向等施工工艺直接相关,实际工程中不易控制,为简化计算和偏安全考虑,不必考虑抗拉强度的贡献。如果设计中不考虑抗拉强度的贡献,则对UHPC的拉伸延性没有必要提出要求。


三、UHPC应用


随着标准制订的不断进展,经济性越来越成为影响UHPC推广应用的关键。在现有应用中,马来西亚和越南的桥梁应用具有较好的一次性投资经济性,其余大部分的造价均较高。许多学者在替代材料方面展开研究,研究结果显示,单价较高的钢纤维和硅灰的替代效果仍不理想。有学者认为,UHPC就应该保持其超高的性能,不能为取得经济性去降低其品质,尤其是工业废料和机制砂等原材料质量不稳定,给UHPC质量控制带来困难。应将UHPC视为功能性材料,并通过结构创新来取得综合经济效益。


UHPC比高性能混凝土具有更高的抗压强度和抗拉强度、更好的耐久性。部分应用中可以综合发挥各种性能优势,如在桥梁主体结构以及钢-UHPC组合桥面板等。然而一些实际应用中,这3个优势不一定能同时发挥作用,而是偏重某些性能的发挥,如对于某些通过发挥抗拉优势、省去普通钢筋和箍筋的应用存有争议,认为这可能会导致结构脆性破坏。


UHPC在工程结构应用时,有些是简单的替代性应用,即保持结构形式基本不变,仅用UHPC替代普通或高性能混凝土,或替代钢材。另一些则是强调结构或造型的创新,如人行桥,将栏杆做成结构的一部分,形成U形梁。该形式在许多人行桥中得到应用。


中国UHPC研究开展并不晚,但早期的实际应用极少,若置于中国大规模工程建设的背景下,更显得滞后。中国目前仍处于大规模建设时期,在国际上被认为是UHPC最大的市场。同时,中国是微细钢纤维主要生产国,且造价较低,成为中国UHPC推广应用一个有利条件。然而,对新材料应用的畏难和怕担责任等情绪使得工程创新应用难度增加。如何取得突破,还有待各方面的努力。


四、UHPC标准


近年来,有关UHPC的标准制订在不断推进之中,将为中国UHPC应用提供重要的技术保证。然而,随着中国工程建设标准体系的改革和团体标准应用的推进, 有关UHPC标准的制订呈井喷式现象对UHPC推广应用是否只是利好而无副作用,目前还难以断言。

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