饒?zhí)K端,水中和,余 睿,曾志軍,潘躍進(jìn)
(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070;2.海軍工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100070)
高性能混凝土(High performance concrete,簡稱HPC)是在普通混凝土的基礎(chǔ)上,注重耐久性方面的改善得到的產(chǎn)品。HPC這個名稱,在1990年美國NIST與ACI召開的會議上首次提出。從20世紀(jì)40年代起,開始研究并解決水泥混凝土的耐久性能問題,可以認(rèn)為是HPC研究的開端[1,2]。至20世紀(jì)90年代左右,HPC的制備和應(yīng)用已在各國形成標(biāo)準(zhǔn)。
超高性能混凝土(Ultra high performance concrete,簡稱UHPC)的研究始于20世紀(jì)70年代,對于超高性能混凝土,在《超高性能混凝土技術(shù)規(guī)范:材料與檢驗(yàn)》初稿中在品質(zhì)評價(jià)方面,除強(qiáng)度外,明確對孔洞與裂縫的宏觀缺陷和抗?jié)B透性提出了要求。UHPC的概念在1994年提出,可以看作是對于超高強(qiáng)度混凝土相關(guān)研究的一個總結(jié),目前部分研究中仍沿用了活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)的名稱,大部分由于RPC已被注冊商標(biāo)而已改用UHPC。
UHPC并不是HPC的基礎(chǔ)上進(jìn)行的簡單高強(qiáng)度改造,論文接下來從制備的方法和對應(yīng)的原理及思路方面來介紹二者之間的差異。
高性能混凝土的設(shè)計(jì),主要的原則是降低孔隙率,細(xì)化晶粒尺寸,減少產(chǎn)物的不均勻性。采取的主要手段有:使用高效減水劑以降低水膠比,同時(shí)改善新鮮狀態(tài)下的顆粒聚集狀態(tài);優(yōu)化原料的粒度分布和顆粒級配來增加密實(shí)度。目前已有很多成體系的HPC配比設(shè)計(jì)方法,包括法國國家路橋?qū)嶒?yàn)室方法(LCPC),美國混凝土協(xié)會方法,基于最大密實(shí)度理論的Domone P L J方法,Bolomy修正法,全計(jì)算法等[3]。下面詳細(xì)介紹幾種較有代表性的方法。
在A?tcin P C所著的《High-Performance Concrete》書中講解了全計(jì)算法。首先是根據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度選擇合適的水膠比;然后通過飽和點(diǎn)法找到合適的水和減水劑用量,使得水的用量在保證坍落度有200 mm的基礎(chǔ)之上用量最小;在已知水膠比和水用量的前提下,可以反推得到膠材的總用量,并得出水泥和其他摻合料的用量,再根據(jù)骨料的形狀和尺寸,選擇粗骨料的用量;最后,計(jì)算所有固體的體積,取含氣量為1.5%,用砂補(bǔ)齊體積并根據(jù)各物料和飽和面干狀態(tài)的差距補(bǔ)正水的用量。該書隨后還給出了批量配比的方法并指出,這一設(shè)計(jì)方法中仍有不少內(nèi)容取決于經(jīng)驗(yàn)和觀察,并且不能預(yù)計(jì)原料的品質(zhì)和特征對于最終產(chǎn)品的影響[4]。這種設(shè)計(jì)方式即是通過經(jīng)驗(yàn)中水膠比和強(qiáng)度的線性對應(yīng)關(guān)系,在此基礎(chǔ)之上盡量控制膠材的總用量,然后用骨料補(bǔ)齊體積,可以看作是一種純經(jīng)驗(yàn)方式的總結(jié)和綜合運(yùn)用,更適用于較為普通的性能要求。美國的ACI363標(biāo)準(zhǔn)所建議的設(shè)計(jì)方式與上述方法類似,區(qū)別在于在調(diào)整水和減水劑的用量時(shí),是通過簡單實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的,僅控制不加減水劑時(shí)的坍落度在25~50 mm,并通過小量的試驗(yàn)來確定所需的水膠比和減水劑用量。
de larrard方法是結(jié)合了Feret方程預(yù)估強(qiáng)度,這個方程的參數(shù)包含了水膠比、骨料參數(shù)和水泥強(qiáng)度,是一個半經(jīng)驗(yàn)公式,較純經(jīng)驗(yàn)的方式相比,對于強(qiáng)度的估計(jì)更為準(zhǔn)確。以這一方程為參考設(shè)計(jì)水膠比和材料的比例用量后使用Farris模型(也是一個半經(jīng)驗(yàn)的模型公式)來調(diào)整水和減水劑的用量以及工作性能[5]。
Mehta和 A?tcin還提出了一種簡化的設(shè)計(jì)方法,仍然是通過預(yù)定設(shè)計(jì)強(qiáng)度來決定水膠比,粗略地將膠材和骨料的體積占比按35%和65%來確定膠材和骨料的總用量,根據(jù)用水量和預(yù)計(jì)含氣量,調(diào)整膠材的組成保證體積,并按強(qiáng)度等級選擇粗細(xì)骨料的比例,最后調(diào)整減水劑的用量以滿足工作性能的要求[6]。
另外,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,很多研究者也把數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合到了高性能混凝土配比計(jì)算當(dāng)中,使得在配比設(shè)計(jì)上結(jié)合了更多的實(shí)際問題,例如成本造價(jià)、水泥用量等問題[7,8]。
實(shí)際生產(chǎn)中,則是在確定大致配比范圍后,通過實(shí)驗(yàn)尋求最佳配比[9,10]。這也側(cè)面反應(yīng)了,這些配合比設(shè)計(jì)方法其背后的原理均有一定的經(jīng)驗(yàn)成分。
在低碳減排方面,HPC的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了對于使用回收廢料替代膠材和骨料的研究,例如使用陶瓷生產(chǎn)中拋光磨光工藝中產(chǎn)生的陶瓷廢料粉替代水泥生產(chǎn)HPC[11];利用回收的混凝土塊替代骨料等[12]。
總的來說,HPC的設(shè)計(jì)原理是在普通混凝土的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)理論上延伸發(fā)展得來的,大量借鑒了普通混凝土中有關(guān)強(qiáng)度和工作性能設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),非常注重在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性。并在此基礎(chǔ)之上,控制原料品質(zhì)、在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下盡量降低水膠比,以達(dá)到從宏觀方面降低孔隙率增強(qiáng)水泥基材料的抗?jié)B性能的設(shè)計(jì)目的。
超高性能混凝土的制備機(jī)理,以減少最終水泥石的微觀缺陷,降低孔隙率為主要目的。形成的理論體系包括細(xì)料致密法(Densified with Small Particles,DSP),Bache通過這一理論,利用高效減水劑和硅灰的組合作用,制得了強(qiáng)度達(dá)150~200 MPa的混凝土并已形成了以DENSIT為商標(biāo)的商用混凝土制品;Birchall等通過真空攪拌減少引入的氣體并使用高溫蒸養(yǎng)等手段改善水泥的水化產(chǎn)物及其微觀結(jié)構(gòu)開發(fā)出的無宏觀缺陷水泥(Micro Defect Free,MDF);以及后來在前二者的理論基礎(chǔ)之上,既使用高活性粉末,又進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)開發(fā)出的RPC(Reactive Powder Concrete),根據(jù)這一理論基礎(chǔ),目前已有了抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)800 MPa的商業(yè)產(chǎn)品[13]。下面以RPC的設(shè)計(jì)原理為例進(jìn)行介紹。
RPC的的設(shè)計(jì)原理包括,去除粗骨料增加了混凝土的均勻性,減少界面,阻止了力學(xué)、化學(xué)收縮、熱應(yīng)力等因素導(dǎo)致的裂紋的擴(kuò)張;增強(qiáng)了漿體的機(jī)械性能使之模量接近骨料,進(jìn)而消除了內(nèi)部的機(jī)械異質(zhì)性;限制砂的用量進(jìn)一步增加了密實(shí)度減少了砂作為細(xì)骨料在漿體水化時(shí)收縮帶來的孔隙率。在具體設(shè)計(jì)配比上,RPC通過粉料的堆積模型和流變實(shí)驗(yàn)來確定需水量最小時(shí)粉料的比例,再根據(jù)最小需水量和預(yù)計(jì)含氣量,利用相對密度來確定需水量。用料上,利用了硅灰的火山灰效應(yīng)并通過使用石英砂和石英粉來補(bǔ)正硅與水泥的比例來改善水化產(chǎn)物的成分組成,最后添加體積比約為2%的鋼纖維。在生產(chǎn)時(shí),對新鮮混凝土施加壓力,以促進(jìn)氣體和成漿所必須而非必要的部分水排除,同時(shí)減少化學(xué)收縮。最后,進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)以改善微觀結(jié)構(gòu)[14]。
UHPC的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的改善研究目前尚在進(jìn)行當(dāng)中。近期的一些研究表明,具體的生產(chǎn)工藝也會對RPC的最終質(zhì)量產(chǎn)生較大影響,例如Parameshwar N等指出,先混合膠材,加入大部分的水和減水劑,再加入砂等骨料,最后加入剩余水的方式比傳統(tǒng)的先混合所有固體,加入一半水和減水劑,混勻后再加入剩余水和減水劑的方式能獲得更好的工作性能,而控制制備的攪拌時(shí)間在15 min,比起攪拌20 min、25 min、30 min得到的產(chǎn)品孔隙率更低[15]。另有一些研究改進(jìn)了超高性能混凝土配比設(shè)計(jì)的理論細(xì)節(jié),例如改進(jìn)顆粒堆積模型以進(jìn)一步優(yōu)化粉料配比[16];進(jìn)一步提升原料質(zhì)量并細(xì)化熱養(yǎng)護(hù)條件等[17]。
UHPC在設(shè)計(jì)時(shí)往往還考慮了一些在其他混凝土中不常見的問題,例如由于高膠材用量而引起的自收縮問題。針對這一問題不僅已開發(fā)出了成熟的減縮劑產(chǎn)品,而且也有了使用其他工業(yè)廢料例如鐵尾礦替代水泥的研究[18]。
為了改善力學(xué)性能,尤其是混凝土的脆性,UHPC普遍使用摻雜纖維進(jìn)行增韌處理,這一類也被稱為UHPFRC(Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete)。鋼纖維在摻入U(xiǎn)HPC后,使得基體在載荷下的破壞形式由微裂紋的擴(kuò)展改變成為了鋼纖維—基體過渡界面的破壞,具體體現(xiàn)為纖維在破壞時(shí)被拉拔而出。即鋼纖維通過阻止基體中的裂紋擴(kuò)展增加了基體的韌性[19]。
從上述研究和方法中可以看出,UHPC的設(shè)計(jì)方法及其原理都是從減少微觀缺陷完善力學(xué)性能這一本質(zhì)目的出發(fā)的。有些手段如加壓熱養(yǎng)護(hù)在實(shí)際施工中并不易還原并且大幅提高了單位體積混凝土的成本,但是驗(yàn)證了UHPC的設(shè)計(jì)原則可以達(dá)到理想的效果。
HPC的設(shè)計(jì)原理上,屬于是在結(jié)合普通混凝土設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在對于強(qiáng)度、孔隙率等方面進(jìn)行改善,從而達(dá)到改善耐久性能的目的,目前理論研究已經(jīng)較為完善。相較于HPC而言,UHPC的設(shè)計(jì)方法的邏輯上則是相反的,通過可能的手段盡量降低混凝土的微觀缺陷并全面提升力學(xué)性能,再在具體的設(shè)計(jì)上兼顧實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用??梢哉J(rèn)為UHPC的制備研究仍需向?qū)嶋H工程應(yīng)用方面進(jìn)一步靠攏。
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