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硅灰应用于200MPa超高性能混凝土(UHPC)

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  • 硅灰应用于200MPa超高性能混凝土(UHPC)

    听说万科采用混凝土做了一套外立面墙板,在开孔率超过70%情况下厚度仅50mm,见下图:


      这让很多砼行感到惊奇,是什么样的混凝土能做出如此轻盈的效果?人家说了,这不是采用普通混凝土制作的,是采用了UHPC材料,所谓UHPC,是Ultra-High Performance Concrete的缩写,也就是神奇的超高性能混凝土。

    其实国外已经用UHPC做了不少项目了:

      位于法国马赛的地中海文明博物馆也是采用了超高性能混凝土,建成于2013年,由法国建筑师Rudy Ricciotti 设计。建筑外表看似轻柔如蕾丝编织的立面,是由超高性能混凝土预制的形式构筑的。由于其具有高达200MPA的超高强度以及高流动性,通过预制可以制造出扁平,轻薄的蕾丝网状立面,阳光透过网状间隙形成涟漪般阴影,与蔚蓝的大海,天空以及周围环境相互交融。

    ▼马赛地中海博物馆


    ▼巴黎Jean Bouin体育场


      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“高性能混凝土(HPC)”的高强化,而是具有新本构关系和结构寿命的水泥基工程材料。这其中比较有代表的UHPC就是活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC,GB/T31387-2015)。


      UHPC不仅抗压强度高,其抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击强度都有跨越式提高,下图是单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力-应变特征与其他材料对比。


    • OC/HSC-普通/高强混凝土
    • FRC/HSFRC-普通/高强纤维混凝土
    • ECC-高延性水泥基复合材料


    咱中国已经用UHPC来做电线杆了,看看对比图,是不是壁厚小了好多啊!

    ▼传统混凝土与UHPC制作的电线杆对比


    ▼UHPC电线杆实际工程案例


      HPC实现的主要抗压强度范围为:70-100MPa。但是,这种等级强度的商品混凝土,粗集料已成为其薄弱的环节。为了进一步提高商品混凝土的抗压强度,只有把粗集料从其组分中去除,这种思路已被应用于当今众所周知的RPC。RPC具有比HPC更高的强度(包括抗压强度和抗弯强度)和更低的渗透性。

    RPC的基本组成

      RPC是由高细度的微粉材料(水泥、砂、石英粉和硅灰)、钢纤维(任选的)和外加剂组合而成的。科学的外加剂用量,可降低水胶比(W/B),并改善商品混凝土的工作性。通过对干微粉颗粒堆积的优化,可获得一种非常密实的基体材料,其密实度可以使RPC具有超高强度和超高耐久性,RPC的抗压强度范围为100-200MPa。


    • 1.为提高匀质性,去除粗集料;
    • 2..利用具有火山灰活性的硅灰;
    • 3.为提高密实度,需优化颗粒的混合级配;
    • 4.为降低水灰比,又提高工作性,需优化外加剂的应用;
    • 5.施加压力(凝结前和凝结过程中),提高密实度;
    • 6.为提高微结构的性能,需采用凝结后加热处理(养护);
    • 7.掺加微钢纤维,提高韧性。

      就材料的规格尺寸而言,用于RPC的细砂相当于传统商品混凝土中的粗集料,波特兰水泥起到了细集料的作用,而硅灰则起到了水泥的作用。RPC的初步配合比设计,涉及到创建一个致密的颗粒状构架。颗粒配合比设计的优化,可以通过使用堆积模型或颗粒尺寸分布软件,诸如LISA得以实现。


      目前,已有一种推荐使用的实验性方法,进行RPC的配合比设计。采用颗粒规格优化,配制RPC和HPC试验性拌合物,以良好的工作性和理想的搅拌时间为依据,选择科学的配合比设计。


      决定RPC拌合物质量的主要参数是需水量(获得低商品混凝土流动性的用水量)。事实上,拌合物的孔隙指数与需水量和商品混凝土中的气泡量有关。根据低需水量选定一种配合比设计后,就可以通过采用相对密度指数(do/ds),分析出用水量。这里do和ds分别代表商品混凝土的密实度和经捣实的拌合物(无水或空气)的密实度。相对密实度显示了商品混凝土的堆积程度,其峰值是1。就RPC而言,其配合比设计应使其堆积密实度达到很高。


      RPC需通过热养护,来提高其微结构的性能。而热养护也只是简单地在其达到正常凝结后,在常压下对商品混凝土进行加热(一般温度是90℃)。这种养护会大大加速火山灰活性反应,从而改善所形成的水化产物的微结构。凝结前的加压,也是建议采用的一种获得高强的手段。


      RPC的高强,会使其变得非常脆。一般来说,在RPC中掺加钢质微纤维,可提高其韧性。常用的标准直钢纤维长13mm,直径0.15mm,掺加率为体积的1.5-3%。比较经济的掺量为体积的2%,约155kg/m3。

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