1、北京交通大學畢業設計（論文）開題報告題 目： 骨料特征對超高強混凝土力學性能的影響 學院： 土建 專業： 鐵道工程 學生姓名： 任闖闖 學號： 09232054 1引言超高性能混凝土，簡稱UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，也稱作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)。超高性能混凝土因其超高抗壓強度和超高耐久性等良好性能越來越受到國內外研究學者的關注。超高性能混凝土包括不含粗骨料的活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete，RPC)和抗壓強度值高于100 MPa的含粗骨料超高性能混凝土(ultra-

2、High Performance Concrete，UHPC)2種。超高性能混凝土（UHPC）是通過膠凝材料的微觀結構增強技術開發的新一代混凝土。 UHPC具有極高的抗壓和抗折強度分別超過180MPa和30MPa，卓越的耐用性比普通混凝土。 UHPC的制造需要非常低的W/B率僅僅是0.2左右，粗骨料沒有使用大量精美的粘合劑和高效減水劑，并納入鋼的超細纖維。“超高性能混凝土”包含兩個方面超高超高的耐久性和超高的力學性能。 表1：普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土（活性粉末混凝土）材料性能對比：普通混凝土NSC高性能混凝土HPC超高性能混凝土UHPC抗壓強度(MPa)20-4040-9617

3、0-227水膠比0.40-0.700.24-0.350.14-0.27圓柱劈裂抗拉強度(MPa)2.5-2.8-6.8-24最大骨料粒經(mm)19-259.5-130.4-0.6孔隙率20-25%10-15%2-6%孔尺寸(mm)-0.000015韌性-比NSC大250倍斷裂能(kNm/m)0.1-15-10-40彈性模量(GPa)14-4131-5555-62斷裂模量(第一條裂縫)(MPa)2.8-4.15.5-8.316.5-22.0透氣性k(24小時40C)(mm)3x1000吸水性(225小時)(kg/mm)2x102.4x103.5x10氯離子擴散系數(穩定狀態擴散)(mm/s)1

4、x104.9x102x10抗凍融性能10耐久90耐久100耐久抗表面剝蝕性能表面剝蝕量>1表面剝蝕量0.08表面剝蝕量0.01泊松比0.11-0.21-0.19-0.24徐變系數2.351.6-1.90.2-0.8收縮-養護后40-80x10養護后<x10無自生收縮流動性(工作性)(mm)測量坍落度測量坍落度150-155 UHPC與普通混凝土或高性能混凝土均含有粗骨料，但UHPC必須使用硅灰和纖維(鋼纖維或復合有機纖維)，水泥用量較大，水膠比很低。UHPC的組成見表2。 表2：超高性能混凝土UHPC基本組成：kg/m重量百分含量%波特蘭水泥(V型)700-101027.0-38.

5、0硅灰230-3208.5-9.5磨細石英砂0-2300.0-8.0細砂760-105039.0-41.0金屬纖維150-1905.5-8.0高效減水劑15-250.5-1.0水155-2105.5-8.0水/膠凝材料比0.14-0.27 _ _ UHPC堪稱耐久性最好的工程材料，適當配筋的UHPC力學性能接近剛結構，同時UHPC具有優良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特別適合用于大跨徑橋梁、抗爆結構(軍事工程、銀行金庫等)和薄壁結構，以及用在高磨蝕、高腐蝕環境。目前，UHPC已經在一些實際工程中應用，如大跨徑人行天橋、公路鐵路橋梁、薄壁筒倉、核廢料罐、鋼索錨固加強板、ATM機保護殼，等等。可

6、以預計，還會有越來越多的應用。2.UHPC的發展歷史隨著科學技術的發展，混凝土強度等級一直在不斷地提高，高強和超高強混凝土（6 0MPa-14 0MPa）已經成功地應用于結構工程中。目前，國際上較為通用的配制高強混凝土（100MPa）的技術為“硅酸鹽水泥+硅灰+高效減水劑”。但高強混凝土（High Strength Concrete, HSC）的抗彎抗拉強度仍然不高，必須通過配筋來增加結構的強度，而大量配筋又帶來施工澆注的困難，同時，由于混凝土收縮變形受鋼筋的約束還會引起應力，導致開裂，對耐久性產生不利的影響。在高強混凝土中，粗骨料與漿體的界面薄弱區形成的缺陷也會造成混凝土強度與耐久性的降低。

7、針對以上問題，1993年，法國Bouygues公司Richard等人率先研制出一種新的超高性能的水泥基復合材料活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC）。RPC強度高，根據組分和制備條件的不同，RPC可以分為RPC200和RPC800兩級，RPC200的抗壓強度可以達到200MPa以上，采用鋼骨料的RPC800的抗壓強度可以達到800MPa。目前RPC200已得到較廣泛的應用，而RPC800仍然只是科學家的一個夢想，未見有任何實驗數據發表。1998年8月，在加拿大Sherbrooke市召開了第一次以RPC和高性能混凝土為主題的國際研討會，會上就RPC的原理、性

8、能和應用進行了廣泛而深入的探討。與會專家一致認為：作為一類新型混凝土材料，RPC具有廣闊的應用前景。雖然RPC問世的時間不長，但因其具有良好的力學性能和優異的耐久性，在短短的幾年內，它就已經在工程建設領域里獲得了應用。世界上第一座以RPC為材料的步行橋位于加拿大魁北克省的Sherebrooke市。該橋采用鋼管RPC桁架結構，跨度60m，橋面寬4.2m。橋面板厚為30mm，每隔l.7m設置高70mm的加強肋。桁架腹桿是直徑為150mm、壁厚為3mm的不銹鋼管、內灌RPC200。下弦RPC雙梁，梁高380mm；均按常規混凝土工藝預制。每個預制段長10m、高3m，運到現場后用后張預應力拼裝而成。該橋

9、的結構設計特點是混凝土構件內無箍筋、分別在體內和體外布置預應力鋼筋，并使用不銹鋼鋼管約束RPC，以提高其強度和延性。由于采用RPC，大大減輕了自重，提高了在高濕度環境、頻繁受除冰鹽腐蝕與凍融循環作用下結構的耐久性能。由于RPC是一種專利產品，為了避免知識產權的糾紛，歐洲目前不再使用這個名詞，而改稱“超高性能混凝土”（Ultra High-Performance Concrete UHPC）。2005年和2008年在德國Kassel大學召開了兩次UHPC國際會議，深入探討了UHPC的制備、微結構特征和性能，在會上介紹了許多實際工程應用案例，并討論了相關歐洲技術標準的制訂問題。Walraven教授

10、在2009年發表了一篇綜述文章，系統地論述了UHPC的應用前景。3 UHPC配制原理UHPC是一種高強度、高韌性、低孔隙率的超高強水泥基材料。它的基本配制原理是：通過提高組分的細度與活性，不使用粗骨料，使材料內部的缺陷（孔隙與微裂縫）減到最少，以獲得超高強度與高耐久性。UHPC所用材料與普通混凝土有所不同，其組成材料主要包括以下幾種：（l）水泥；（2）級配良好的細砂；（3）磨細石英砂粉；（4）硅灰等礦物摻合料；（5）高效減水劑。(6)粗骨料。當對韌性有較高要求時，還需要摻入微細鋼纖維。3.1 提高勻質性，減少材料內部缺陷 對于大多數固體材料，理論抗壓強度值一般為其彈性模量值的0.10.2倍，但

11、實測值只有其彈性模量的（0.10.2）×10-3倍。兩者相差上千倍，其原因就是由于材料內部結構不完善、存在大量缺陷。因此要充分發揮材料的性能就必須盡量減少缺陷、提高勻質性。普通混凝土硬化前，一方面，水泥漿體中的水分向親水的集料表面遷移，在集料表面形成一層水膜，從而在硬化的混凝土中留下細小的縫隙；此外，漿體泌水也會在集料下表面形成水囊而形成裂縫；另一方面，由于骨料和硬化水泥漿體彈性模量不同（相差13倍），由于環境濕度、溫度變化而引起的變形不同，骨料與水泥漿體界面存在應力而產生微裂縫。這樣，混凝土在承受荷載作用以前，界面處就充滿了原始微裂縫。在荷載作用下，漿體與骨料的界面上產生剪應力和拉

12、應力，導致始微裂縫的擴展。隨著應力的增長，裂縫不斷生長并伸向水泥石，最終導致漿體的斷裂。為了消除上述不利影響，主要是通過以下途徑來消除缺陷、提高UHPC的勻質性：(1)去除粒徑大于1mm的粗骨料，以改善內部結構的均勻性,混凝土受到荷載作用后，粗骨料與砂漿界面處應力集中，極易引起破壞。骨料界面微裂縫的長度和寬度與骨料粒徑尺寸有關，骨料粒徑減小，裂縫長度和寬度也小。因此UHPC不用粗骨料，只用細骨料，可以極大地減少界面微裂縫的長度和寬度，同時骨料粒徑的減少，其自身存在的缺陷的幾率也減小，從而UHPC整個基體的缺陷也隨之減少。(2) 改善漿體的力學性能，強化漿體與骨料的界面。普通混凝土中的骨料和漿體

13、界面由于水分的遷移而形成一個過渡區：越靠近骨料表面，水膠比越大，水泥水化生成的Ca（OH）越富集，取向程度也越大，硬化后孔隙率也越大。因此界面過渡區是混凝土的薄弱環節。水膠比是影響過渡區的主要因素，UHPC有很低的水膠比（不大于0.2），過渡區就很薄，而且由于含有較多硅灰，可與富集在骨料周圍的Ca（OH）反應生成水化硅酸鈣凝膠而大大削弱Ca（OH）2的富集與取向；在熱處理的過程中，石英粉也會與Ca（OH）發生反應。這都會大幅度地提高漿體的力學性能。UHPC中骨料與硬化水泥石的彈性模量之比在1到1 .4之間，兩者不均勻性的影響幾乎消除。(3) 提高堆積密度。由晶體結構的研究表明，相同直徑原子進行

14、排列時，體心立方結構的緊密系數是0.68，即使最密排列的面心立方或密排六方結構，其緊密系數也只有0.74。為了進一步提高堆積密度，常在較大的單一粒徑的顆粒之間加入粒徑較小的顆粒。這樣先由直徑最大的球體堆積成最密填充狀態，剩下的空隙依次由次大的球體填充下去，使球體間的空隙減小。從而整體達到最大密實狀態。根據上述原理，在制備UHPC時，可采用以下措施來提高其密實度，降低孔隙率：（1）優選顆粒材料級配：選用相鄰兩級平均粒徑差較大，但同級內級配連續的粉末材料，使顆粒混合料體系達到最密實狀態。（2）優選與活性組分相容性良好的高效減水劑，改進攪拌條件，降低水膠比（一般控制在0.20以下），使漿體在最少用水

15、量的條件下有良好的工作性。(3)在新拌混凝土凝結前和凝結期間對其加壓可以達到以下目的：其一，擠出拌和物中包裹的空氣，減少氣孔的數量和體積；其二，當模板有一定滲透性時，可將多余的水分自模板間隙中排出；其三，可以消除在水化過程中化學收縮引起微裂縫。通過熱養護還可加速活性粉末組分的水化反應，改善微觀結構，提高界面的粘結力。3.2 改善微觀結構 在UHPC凝固后進行熱養護可以加速水泥水化反應的進程和火山灰效應的發揮。對于2OOMPa級的UHPC，進行2090的常壓養護就可以了，但這時候形成的水化物仍是定形的。但隨著溫度的升高，其火山灰效應也相應提高，UHPC的微觀結構有所改善，主要表現為大于100nm

16、孔徑范圍的有孔體積降低，孔隙得到細化。3.3 提高韌性混凝土的強度越高，脆性越大，在UHPC中摻有細微鋼纖維，可以顯著提高韌性和延性。4 UHPC的優點 利用UHPC的超高抗滲性，可替代鋼材制造壓力管道和腐蝕性介質的輸送管道，用于遠距離油氣輸送、城市遠距離大管徑輸水、城市下水及腐蝕性氣體的輸送，不僅可大大降低造價，而且可明顯地提高管道的抗腐蝕能力，解決目前遠距離油氣輸送所采用的中等口徑高強混凝土管輸送壓力不夠高，大口徑鋼管價格昂貴等問題。利用UHPC的超高抗滲性與高沖擊韌性，制造中低放射性核廢料儲藏容器，不僅可大大降低泄漏的危險，而且可大幅度延長使用壽命。UHPC現已用于海洋石油平臺的鋼結構的

17、外保護層，可大大提高水位變動區的支柱的使用壽命。UHPC的早期強度發展快，后期強度極高，用于補強和修補工程中可替代鋼材和昂貴的有機聚合物，既可保持混凝土體系的整體性，還可降低成本。UHPC強度高，抗沖擊性能好，可用于國防工程的防護結構，也可用于需要高承載力的特殊結構UHPC的高密實性與良好的工作性能，使其與模板相接觸的表面具有很高的光潔度，外界的有害介質很難侵入到UHPC中去，而且UHPC中的著色劑等組分也不易向外析出，利用這一特點可把UHPC用作建筑物的外裝飾材料。綜上所述，UHPC材料具有很高的工程應用價值和廣闊的市場前景。考慮到UHPC的經濟性，它將適用于傳統混凝土結構和鋼結構之間的領域

18、，甚至用于鋼結構占統治地位的領域。UHPC的應用，將改變傳統的設計，并將引入新的施工技術，這將會對我國的建筑業產生重大而深遠的影響。 4.1 UHPC具有非常高的強度相對于普通混凝土和高強混凝土而言，UHPC材料表現出極好的力學性能，如表3所示。 表3 不同混凝土的強度混凝土種類RPC200RPC800HSC抗壓強度（MPa）170-230500-80060-100抗折強度（MPa）30-6045-1406-104.2 UHPC具有優良的韌性摻有微細鋼纖維的UHPC的斷裂能可達到20000-40000J/m，與普通混凝土相比，抗折強度高一個數量級，斷裂能高兩個數量級以上。因而，UHPC屬于高斷

19、裂能材料,如圖1所示。 圖1 各種材料的斷裂能4.3 UHPC具有優異的耐久性UHPC的水膠比低，具有良好的孔結構和較低的孔隙率，使其具有極低的滲透性、很高的抗有害介質侵蝕能力和良好的耐磨性。4.4 UHPC良好的總體經濟性與普通混凝土或高強混凝土相比較，UHPC的單價偏高，特別是摻鋼纖維的UHPC，一次投資很大，目前只能用于一些不計較成本的結構。但是在實際工程中，UHPC的應用不僅可以減少構件混凝土用量近2/3，且結構性能更好，UHPC的應用還可以減少結構構件中的配筋量，甚至完全取消鋼筋。與具有相同承載力的鋼結構比較，UHPC結構的成本也相對便宜。由于UHPC的耐久性好，使用壽命可以更長，從

20、全壽命成本來分析，其價格是可以接受的。5 UHPC的應用與前沿研究 1)最早在工程上應用UHPC的國家是加拿大，在Sherbrooke建造了一條UHPC行人橋。2)2001年，在法國Valence建造了2條道路橋，分別為205m和225m，為運輸車輛及行人使用，如圖2所示。該橋的UHPC中，在不同部位摻入了約25一30體積含量的鋼纖維。 圖2 建造在法國Bourg-les-Valence的道路橋3) 在德國，應用UHPC建造了一座復合結構的人行橋，長135m，最大跨度40m。該橋的外貌及截圖如圖3所示 圖3 德國Kassee UI-IPC行人橋4)日本也有用UHPC與鋼復合的橋梁。另外，日本明

21、石大橋建造于神戶淡路鳴門高速公路的本州和淡路島之間的明石海峽。橋長3911 m，為三跨吊橋，中跨達I 991 m，1988年5月開工，于1998年4月完工。橋兩端錨同基礎使用了40多萬m 免振自密實混凝土(HPC)，而海上兩個主塔橋墩大量使用了水下不分散混凝土。5)建筑上采用UHPC的先進性及其特殊效果，在法國建造的高架橋收費站中可以充分體現出來。屋頂長98m，寬28m，中心厚度只有85cm；結構像一個機翼。2)廣州珠江新城西塔工程該工程高度為435m，是一座超高層建筑，大量使用了C70、C80、C90UHPC，并研發C100 UHPC，一次泵送高度超過400m,見圖4。 圖4 正在施工中的西

22、塔工程 6 UHPC的原料6.1實驗材料 含粗骨料的超高性能混凝土采用普通原材料制4)礦物摻合料試驗中使用多種礦物摻合料制備，各因素對UHPC抗壓強度的影響試驗研究由階段1和階段2完成，其中階段2僅為低水膠比(WB020)對UHPC抗壓強度值的影響，其他試驗內容均屬于階段1兩階段的試驗材料來源不同，文中均用上標大寫英文字母表示材料類型(1)粗骨料粗骨料為石灰石和玄武巖，均是由兩種顆粒粒徑范圍為510 mm和1020 mm的粗骨料以3：7的質量比混合，清洗干凈并晾曬至飽和面干狀態，壓碎指標值分別為40和35(2)細骨料細骨料采用機制砂和機制砂。其物理性能見表4。 表4 細骨料的物理性能性能指標機

23、制砂機制砂細度模數2.202.94表觀密度（kg/m)27302600堆積密度（kg/m)15901650含泥量/%4.65.5泥塊含量/%0.50.5石粉含量/%4.65.5(3) 水泥.采用52.5級早強硅酸鹽水泥，標號為PII52.5R，即52.5R和52.5R,其性能見表5. 表5 水泥性能性能指標52.5R52.5R初凝時間/min155137終凝時間/min195194抗折強度/MPa7d6.17.428d9.39.4抗壓強度/MPa7d31.437.428d57.362.0 (4)礦物摻合料試驗中使用多種礦物摻合料，分別為硅灰(Silica Fume，SF)，包括sF。和SF“；

24、粉煤灰(Fly Ash，FA)，包括FA 和FA ；礦粉(GroundGranulated Blast Furnace Slag，GGBS)，包括GGBS和GGBS ；復合硅材(Hybrid Silica Powder，HSP)，其性能見表3 (5)鋼纖維采用鍍銅鋼纖維，長度為13 mm，直徑為020 mm (6)減水劑采用聚羧酸型高效減水劑 和聚丙烯酸酯高效減水劑，固含量分別為20 和40 7配合比設計7.1配制原則通過提高組分的細度，使材料的內部缺陷(塑性狀態下的孔隙與硬化過程的微裂隙)減小到最少，包括各種材料的顆粒之間的空隙能相互填充完全，塑性狀態下的孔隙能互相進行擠壓，同時排除澆注過程

25、中引人的氣體和多余的水氣，由此獲得超高強度與高耐久性。7.2配合比試驗7.2.1試驗準備(1)根據試驗所需，把原材料準備好；(2)攪拌設備：水泥膠砂攪拌機，強制式混凝土攪拌機；(3)振動臺；(4) 電子秤、料斗各1；(5) 恒溫水浴試驗箱(0100)(6) 恒溫烘箱(0-300)(7)液壓萬能試驗機(1 000k N)、(600kN)各1個；(8) 測抗壓強度標準夾具、測抗折強度標準夾具；(9) 系列標準試模若干；(10)其它輔助工具若干。7.3試驗方法拌合物流動度的測定采用跳桌法，方法根據規范GBT24192005中的水泥膠砂流動度測定方法進行，在實際測定過程中，我們制作的拌合物因流動度好，

26、在跳桌跳動時流攤出圓盤桌面，導致擴散直徑無法測定。超高性能混凝土的力學性能根據國家標準水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)GBT176711999進行測定。7.4試驗步驟 混凝土攪拌采用水泥裹砂法，即先加入砂和20 的總用水量，攪拌2 min；然后加入水泥、硅灰等礦物摻合料，攪拌6 min；再加入粗骨料，攪拌3 min最后加入高效減水劑和剩余的水，攪拌35 min若摻有鋼纖維，則在粗骨料攪拌均勻后再加入攪拌混凝土試塊的成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，制備完成后立即用塑料薄膜覆蓋，并放置于溫度為(20±2) 、濕度約為70 的養護室。7.4.5實驗 依

27、據普通混凝土力學性能試驗方法標準(GBT 500812o02)，超高性能混凝土抗壓強度值測定試驗中加載速率取10 kNs，即約1 MPas，加載過程中保持速率恒定結果取3個試塊抗壓強度的平均值。參考文獻：1Rahman S，Molyneaux T，Patnaikuni IUltra high performance concrete：recentapplications and researchJAustralian Journal of Civil Engineering，2005，2：132O2Koizumi S，Imoto H，Sugamata T，et a1 A study on po

28、tential strength development and the hydration reaction of ultra-high-strength concreteC/Proceedings of the 8th InternationalSymposium on Utilization of High·strength and Highperformance ConcreteTokyo：Japan Concrete Institute，20083 Kojima M，Mitsui K，Wachi M，et a1Application of 150 Nmm advanced

29、performance composites to highrise RC buildingCProceedings of the 8th International Symposium on Utilization of High··strength and Highperformance Concrete，20084 朋改飛，楊娟，高育新，王斌.含粗骨料的超高性能混凝土抗壓強度的影響因素.華北水利水電學院學報.2012年第33卷第六期.5 3rd International Symposium on HPC Proceedings: October 19-22, 200

30、3 in Orlando, FL6 P. Y. Blais, M. Couture. Precast, Prestressed Pedestrian Bridge-Worlds First Reactive Powder Concrete Structure. PCI Journal,September-October 1999: 60-71.7 J. Walraven. High Performance Concrete: A Material with a Large Potential. Journal of Advanced Concrete Technology 2009, 7(2)

31、:145-1568 M. Cheyrezy, V. Maret, L. Frouin. Microstructural Analysis of RPC(Reactive Powder Concrete). Cement and Concrete Research. 1995,25(7): 1491-15009 M. Cheyrezy, V. Maret, L. Frouin. Microstructural Analysis of RPC(Reactive Powder Concrete). Cement and Concrete Research. 1995,25(7): 1491-1500

32、.10 K. lahlou, P.C. Aitcin, O. Chaallal. Behavior of high-strength concrete under confined stresses. Cement and Concrete Composites. 1992, 14(1): 185-193.11 A. Feylessoufi, F. Villieras, P. Richard. Water Environment and Nonstructural Network in a Reactive Powder Concrete. Cement andConcrete Composi

33、tes. 1996, 18(l): 23-29.12 P. Richard, M.H. Cheyrezy. Reactive Powder Concrete with high ductility and 200-800MPa Compressive strength. In: ACI Spring Convention. San Francisco, California, 1994.13 覃維祖 曹峰. 一種超高性能混凝土-活性粉末混凝土. 工業建筑.1999年第4期16-18.14 P. Richard. Reactive Powder Concrete: A New Ultra-hig

34、h Strength Cementitious Material. In: the 4th International Symposium on Utilization or High Strength/HighPerformance Concrete. Paris.1996,1343-1349.15 朱英磊. 活性粉末混凝土的性能研究及應用. 混凝土. 2000年第7期 31-33.16 馮乃謙.高性能混凝土與超高性能混凝土的發展和應用.施工技術.2009年四月.第38卷.第四期.1.目標：超高性能混凝土的設計理論是最大堆積密度理論其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積，即毫米級顆粒

35、(骨料)堆積的間隙由微米級顆粒(水泥、粉煤灰、礦粉)填充，微米級顆粒堆積的間隙由亞微米級顆粒(硅灰)填充。超高性能混凝土(UHPC)是一種力學性能超高、耐久性能優異、體積穩定性優良的新型水泥基復合材料，本實驗通過研究這種新型復合材料基本制備原理，介紹采用水泥、石英砂、礦物摻合等常用建筑原材料配制出超高性能的混凝土，并通過對比試驗，研究了礦物摻和料種類、纖維摻量以及養護工藝對超高性能混凝土抗壓、抗折強度的影響，確定了最佳配合比。2.內容: UHPC是一種高強度、高韌性、低孔隙率的超高強水泥基材料。它的基本配制原理是：通過提高組分的細度與活性，不使用粗骨料，使材料內部的缺陷（孔隙與微裂縫）減到最少，以