吉弗雷怎么样 混凝土技术新进步：高性能混凝土与纤维增强混凝土的发展

吉弗雷怎么样 混凝土技术新进步：高性能混凝土与纤维增强混凝土的发展

一、简介

混凝土技术正在“以新的方式进步，以克服传统混凝土的局限性，例如高性能混凝土（HPC）[1]、[2]、[3]、[4]。 HPC不仅具有更高的强度；具有较好的耐久性、抵抗各种外界因素的能力和快速的硬化速度，性脆，抗拉强度低且抗开裂和扩展。延展性差是主要缺点[1]、[2]、[5]、[6]、[7]、[8]。纤维增强混凝土（FRC）的概念是用钢纤维、玻璃纤维和合成纤维发明的。 、聚乙烯纤维、碳纤维等纤维增强脆性水泥基浆料”[9]、[10]、[11]、[12]。

由于缺乏钢筋和/或箍筋，混凝土浇筑可能“在某些钢筋混凝土 (RC) 中”。这些挑战会影响振动质量并降低混凝土质量。自密实混凝土 (SCC) 的开发是为了解决这些问题，提供优点（例如减少施工现场噪音和更快的浇注速度，特别是在快速变化的环境中）以及一定的根据图 1 [14]，可以想象，基于混凝土的常见机械和流变特性 [14]， [15]、[16]、[17]、[18]、[19]开发了一种称为 UHPC 的新型混凝土。

图1.混凝土的分类：SCC（自密实混凝土）、HPC（高性能混凝土）、FRC（纤维增强混凝土）、UHPC（超高性能混凝土）[14]。

法国工程师发明了UHPC，它具有“高抗压强度、高抗拉强度和拉伸载荷下的延展性”。由于该混凝土具有高延性特性并且在骨架中使用了细骨料，因此可以在不使用常规钢筋的情况下用于弯曲薄构件。图2描述了几种混凝土中水泥浆的体积比例。可以看出，UHPC 中的粉末量比 SCC 和 HPC 中的粉末量大，“这意味着混凝土骨架中存在更细的梯度[20]、[21]、[22]、[23]。

图 2. 几种混凝土中的构件体积分数。 HPC（高性能混凝土）、SCC（自密实混凝土）和 UHPC（超高性能混凝土）。请注意，给出的百分比是估计值，取决于许多其他因素。

改编自 、 和 [24]。

2、超高覆盖发展

混凝土是“地球上使用最广泛的合成物质，在不久的将来仍将保持高需求。全球混凝土产量估计每年将超过 60 亿立方米，其中中国目前约占全球混凝土产量的 40% [25 ],[ 26], [27], [28], [29], [30], [31] 混凝土的优越性能，如强度和耐久性、能够以各种形式铺设和低成本，使得这是一个重要的选择建筑行业中最著名和最重要的材料通常是混凝土，因为它具有高抗压强度[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。 ], [40],[41] 在过去的几十年里，混凝土开发领域取得了长足的进步，以提高混凝土的抗压强度（图 3）。描述了过去 40 年来混凝土技术的主要成就[42]。

图3 混凝土抗压强度的发展已有100多年的历史[42]。

图中显示，20世纪60年代混凝土技术进步缓慢，“最大抗压强度从15兆帕到20兆帕。大约十年间，混凝土的抗压强度从45兆帕增加到60兆帕。由于现有技术壁垒的减少对于水机而言，混凝土强度在 20 世纪 70 年代初达到峰值约 60 MPa，当时现有的减水剂无法进一步将水降低至 10 MPa。粘合剂比率 (W/B) [43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48] 20 世纪 80 年代发现可以使用称为超增塑剂 (SP) 的高范围超增塑剂。 W/B 逐渐降低至 0.30 被认为是非法的，直到 Bache [49] 表明用高剂量将 W/B 降低到 0.16 以下是可行的。 SP 和硅粉 (SF)，通过控制颗粒骨架的粒度分布，使用压实颗粒材料实现高达 280 MPa 的混凝土抗压强度“因此，所产生的材料具有最少的缺陷，例如微裂纹。和相互连接的孔隙空间”，以实现最终的强度和耐久性增益。

这些技术进步，加上“低孔隙率材料的基础知识”，导致了具有非凡机械性能的超高性能波特兰水泥基材料的发展。一般来说，UHPC的演变可分为四个阶段： 20 世纪 80 年代、1980 年代、1990 年代”以及 2000 年后。

20世纪80年代之前，由于缺乏现代技术，UHPC的生产仅限于实验室，需要真空混合和热固化等独特工艺。据报道，在此期间，研究人员尝试了多种技术来生产更密实的混凝土，以提高其强度。真空搅拌结合温度养护可以将混凝土的抗压强度提高到[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]。由于抗压强度高，“准备工作既耗时又耗能。

无微缺陷水泥（MDF）于 20 世纪 80 年代初发明[58]。 “中密度纤维板技术中使用聚合物来填充孔隙并消除水泥浆中的所有缺陷。此过程需要特定的制造条件，例如通过滚筒将材料层压在一起。中密度纤维板混凝土的抗压强度可达10%。然而，由于原料成本高、制备方法困难、蠕变大、脆性大，其使用受到限制[58]。他[49]在引入MDF后开发了致密硅石颗粒水泥（DSP）。与MDF不同，DSP不需要苛刻的生产条件。增加的颗粒堆积密度消除了DSP混凝土的缺陷。 DSP由SF组成，经热压固化，最大抗压强度可达345. MPa。尽管强度增加，但这些材料变得更脆。 20 世纪 80 年代添加了钢纤维，以帮助改善 DSP 混凝土的脆性。这种钢纤维混凝土是一种非常新颖的材料。显微组织、极高的强度、优异的耐久性和优异的延展性。致密增强复合材料 (CRC) 和浆料渗透纤维混凝土 (CRC) 是 DSP 后不久出现的两个值得注意的例子。然而，由于缺乏有效的SP，CRC和CRC都存在阻碍原位应用的可行性问题[59]。

和[50]在20世纪90年代开发了RPC，使用“通过热处理提高细度和反应性的组件。RPC是UHPC发展的重要一步。它的概念基于以非常密集的方式排列的多个颗粒。RPC是一个实验室也是现场试验中最常用的UHPC类型，具有高粘结剂含量、极高的水泥含量、极低的W/C，以及使用SF、细石英粉、石英砂、SP和钢纤维[50]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]。钢纤维通常长12.5毫米、直径180毫米[50]。 RPC 的抗压强度范围为 200 MPa 至 800 MPa。表 1 显示了所提出的 RPC 的一般成分和机械性能。 [50]. 与它的前辈不同，RPC 具有特别好的可用性，这是大规模水泥基材料应用的一个优势和最重要的标准。第一个使用 RPC 技术创建的 UHPC 于 20 世纪 90 年代末以“World First”的名义出售。如图 4 所示，RPC 结构是 1997 年为加拿大舍布鲁克的一座人行天桥创建的 [65]。这是第一次使用RPC来构建整个框架。生产成本太高，应用仍受到限制。

表 1. UHPC 机械性能和典型成分 [50]。

制造成分(kg/m) 3)RPC 800

波特兰水泥

第955章

1000

细砂（150–600 毫米）

1051

500

硅粉

239

230

石英粉 (d50= 10 毫米)

–

390

钢纤维

168

630

总水量

162

190

高效减水剂（聚丙烯酸酯）

15

19 号

热处理

20℃/90℃

250–400 摄氏度

预设加压

–

–

抗压强度（兆帕）

170 – 230

490 – 680

弯曲强度（MPa）

25-60

45 - 102

图 4. 加拿大舍布鲁克人行桥 [66]。

“自 2000 年以来，UHPC 的发展已经取得了长足的进步。工程师们了解到，随着混凝土技术的进步，高级混凝土应该具有比高强度更有用的性能，这导致了 UHPC 和 HPC 术语[66]。为了满足越来越多的用途，人们发明了各种各样的创新混凝土配方。目前，不同的研究人员正在提出可持续的 UHPC 配方。降低材料和启动成本[67]。补充胶凝材料，如粉煤灰（FA）、粒化高炉矿渣（GGBS）、稻壳灰（RHA）、SF等[68]、[69]、[70]，用于替代可持续UHPC生产中的部分水泥并减少现有的水泥用量。也有人指出，UHPC 可以使用标准温度固化来制造，而不会牺牲其性能。由于成本合理且环保的UHPC的出现，自2000年代以来UHPC的应用变得越来越流行。法国有多个国家参与了各种UHPC应用，例如桥梁、外墙和楼板。 ，是使用 UHPC 创建的 [71]。 UHPC 也越来越多地用于维护和改善美国的道路基础设施 [72]。建筑领域 UHPC 开发的重大活动 [73]。在瑞士，UHPC主要用于原位结构加固[74]。荷兰和西班牙已建造了由 UHPC 制成的桥梁 [75]。作为可持续桥梁建设战略的一部分，自 2010 年以来，马来西亚总共建成或正在开发 113 座 UHPC 桥梁 [76]。

3.UHPC生产原理

许多研究人员“在过去15年里将UHPC开发到可以应用的程度，这是令人印象深刻的混凝土进步。UHPC的抗压强度可以高达200 MPa。生产超高强度和厚混凝土的基本概念微观结构首次提出于 20 世纪 80 年代 [49]，然而，在引入高效 SP 后取得了实际突破，它允许使用大多数最佳填充的超高强度混凝土。易流动的混凝土可限制复合孔隙率，同时利用极低的“w/b”。

一些科学家[16]、[50]、[67]、[77]、[78]“已经确定了UHPC的基本设计思想，可以描述如下：（i）通过优化粒子混合物来减少w (ii) 使用凝固后热处理增强微观结构，加速 SF 的火山灰反应并提高机械性能。 (iv)通过添加足够体积分数的小钢“纤维”来改善延展性。

前四个原则导致“混凝土具有极高的抗压强度，钢纤维的添加增加了混凝土的抗拉强度和延展性”[50]。

4、原材料

胶凝成分“石英粉、石英砂、聚羧酸醚、减水剂（PCE）、外加剂、水和纤维是UHPC掺量的成分。石英砂具有UHPC骨架中最大的颗粒元素，而石英粉用作UHPC用量的成分。”由于其细小的尺寸而成为填料，据观察，UHPC 的较高组成（占细材料和粘合剂总重量的一半以上）已成为一个关键因素[79]，其值为3 至 1300 kg/m3 之间为 1100 kg/m，如图 5-a 所示。

图 5. UHPC 组分的相对频率雷达图：(a) 粘合剂和水泥 (kg/m3)，(b) SF 和 QF（石英粉）水泥重量比 (%) [88]。

制造 UHPC 的主要方面“是优化其混合材料的微观和宏观性能，以确保机械均匀性、最大颗粒堆积密度和小缺陷尺寸 [2], [80]。 UHPC组成的选择不应局限于不同的结晶颗粒尺寸相对比例，还应包括适当选择具有足够物理和化学性能的颗粒材料。表 2 显示了一些市售的 UHPC 混合物。资料显示，UHPC通常使用大量水泥、SF和沙子。尽管UHPC的初始成本明显高于传统混凝土，但它降低了材料成本。为了实现 UHPC 的所需性能，人们付出了巨大的努力。

表 2. 商业超高覆盖率组合物。

混合料（kg/m） 3）钢纤维抗压强度（MPa） 坍落流动度（mm） 裁判

空单元格

水泥发顺丰沙QP水SP

空单元格

空单元格

空单元格

空单元格

卡夫®

第758章

–

第497章

第733章

295

158

13

140

200

–

[81]

中体科®

1050

–

268

514

–

180

44

第470章

205

–

[58]

下沉

640

160

176

1000

–

150

32

156

162

165

[82]

BSI®

1114

–

169

1072

–

209

40

234

175

640

[83]

炕

800

–

200

880

200

200

9.6

–

140

255

[84]

导管®

第712章

–

第231章

1020

211

109

31

156

149

180±20

[85]

加内什

960

–

144

1017

115

163

34

156

116

183

[86]

猛

第712章

221

第231章

1020

–

164

6.5

156

135

275

[87]

4.1.水泥基成分

4.1.1.硅酸盐水泥

“常规混凝土”中使用的水泥类型包括I型至V型和白水泥，根据环境条件和应用，所有这些都可以用于建造UHPC[89]。由于 C3S 含量高且布莱恩细度高，III 型水泥和白水泥是最常用的类型，因为它们可以快速凝固和强度发展 [90]、[91]。如果不需要高早期强度，但需要低收缩，则可以选择 I 型水泥，因为其成本高且反应性低。图5-a显示了“水泥含量”的相对频率图。

4.1.2.硅粉

SF 可以提到，“火山灰特性是 UHPC 生产的重要组成部分。 SF源自二茂铁合金的制造，本质上是一种工业衍生物[92]，它导致浆料和骨料之间的界面过渡区（ITZ）[93]。研究发现，在UHPC生产中不使用SF时，水泥水化反应会加速，可能导致水泥基体中出现孔隙，从而降低硬化体力学性能[94]。最佳的 SF 含量在很大程度上取决于 W/C，这会降低新鲜条件下的可加工性和稳定性 [95]。据报道，最佳 SF 浓度为波特兰水泥重量的 20%。至 30% [96]。根据Chan和Chu的研究[96]，愤怒的增加与抗压强度的增加直接相关。在图 5-b 中，创建了雷达图来演示 SF 与水泥“重量的关系。

4.1.3.稻壳灰

RHA 是一种“通过燃烧稻壳产生的农业废物。当稻壳在规定条件下燃烧时，它含有 90-96% 的无定形二氧化硅，是一种高反应性火山灰。RHA 的平均粒径通常在 5 至 5 之间变化。 10 lm，具有极高的比表面积（甚至超过 250 m2/g），根据 Van Tuan、Ye 的说法，这种巨大的表面积是由 RHA 的棱角和多孔性质造成的。 Van 和 Dai Bui [97]，UHPC 与 RHA 结合（平均尺寸范围为 3.6 至 9 lm）在标准固化条件下表现出超过 150 MPa 的抗压强度，如图 6 所示，在 28 d 和 91 d 时，平均3.6 lm 样品的粒径分别达到 180 和 210 MPa”。

图 6. 不同粒径的 20% RHA 的 UHPC 抗压强度与时间的函数关系，w/b 比 = 0.18 [97]。

Van Tuan、Ye、Van 和 Dai Bui [97] 还“发现含有 10% RHA 和 10% SF 的 UHPC 比不含 RHA 或其他组合的 UHPC 具有更高的抗压强度。作者将此归因于 RHA 物理填充和水井效应 由于其粒径介于水泥和硅粉颗粒之间，其多孔结构可吸收一定量的水，以供后续水泥“水化”。

4.1.4.纳米粒子

UHPC 已“通过纳米二氧化硅 (nano-SiO) 2)、纳米钴 3)、纳米氧化钛 (nano-TiO) 2) 和纳米铁 (nano-Fe 2O3) 等纳米颗粒得到增强它们比其他混凝土材料具有更高的表面积与体积比，如图7所示。同时，由于它们的高反应性，它们可以作为水泥相的核心，进一步促进水泥水化，并作为纳米增强材料和/或填料、致密的微观结构和ITZ，从而减少“孔隙率”[98]。

图 7. 混凝土颗粒尺寸和比表面积 [104]。

此外，如图“图”所示。如图8-a所示，NC已被观察到增强了屈服应力和表观粘度。这是因为NC纳米颗粒可以填充水泥颗粒或浆体团聚体之间的空间，并且增加的物理接触位点可以改善UHPC流变性[99]。然而，当使用固定分散方法时，过量的纳米填料可能会因颗粒之间的弱粘附力而导致团聚[100]，从而引入孔隙率增加的缺陷，如图8-b[101]所示。为了实现均匀分散，主要使用两种方法：（1）超声波空化，产生高剪切力，将颗粒团聚体分解成单独的分散颗粒[102]，以及（2）添加表面活性剂，将纳米颗粒分离到疏水表面。材料被转化为亲水表面，以便更好地分散在“水相”中[103]。

图 8. 具有纳米级填料的 UHPC：(a) NC 颗粒对水泥浆流变性的影响 [105]； (b) 团聚的 NC 颗粒 [106]。

4.2.聚合

4.2.1.粗骨料

等[50]提出了“生产UHPC的基本概念，其中一般避免粗骨料（即大于4.75毫米）。这是由于粗骨料的负面影响：（1）粗骨料的角度降低了初始UHPC 密度的积累[107]； (2) 骨料之间接触处的应力集中导致 UHPC 基体弱化 [108]； (3) 粗骨料与 UHPC 基体之间的 ITZ 为比砂和UHPC基质之间的强度弱”，如图9所示[109]。

图9.粗骨料与UHPC基体之间的ITZ示意图[109]。

然而，“在UHPC中利用粗骨料”具有以下优点：（1）减少凝胶浆的体积，从而提高弹性模量并减少收缩，如图所示。 10-A[110]； (2)提高抗穿透冲击能力[111]。玄武岩和石灰石因其低成本、高弹性模量和惰性而被使用[109]。然而，当骨料最大粒径从3 mm增加到16 mm时，28天抗压强度和抗拉强度分别下降了10%和15%[107]，如图所示。 10-b。

图 10. 粗骨料对 UHPC 性能的影响：(a) 自收缩 [110]； (b) 抗压强度和抗拉强度[107]。

4.2.2.精细聚合

河砂是最常用的替代石英砂的细骨料[59]。而河砂的粒径范围为0毫米至4.75毫米，最大粒径是细石英砂的5-8倍。因此，用河砂完全替代细石英砂可以降低颗粒堆积密度，并使用更细、更均匀的砌筑砂（粒度范围：0-2 mm）来改善颗粒堆积[87]。 。另一方面，砌筑砂是通过破碎和研磨粗骨料生产的，会产生比河砂更多的棱角颗粒，从而降低了UHPC的可加工性[112]。砂和建筑砂的平均粒径较大，导致砂和 UHPC 基质之间的 ITZ 较弱 [87]。为了最大限度地减少 ITZ，应该“优化”颗粒填料。

石灰石砂价格低廉、成分均匀、储量巨大、全球供应[113]。 Yang、Yu、Shui、Gao、Xiao、Fan、Chen、Cai、Li和He[114]证明了使用回收岩粉代替细石英砂制备UHPC的可能性。根据杨、于、水、高、肖、范、陈、蔡、李、何[114]，UHPC的原始单位体积。成本降低40%，且不影响加工性能或机械性能。

最近，轻质多孔砂，如轻质砂[115]和火山砂[116]，已被用于制造UHPC。这种砂子的多孔性质允许 UHPC 内部固化。如图11所示，预饱和的内部固化剂（即多孔砂）在混凝土搅拌过程中保留固化水，并在混凝土水化过程中释放它。通过增加IRH，水泥水化程度增加，而自干效果降低[117]。在开发具有低收缩率和高机械性能的UHPC方面，内部湿气固化比外部湿气固化更成功[115]。

图 11. 图表显示了 UHPC 中使用的内部固化剂的机理 [115]。

4.3.高效减水剂

UHPC c" 中的典型 w/ 在 0.14-0.20 范围内。对于 UHPC 最有效的 SP 是聚羧酸盐 (PC) [118]。发现侧链的长度对延迟时间的影响最大，而侧链的密度对加工性能影响最大，最大[119]和[120]有效地使用八种不同类型的PC基料对UHPC的新鲜和硬化性能进行了研究，如图所示。如图 12 所示。凝结时间的较大变化是早期强度发展的良好指标。含有长侧链长度的 P5 和 P11 的混合物在早期强度方面优于介质。侧链长度与压缩强度完美匹配的混合物。 、、-和[121]研究了0.5%至2.0%的PC用量对UHPC微观结构的影响，发现胆石相含量显着降低。 PC用量范围为1.8%~1.2"%。

图12.各种高效减水剂对UHPC新硬化性能的影响[120]。

如图所示，PCE头的“负电荷”被吸附在水泥颗粒的表面上。 13-a，吸收的 PCE HRWR 侧链分散的水泥颗粒之间的空间屏障[122]。由于基于烯丙醚的 HRWR 的立体化学，选择它来吸收和分散硅粉颗粒。然而，如图13-b所示，凝胶颗粒上吸收的HRWR减慢了水合反应，从而延长了凝固时间并降低了早期机械强度。

图13. PCE HRWR对UHPC的影响：(a)空间排斥效应的基本机制[122]； (b)水合作用延迟[123]。

4.4.纤维

如前所述，“UHPC优异的延展性和抗冲击性得益于选择合适的纤维。混凝土中应用最广泛的纤维的参数如表3所示。表4显示了用于制造的纤维的物理和机械性能。由于钢和碳纤维具有更好的拉伸强度，因此常用于 UHPC 基体。

表 3. 混凝土中常用纤维的典型特性 [133]。

型号 直径（微米） 相对密度（gcm-3） 伸长率（%） 杨氏模量（GPa） 拉伸强度（MPa）

钢

250–1000

7.80

0.5–4.0

200–250

280–2800

丙烯酸

5–17

1.18

9-11

16–23

800–950

石棉

加捻(T)纤维 > 长光滑(LS)纤维 > 钩状A(HA)纤维 柔韧性δ MOR和能量吸收能力T MOR 1.0%超细纤维和1.0%超细纤维组合分别比超细纤维2.0%高45.4-75.9%和48.7 –67.9%。纤维的分布和取向对机械性能有显着影响[131]。平行纵向放置的UHPC的早期开裂强度和极限弯曲强度分别比横向放置的UHPC高5.5%和61%[132]。

图 14. FRC 在拉伸应变下的软化和硬化 Park、Kim、Ryu 和 Koh [129]。

尽管 UHPC 具有优异的性能，但“制造拉伸应变能力大于 0.5%、拉伸强度大于 16 MPa 和压缩强度大于 16 MPa 的延展性强的材料极其困难 [129]。为了获得混凝土所需的这些性能，一些研究人员尝试使用几种类型的纤维，以及各种矿物掺合料，如图15所示。表4描述了建筑中使用的不同类型的纤维，以及作为它们的物理和机械性能。 Park、Kim、Ryu 和 Koh [129] 表明，在混凝土中添加混合纤维可能会导致拉伸强度在 18-20 MPa 范围内，拉伸应变能力在 0.64%- 范围内。 1.06%。

图 15. 用于开发 UHPC/ 和各种类型的纤维：(a) 卷曲和钩状纤维 [147]，(b) 剑麻纤维 [148] 和 (c) 聚乙烯醇 (PVA) 纤维 [149]，(d)直纤维 [149] 150]，(e) 波纹纤维 [15 0]，(f) 钩状纤维 [150]，(g) 硅灰石-A （长径比 3-20）[138]，（h）硅灰石-B（长径比 15）[138]，（i）硅灰石-C（长径比 156）[138]。

5. 结论

基于以上回顾和讨论，可以总结如下：

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