摘 要

本文重点论述了UHPC的制备机理以及钢纤维对含粗骨料UHPC和常规UHPC增韧增强的机理，研究了不同钢纤维掺量(0%，0.5%，1%,1.5%,2%,2.5%,3%)和 UHPC工作性、抗压强度、抗折强度和弹性模量的内在关系，以考察不同体积率钢纤维对UHPC的工作性和力学性能增强增韧效果。本文由钢纤维对UHPC工作性和力学性能的测试分析，归纳了以下几点结论：

1)钢纤维体积掺量对UHPC的工作性影响较为显著，伴随其体积掺量的增长，UHPC流动性减小。含粗骨料UHPC在钢纤维体积掺量较低区间（lt;1.5%）时流动性缓慢降低，在钢纤维体积掺量较高区间（1.5%~3%）时流动性显著降低；常规UHPC随钢纤维体积掺量(0.5%~3%)的增长，流动性缓慢降低。

2)钢纤维体积掺量对UHPC的抗压强度影响显著，伴随其体积掺量的增长，UHPC的抗压强度按一定规律提高，提高幅度与纤维体积掺量成反相关，在工作性良好且抗压强度符合条件的情况下，含粗骨料UHPC钢纤维体积掺量应控制在1%左右，其抗压强度可达134.63MPa；常规UHPC钢纤维掺量应控制在2~2.5%左右，其抗压强度可达163.55~166.37MPa，以达最大经济效益。

3）钢纤维体积掺量对UHPC的抗折强度影响显著，伴随其体积掺量的增长，常规UHPC的抗折强度较基体混凝土提高了25.34%～129.45%，钢纤维体积掺量从2.5%上升到3.0%时，抗折强度提升29.88%，提升效果显著;含粗骨料UHPC的抗折强度较基体混凝土提高了7.06%～29.21%，因其优异的经济效益和可施工性，该抗折强度增强幅度在可接受范围内。

4）钢纤维体积掺量对UHPC的弹性模量影响显著，伴随其体积掺量的增长，含粗骨料UHPC的弹性模量较基体混凝土提高了3.90%～14.22%，最高可达当49.8GPa。当钢纤维体积掺量从1%上升至2%时，弹性模量增加不明显，各掺量弹性模量平均提高率1.71%；常规UHPC的弹性模量较基体混凝土提高10.20%～24.71%，最高可达当55.0GPa。钢纤维掺量从0%上升至0.5%时，弹性模量增加显著，弹性模量提高率10.20%。

关键词：超高性能混凝土；粗骨料；钢纤维体积掺量；力学性能

Abstract

This paper focuses on the preparation methods of UHPC and the principles of toughening and strengthening of UHPC with coarse aggregate and conventional UHPC. Study on the effect of UHPC flowability, compressive strength, flexural strength and elastic modulus with different mixing amount of steel fiber (0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%), in order to investigate the effect of different fiber content on UHPC strengthening and toughening. In this paper, through the experimental research and analysis of UHPC workability and mechanical properties of steel fiber, the following conclusions are drawn:

1) Different mixing amount of steel has a certain influence on the flowability of UHPC. As the fiber content increases, the flowability of UHPC decreases. The the flowability of UHPC with coarse aggregates has a slower decrease in low fiber content(lt;1.5%). In the high content of steel fiber (1.5% ~ 3%) , UHPC fluidity with coarse aggregates significantly reduced; The fluidity of conventional UHPC slowly decreases with different mixing amount of steel fiber.

2) Steel fiber content has a significant effect on UHPC compressive strength. With the increase of fiber content, UHPC compressive strength increases according to certain rules, which is that the increase is inversely related to the fiber content. With the compressive strength meets the conditions, the content of steel fiber containing UHPC with coarse aggregate should be controlled at about 1% and the content of steel fiber containing conventional UHPC should be controlled at about 2~2.5%, for achieving the greatest economic benefits.

3) Steel fiber content has a significant effect on the flexural strength of UHPC. With the increase of steel fiber content, UHPC's flexural strength is more stable than that of matrix concrete. Compared with basic UHPC, UHPC's flexural strength is steadily improved. For UHPC containing coarse aggregates, when the volume of steel fiber increases from 2.5% to 3.0%, the flexural strength increases by 29.88%, which effects significantly. For the conventional UHPC, the matrix concrete is improved by 7.06%～29.21%, and the flexural strength increase is not obvious compared with the UHPC with coarse aggregate.

4) The content of steel fiber has a significant effect on the elastic modulus of UHPC. With the increase of steel fiber content, the elastic modulus of UHPC containing coarse aggregate is increased by 3.90% to 14.22%. When the volume content of steel fiber is from 1 to 2%, the average increase rate of each volume elastic modulus is 1.71%, which is not obvious. When the content of steel fiber volume is from 0 to 0.5%, the elastic modulus increase rate is 10.20%.

Key Words：UHPC；Coarse aggregate；Steel fiber；Mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 发展历史及研究现状 1

1.3 UHPC制备原理和影响因素 2

1.4 UHPC在工程中的运用 3

1.4.1 公路桥梁 3

1.4.2 结构维修加固 3

1.4.3 海工结构 4

1.5 本文研究目的和意义 4

第2章 实验材料、设备及流程 6

2.1 实验原料及其基本性能 6

2.1.1 水泥 6

2.1.2 硅灰 7

2.1.3 粉煤灰 7

2.1.4 矿粉 8

2.1.5 石英砂 8

2.1.5 河砂 8

2.1.6 碎石 9

2.1.7 外加剂 9

2.2 试验设备和仪器 9

2.3 配合比设计 9

2.4 试件制备及养护 10

2.5 测试方法 11

2.5.1 工作性 11

2.5.2 抗折强度 12

2.5.3 抗压强度 12

2.5.4 轴心抗压强度 12

2.5.5 静力受压弹性模量 12

2.5.5 SEM分析 13

第3章 结果与分析 14

3.1 UHPC的工作性调整 14

3.2 含粗骨料与常规UHPC的抗折抗压性能的对比研究 14

3.2.1 抗折强度 14

3.2.2 抗压强度 15

3.3 钢纤维掺量对UHPC弹性模量的影响 17

3.4 微观SEM分析 18

第4章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪 论

1.1 引言

普通混凝土是以水泥为主要胶凝材料、硅灰和粉煤灰等掺和物为补充胶凝材料，与水和骨料（砂、石）按照适当的级配配制，在均匀搅拌、浇筑成型及养护硬化等过程而成的水泥基石材。普通混凝土有着以下优点：原料廉价广泛；混凝土和钢材温度线膨胀系数几乎相同且有良好粘结性；高可塑性，根据模具塑造所需规格形状；施工简易，适用程度广泛等优势。在当代，随着建筑材料的发展，混凝土发因其优异特性逐渐展在工程上被广泛运用，成为建筑行业、桥梁及道路工程、海工工程等各领域不可或缺的复合材料。但是，因为普通混凝土自身重量比较大、高脆性低韧性和各项强度普遍偏低，在工程运用上有一定局限性；一些强度等级比较低的混凝土，在达到同样功效和目的时其使用量较大，促使自然环境资源的过渡使用，产生大量废气粉尘，对资源的开发和自然环境的污染造成了不利影响。

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简写UHPC）因超高强度、超高耐久性、高韧性为特征，成为当代建筑材料里程碑，对水泥材料性能有着质的提升{赵筠, 2014 #5}{赵筠, 2014 #5}{赵筠, 2014 #5} ^[1]。但常规UHPC的制备存在原材料成本高，拌合物粘度大，搅拌困难，不宜泵送，高温蒸汽养护困难，常温养护收缩徐变大，生产UHPC需要较大的能耗、较高的投入等方面的缺点。因此，研究发展面向实际工程应用的UHPC具有很大的工程应用价值及必要性，含粗骨料超高性能混凝土由于粗骨料的掺入，成本低廉，成型、养护过程技术要求低、耗能小，具有更高的弹性模量和抗收缩开裂能力，近年来引起了国内外越来越多学者的重视，大跨度桥梁工程中，含粗骨料超高性能混凝土还可以提高桥梁整体结构刚度，大幅度减小结构尺寸与自重，降低收缩开裂风险，延长全周期服役寿命。

1.2 发展历史及研究现状

20世纪70年代，Yudenfreund和Roy等人首次提出了低孔隙度的超高强度水泥浆的开发。在Yudenfreund的研究中^[2]，通过对Blaine表面积在6000-9000cm²/g范围内的熟料进行特殊处理，在180天下在25℃养护下获得水胶比(W/C)为0.2，抗压强度240MPa的水泥浆体。Roy^[3]等则通过在250℃和50MPa的压力下进行热固化获得具有接近零孔隙率和约510MPa的抗压强度的水泥浆体。20世纪80年代早期，随着火山灰外加剂和高效减水剂的发展，Bache^[4]和Birchall^[5]开发出两种不同类型的超高强度和低孔隙度混凝土，即小颗粒（DSP）混凝土和无宏观缺陷（MDF）致密化。 DSP混凝土表现出的抗压强度范围从120到270MPa，这是通过密集填充水泥与超细颗粒之间的空隙并使用极低的含水量来实现的。使用大量高效减水剂获得致密填料；MDF水泥浆背后的理念是在制备过程中去除宏观缺陷；因此，水泥基体抗压强度大于200MPa，抗弯强度范围在60~70 MPa（无纤维增强或高压压缩）。在20世纪90年代中期，Richard和Cheyrezy^[6]主要开发的反应活性粉末混凝土（RPC）是目前可用的UHPC的先驱。在他们的研究中，为了实现基体中的超高强度，基于填充密度理论和加热（在90℃和400℃）提供压力来优化粒状材料的尺寸。另外，为了改善基体的韧性，包括长度为13mm和直径为0.15mm的短钢纤维（1.5~3％体积），表现出200-800MPa的压缩强度和高达40kJ / m²的断裂能。

近来，超高性能混凝土备受关注和研发。在日本，59层住宅塔是第一个抗压强度为150MPa超高性能混凝土的工程建筑 ^[7]；2002年，Tsartsari A.等人成功制备出养护期2d抗压强度125MPa的UHPC，其数据表明碎石较河卵石与水泥基体更具粘结力，可充分提高混凝土的抗压强度；在中国，Pu X.C等人对超高性能混凝土进行了早期研发^[8]；抗压强度约为150MPa的超高性能混凝土成功应用于广州国际金融中心建设^[9]；东南大学着力研究超高性能混凝土的流动性和力学性能和粒径均为10 mm的不同粗骨料的关系（白玄武岩、铁尾矿和钢块），数据表明，掺入铁尾矿的UHPC流动性和力学性能高于其他试件。然而, 抗压强度大于100MPa的超高性能混凝土在投入实际施工中仍需研发。此外，高温下超高性能混凝土可能因爆裂剥落而受到威胁。因此，在中国进一步推广应用超高性能混凝土，要对超高性能混凝土力学性能进行研究，并将其作为提高超高性能混凝土抗火性能的研究的第一步。常规UHPC的制备存在原材料成本高，拌合物粘度大，搅拌困难，不宜泵送，高温蒸汽养护困难，常温养护收缩徐变大，生产UHPC需要较大的能耗、较高的投入等方面的缺点。

含粗骨料超高性能混凝土由于粗骨料的掺入，相对PRC材料成本低廉，成型、养护过程技术要求低、耗能小，具有更高的弹性模量和抗收缩开裂能力。现今，水泥基工程材料在高强高韧方向的研究报道陆续被发表，可其工程材料性能适用性前景并不算优异，表现在经济效益低，施工和制备过程复杂，为了增强增韧而使某些性能降低。因此，研究发展面向实际工程应用的UHPC具有很大的工程应用价值及必要性，其中含粗骨料UHPC近些年来成为国内外研究热点。

1.3 UHPC制备原理和影响因素

UHPC属于多孔隙不均匀的水泥基材料，孔结构是影响UHPC强度关键因素，而水泥石和骨料颗粒体系的高堆积密实度是确保UHPC高强度的主要因素。因此，掺入纤维以达增强增韧效果，增大密实度以减小孔隙率，进而优化孔结构是UHPC制备的基本机理和可行方案^[10]，UHPC性能的主要影响因素如下：

（1）优化骨料的级配，使其颗粒体系堆积方式合理致密，增大了UHPC的密实度和均匀性。

（2）掺入硅粉、粉煤灰和矿粉等超细活性矿物掺合料，发挥火山灰活性和微填充效应，填充孔隙，生成C-S-H凝胶相，降低孔隙率，优化内部孔结构。

（3）水化硬化过程中，通过加压和热养护，自收缩程度减小，将无定形的胶体状水化硅酸钙转化成充分结晶的托贝莫来石，而充分结晶的托贝莫来石转变为硬硅钙石，可极大的改良微观孔结构。

（4）发挥钢纤维桥接作用，约束和抑制材料微裂缝产生和扩展，进而改善材料延展性和提升强度。

1.4 UHPC在工程中的运用

1.4.1 公路桥梁

公路桥梁所处环境恶劣，如盐水侵蚀和冻融、Cl^-渗透导致钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀等自，受自然环境影响劣化损伤，难以确保使用寿命或经常性维修加固。UHPC提供了建造超长寿命桥梁的可能性，许多UHPC的应用研发工作也因此是围绕桥梁展开的。

国际上，2010年首个UHPC公路拱桥在奥地利V lkermarkt的地区建成^[11]，考虑到其峡谷地理协调性和构造合理性，采用强度等级为C185的UHPC建造轻质双桁架拱，构件成型期为2d，于900℃热养护3d，快速度过构件自收缩阶段。该桥长154m，拱的跨径约70m，拱高约40m，是拱桥轻型UHPC化的创新尝试和经典项目，提供了良好的借鉴模范。

近年来，我国也逐步开始了对UHPC在桥梁工程应用的研究，迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中^[12]，其简支T形梁由UHPC为主要材料制备而成，有多孔预应力的特性，是我国UPHC第一次工程上的运用。该简支T形梁使用热养护方式为蒸汽养护，所得UHPC的28 d抗压强度128.7 MPa，抗折强度22.8 MPa，取得了良好进展。此外，湖南大学的邵旭东在其桥梁项目，正交异性钢板—薄层超高性能活性粉末混凝土(RPC)组合桥面结构体系的报道中^[13]，充分证明了结构性能和疲劳断裂等桥梁难点上，超高性能混凝土较普通刚桥面板和其它组合桥面板表现出更加良好的性能。

1.4.2 结构维修加固

结构维修加固是UHPC早期的应用之一。瑞士方面针对桥梁的典型性劣化损伤，研发UHPC维修加固桥梁方法，并通过欧洲联合研究项目在欧洲各个国家广泛推广应用。其基本操作方法为：使用高压水刀处理劣化损伤或被侵蚀损伤的混凝土，替换锈蚀钢筋，在原有结构上浇筑UHPC保护层或补强层、增强层。其优点在于，构成普通混凝土内层与UHPC外层的复合双层结构，用高强高耐低渗UHPC保护普通混凝土结构免收机械荷载与环境荷载（冻融、氯盐、硫酸盐等）损伤，预期可以大幅度延长结构的使用寿命。在法国，数个水利工程和水电工程在劣化损伤结构使用UHPC维修，有良好的结构维修加固效果。

1.4.3 海工结构

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