论文总字数：16458字

摘 要

随着科学技术水平的不断发展，人们对工程质量的期望越来越高，超高性能混凝土材料因其优异力学性能和抗冲磨性能成为当前水工混凝土材料领域的研究热点。针对超高性能混凝土抗冲磨性能和体积稳定性提升问题综述了当前技术途径和方法；并对低收缩高抗冲磨超高性能混凝土的发展方向进行了展望。有望为低收缩高抗冲磨超高性能混凝土的理论研究和工程建设提供参考。

关键词：超高性能混凝土；抗冲磨性能；体积稳定性能；进展；展望

Abstract

With the continuous development of science and technology, people's expectations for project quality are higher and higher. Ultra-high performance concrete materials have become a research hotspot in the field of hydraulic concrete materials due to their excellent mechanical properties and impact wear resistance. This paper summarizes the current technical approaches and methods to improve the impact wear resistance and volume stability of ultra-high performance concrete, and looks forward to the development direction of low shrinkage and high impact wear-resistant ultra-high performance concrete. It is expected to provide a reference for the theoretical research and engineering construction of UHPC with low shrinkage and high punching resistance.

Keywords:ultra-high performance concrete；impact wear resistance；volume stability；development；expectation

目录

摘 要 I

Abstract I

目录 i

第一章 绪论 1

第二章 国内外研究现状 2

2.1抗冲磨材料 2

2.1.1无机抗冲磨材料 2

2.1.2有机抗冲磨材料 3

2.2超高性能混凝土 4

2.2.1超高性能混凝土发展历程 4

2.2.2超高性能混凝土的优点 4

第三章 超高性能混凝土性能改善方法 7

3.1超高性能混凝土材料抗冲磨性能的提升 7

3.2超高性能混凝土体积稳定性的改善 8

第四章 结论与展望 10

参考文献 11

致谢 14

第一章 绪论

随着我国西部大开发战略的深入推进和交通强国战略的实施，西部山区公路桥梁建设数量巨大，普通混凝土桥墩无法适应西部山区地势复杂，泥石流洪水等自然灾害频发所造成的严酷的服役环境。泥石流等自然灾害含有流速快、流量大、物质容量大和破坏力强的沙石，导致桥梁墩柱混凝土保护层在服役数年后出现冲击磨蚀损伤，在河流及地下水中SO₄^2-、Cl^-等侵蚀离子作用下发生钢筋锈蚀，严重影响桥梁结构安全。开发出具有优异力学性能、体积稳定性、抗冲击韧性和耐磨蚀性能超高性能混凝土结构防护层材料是目前的研究重点。

超高性能混凝土材料具有优异的力学性能、抗冲磨/冲击性能和耐久性能，能适应上述的严酷环境。但超高性能混凝土胶凝材料用量大，水胶比极低，且掺加大量活性掺合料，导致其自收缩大，体积稳定性能差，用于桥墩等水工建筑物修补加固工程时会发生收缩开裂和与旧构筑物脱空，严重影响水工建筑物的使用寿命和运营安全。为降低超高性能混凝土的收缩，提升其体积稳定性能，目前采取的主要技术措施有添加膨胀剂、内养护集料、粗骨料、减缩外加剂以及蒸压养护等。但是，膨胀剂、粗骨料和常用内养护集料如多孔陶砂等会大幅降低超高性能混凝土的抗压强度，而高性能减缩外加剂和蒸压养护等又存在技术要求高、能耗大等问题，这些缺点在一定程度上限制了超高性能混凝土的使用。本文将对这些问题进行分析归纳，为以后的科研工作者提供一定的参考作用。

第二章 国内外研究现状

2.1抗冲磨材料

抗冲磨材料在水利工程中有着广泛运用，现在经常使用的抗冲磨材料可以分为两大类：无机抗冲磨材料和有机抗冲磨材料。

2.1.1无机抗冲磨材料

混凝土材料和金属材料是无机材料的代表。混凝土抗冲磨性能的提高，实质是混凝土内部结构的致密化和均匀化。目前，针对如何提高混凝土抗冲磨强度这一问题，通常采用以下四种方法^[1-5]：（1）选用高强度骨料，提高混凝土抗冲磨性能；（2）加入合适掺合料，利用掺合料的物化性质改善混凝土内部结构，提高基体强度，进而提高抗冲磨强度；（3）添加高效外加剂，降低水胶比，优化混凝土抗冲磨性能；（4）掺入纤维，利用纤维在混凝土内部形成的网状结构，能有效地分散混凝土内部载荷及抑制混凝土内部微裂纹的扩大。因此，硅粉混凝土、粉煤灰混凝土以及纤维混凝土常被用作为抗冲磨材料。此外，还有废弃橡胶粉混凝土等新型抗冲磨材料。

硅粉混凝土之所以具有良好的抗冲磨性能，是因为硅粉作为高效的活性掺合料改善了其内部结构。硅粉混凝土的力学性能、抗冲磨性能都高于普通混凝土，但硅粉混凝土也存在一些缺点（容易开裂，早期收缩大等）。此外，随着近年来我国基础设施建设不断加快，硅粉作为优异的矿物掺合料被大量使用,硅粉逐渐有供不应求的趋势，这导致其价格不断上涨。硅粉混凝土的使用受到硅粉价格的影响，在大型工程中的工程造价提高，这使得其使用前必须考虑经济效益。

粉煤灰混凝土作为抗冲磨材料的使用也较为广泛。掺入粉煤灰后，可减少水泥的用量，导致了第一次水化热反应的降低，粉煤灰混凝土凝结硬化时间增加，从而降低了混凝土的早期强度。但随着养护时间的增加，粉煤灰进行二次水化热反应，使混凝土后期强度增加很大^[6-7]。因其具有施工简便、原材料易得、造价低廉、干缩小、和易性强等优点，粉煤灰混凝土应用广泛。

纤维混凝土是指在水泥基材料中掺入纤维材料，从而使混凝土具有抗拉伸强度高、韧性好以及优异的抗渗透性能、抗腐蚀性能等。纤维混凝土利用高强纤维在混凝土内部形成了相互连接、交叉的网络结构，阻碍了微裂缝的发生和扩展，均匀分散了混凝土的内部载荷，提高了纤维混凝土韧性、力学性能和抗冲磨性能，解决了高性能混凝土的收缩开裂问题^[8-9]。单一纤维的掺入只能有效的针对混凝土某一性能进行优化，仍无法满足一些工程建筑需求。所以人们开始了对多纤维复合增强进行研究。复合纤维混凝土比单一纤维混凝土的力学性能有很大改善。但纤维混凝土的使用往往受到优质纤维价格较高的限制，难以大规模推广。

钢材类金属材料具有极佳的延展性和极高的抗冲击韧性，以及较高的强度，这使得其被大规模的应用在建筑工程之中。小到日常的房屋建设和道路地基，大到水电大坝和地铁施工，钢材类金属材料的使用随处可见。钢材类金属材料以高强度不锈钢为主，作为抗冲磨材料，被用作为混凝土中的衬板材料，提高混凝土的抗冲磨性能，在工程应用中的效果良好。但钢材类金属材料往往会受到周围环境的影响，其会与周围环境中的氯离子、硫酸根离子等发生电化学反应，导致自身锈蚀，自身的结构被破坏，使得钢材类金属材料的强度大幅度下降，从而使工程结构受到影响，其参与的工程质量和使用寿命将会受到极大降低，严重时还会造成极大的安全事故。此外，不锈钢等钢材类金属材料价格较昂贵，在工程中的使用会使工程造价成本升高，在工程中进行使用时不得不考虑其带来的经济效益和社会效益，这在一定程度上影响了钢材类金属材料作为抗冲磨材料的使用。

2.1.2有机抗冲磨材料

有机抗冲磨材料有环氧树脂砂浆、呋喃砂浆、废弃橡胶粉混凝土等。环氧树脂砂浆是由环氧树脂和石英砂混合制成的一种高粘度浆料。环氧树脂本身的抗冲磨性能不佳，但与高强沙粒粘结形成的环氧砂浆抗冲磨性能优异。环氧砂浆具有导热慢的特点，能降低混凝土温度变化幅度，减少混凝土热胀冷缩变化范围，从而增强了混凝土体积稳定性。这使其在含砂水流中的工作性能优异，被广泛用在水利工程中。但环氧树脂砂浆的使用较为麻烦。施工时，施工操作面必须保持干燥和清洁。对表面难以清理的污垢和浮浆，需用钢丝刷洗刷或砂轮等工具清除，否则会影响环氧砂浆的黏结质量。施工进程中要注意环境温度的影响，低于施工温度时，需要采取适当的保温措施，防止低温时环氧树脂砂浆的流动性差、渗透性弱，延长环氧树脂的固化时间，导致施工进度受到影响。在我国的二滩水电站、龚嘴水电站运用了环氧砂浆进行混凝土裂缝的修补工作，均取得良好的成效。

呋喃砂浆是呋喃树脂和高强度沙石配制的砂浆材料。呋喃树脂的活性基团非常少，较难发生化学反应，这使得呋喃砂浆的耐酸性和耐碱性能极佳^[10]。与环氧砂浆相比，其力学强度和粘结性弱些，但其抗腐蚀能力优异。其施工注意事项与环氧树脂砂浆相同，都比较繁琐。尽管有机抗冲磨材料有极佳的抗冲磨性能，但是有机材料容易老化，影响施工建筑的工程质量和寿命，一定程度上限制了其应用前景。

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