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)，是過去三十年中最具創新性的水泥基工程材料，實現工程材料性能的大跨越。
基本介紹
- 中文名：超高性能混凝土
- 外文名：Ultra-High Performance Concrete
簡介,性能參數,
簡介
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)，是過去三十年中最具創新性的水泥基工程材料，實現工程材料性能的大跨越。
“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(詳見表1－普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土的性能對比)：
性能參數
表1：普通混凝土、高性能混凝土和超高性能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) | 20-40 | 40-96 | 120-180 |
水膠比 | 0.40-0.70 | 0.24-0.35 | 0.14-0.27 |
圓柱劈裂抗拉強度(MPa) | 2.5-2.8 | -- | 4.5-24 |
最大骨料粒經(mm) | 19-25 | 9.5-13 | 0.4-0.6 |
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(kN·m/m) | 0.1-15 | -- | 10-40 |
彈性模量(GPa) | 14-41 | 31-55 | 37-55 |
斷裂模量(第一條裂縫)(MPa) | 2.8-4.1 | 5.5-8.3 | 7.5-15 |
極限抗彎強度(MPa) | 18-35 | ||
透氣性k(24小時40C)(mm) | 3x10 | 0 | 0 |
吸水率 | <10% | <6% | <5% |
氯離子擴散係數(穩定狀態擴散)(mm2/s) | -- | -- | <2x10e-12 |
二氧化碳/硫酸鹽滲透 | -- | -- | -- |
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 |
徐變係數，Cu | 2.35 | 1.6-1.9 | 0.2-1.2 |
收縮 | -- | -- | -- |
流動性(工作性)(mm) | 測量坍落度 | 測量坍落度 | 測量坍落度 |
含氣量 | 4-8% | 2-4% | 2-4% |
超高性能混凝土的設計理論是最大堆積密度理論(densified particle packing)，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(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(矽灰)填充。早在1931年，Andressen就建立了最大堆積密度理論的數學模型。然而，直到上世紀七十年代末，在高效減水劑技術與產品性能大幅度提高的基礎上，採用該模型設計配製的第一代超高性能混凝土才在丹麥奧爾堡Cement og Beton Laboratiet(水泥與混凝土試驗室)誕生，稱作CRC(Compact Reinforced Composite，密實增強複合材料)。CRC與目前的UHPC達到基本相同的力學性能，最高抗壓強度超過400MPa，使用燒結鋁礬土作骨料，同時使用鋼纖維提高材料的韌性，所以稱作“複合材料”。受到當時高效減水劑性能的限制，CRC或早期UHPC比較粘滯，振搗密實較困難，還不便於現澆套用。上世紀九十年代，歐洲開展了合作研究項目，世界各地也廣泛開展相關研究，這種材料獲得一個新名稱“活性粉末混凝土，簡稱RPC”。“超高性能混凝土UHPC”的名稱形成於本世紀，因為與早期的CRC或RPC相比，隨著設計理論的完善、超高效減水劑(聚羧酸系)問世和配製技術的進步，這種材料已具備了普通混凝土的施工性能，甚至可以實現自密實，可以常溫養護，已經具備廣泛套用的條件。
UHPC與普通混凝土或高性能混凝土不同的方面包括：不使用粗骨料，必須使用矽灰和纖維(鋼纖維或複合有機纖維)，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（鋼纖維）基本組成
kg/m3 | 重量百分含量% | |
水泥 | 700-1010 | 27.0-38.0 |
矽灰 | 230-320 | 8.5-9.5 |
磨細石英砂 | 0-230 | 0.0-8.0 |
細砂 | 760-1050 | 39.0-41.0 |
金屬纖維 | 150-190 | 5.5-8.0 |
高效減水劑 | 15-25 | 0.5-1.0 |
水 | 155-210 | 5.5-8.0 |
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特別適合用於大跨徑橋樑、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套用，如大跨徑人行天橋、公路鐵路橋樑(實例見表3)、薄壁筒倉、核廢料罐、鋼索錨固加強板、ATM機保護殼，等等。可以預計，還會有越來越多的套用。
表3：法國第一座UHPC（鋼纖維）公路橋樑混凝土組成和性能
組成材料 | kg/m3 | 性能 | |
水泥 | 1114 | 坍落流動度 | 630～640 mm |
矽灰 | 169 | 28d 特徵抗壓強度(fck) | 175 MPa |
0-6mm骨料 | 1072 | 28d 特徵抗拉強度(ftk) | 8 MPa |
纖維： 0.3mm直徑x20mm長 | 234 | 28d 特徵裂後抗拉強度 | 9.1 MPa |
高效減水劑 | 40 | 彈性模量 | 64 GPa |
水 | 209 | 比重 | 2800 kg/m |
水/膠凝材料比 | 0.19 |
參考文獻：3rd International Symposium on HPC Proceedings: October 19-22, 2003 in Orlando, FL
