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UHPC的力学性能

发布时间:2019-12-28 16:26:18浏览次数:
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete,简称UHPFRC)。UHPC不同于传统的高强混凝土(HSC)和钢纤维混凝土(SFRC),也不是传统意义“高性能混凝土(HPC)”的高强化,而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。

单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”,并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度(单轴抗拉和弯曲抗拉强度)和高韧性,这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维,可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa,断裂能达到1,500~40,000 N/m(钢纤维体积含量2%~12%,详见表1[5]),使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列(断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料)。现在,使用异形,特别是扭转形高强钢纤维,可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外,高强高模的聚乙烯醇(PVA)纤维也用于UHPC的增强与增韧;聚乙烯(PP)纤维用于提高UHPC的耐火能力。

表1:高强混凝土、UHPC、钢筋增强UHPC和高强韧性钢材的性能对比

图2:单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力-应变特征与其它材料对比(OC/HSC-普通/高强混凝土,FRC/HSFRC-普通/高强纤维混凝土,ECC-高延性水泥基复合材料)

图2直观对比了UHPC与其它水泥基工程材料的典型力学性能特征。UHPC的抗压与抗拉强度大幅度超越其它水泥基材料。在变形能力方面,UHPC可以在相对低的纤维含量水平实现拉伸“应变硬化”行为,即单轴受拉经历弹性阶段,出现多微裂缝,纤维抗拉作用启动;随后拉应力上升,进入非弹性的应变硬化阶段(类似钢材的“屈服”);达到开裂后最大拉应力(抗拉强度),出现个别裂缝在局部扩展,之后拉应力下降,进入软化阶段。“应变硬化”是韧性材料的重要特征,体现短纤维增强增韧效率“质”的变化,目前只有ECC(高延性水泥基复合材料)和UHPC可以实现“应变硬化”。普通和高强纤维混凝土(FRC、HSFRC)开裂即软化,纤维强度未能有效发挥,故提高韧性的作用有限。

钢纤维增强增韧的UHPC,再与高强钢筋或钢绞线复合应用制作的梁(CRC或HRUHPC梁),抗弯承载能力接近钢梁的水平且抗弯行为相似(见图3),可以实现更高的强度/质量比和刚度/质量比(详见表1)。结合预应力技术,UHPC还有更大潜力用于建造大跨度或轻质高强、高韧的结构,至今已经发展出多种桥梁结构。

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