uhpc(STC)超高性能混凝土材料介紹

廣東冠生土木工程技術(shù)股份有限公司陶峰東冠生土木工程技術(shù)股份有限公司陶峰高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)2018年7月17日目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1、STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)的材料及性能介紹 11.1STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)的材料介紹 11.2STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)的材料的力學(xué)性能介紹 32、STC組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)原理 53、鋼橋面兩個(gè)凝難問(wèn)題及解決方法 73.1鋼橋面瀝青混凝土鋪裝極易損壞 73.2正交異性鋼橋面板疲勞開(kāi)裂 93.3對(duì)策 10廣東冠生土木工程技術(shù)股份有限公司陶峰STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)的材料及性能介紹1.1STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)的材料介紹超高性能混凝土（SuperToughnessConcrete,STC）是由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維和減水劑等材料或由上述材料制成干混料先加水拌合，再經(jīng)凝結(jié)硬化后形成的一種具有高抗彎強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的水泥基復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱STC。鋼纖維阻礙了混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，能使混凝土表現(xiàn)出良好的塑性特征。作為超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系中超高韌性混凝土（STC）層其超高韌性混凝土的設(shè)計(jì)理論是最大密實(shí)度理論。不同于普通混凝土，超高韌性混凝土去除了大粒徑的粗骨料，選用最大粒徑一般不大于2mm的石英砂為骨料，選用優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥，摻入大量超細(xì)高活性摻合料，按最緊密堆積原理，確定各組成材料的比例。最大密實(shí)理論主要原理是毫米級(jí)顆粒(骨料)的間隙由微米級(jí)顆粒(水泥、粉煤灰、礦粉)填充；微米級(jí)顆粒的間隙由亞微米級(jí)顆粒(硅灰)填充，因此，大大提高了超高性能混凝土內(nèi)部密實(shí)度，減少了初始內(nèi)部缺陷，但也使混凝土組成材料的細(xì)度增大。同時(shí)，由于高性能減水劑和級(jí)配鋼纖維的摻入，以及采用極低的水灰比，強(qiáng)度和韌性獲得明顯提高，從而得到其特殊的物理力學(xué)性能。其原理如下圖1.1.1所示：毫米級(jí)骨料毫米級(jí)骨料亞微米級(jí)硅灰微米級(jí)水泥等圖1.1.1最大密實(shí)度原理在水泥基材料早期的水化及強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中，自收縮受到鋼橋面板的約束，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂。但是蒸汽養(yǎng)生的STC材料收縮應(yīng)變?cè)谠缙谝鸦就瓿闪耍鐖D1.1.2所示。蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，STC內(nèi)部經(jīng)歷著應(yīng)力松弛調(diào)整及鋼纖維阻止細(xì)微裂縫發(fā)生的過(guò)程。同時(shí)，STC層內(nèi)配置的鋼筋也可進(jìn)一步防止出現(xiàn)收縮裂縫。圖1.1.2蒸汽(steam)與大氣(air)養(yǎng)生的STC材料收縮規(guī)律在不同養(yǎng)護(hù)條件下，STC的收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)按表1.1.1取值。表1.1.1STC的收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)養(yǎng)護(hù)條件收縮應(yīng)變/με徐變系數(shù)高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)后00.2自然養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度50~70%）5500.8當(dāng)采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)后，STC無(wú)收縮。1.2STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)的材料的力學(xué)性能介紹STC組合橋面結(jié)構(gòu)按STC不開(kāi)裂進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期與主體結(jié)構(gòu)壽命一致。STC實(shí)測(cè)開(kāi)裂強(qiáng)度達(dá)到了42.7MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了135.9MPa。不配筋STC的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按抗彎拉強(qiáng)度劃分，各個(gè)等級(jí)中STC的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于表1.2.1的規(guī)定。表1.2.1不配筋STC強(qiáng)度等級(jí)強(qiáng)度等級(jí)抗彎拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值STC222215.212077.453.4STC252517.214090.362.3STC282819.3160103.271.2而密配筋對(duì)于提高STC的開(kāi)裂前抗拉強(qiáng)度具有顯著效果。當(dāng)鋼面板厚12mm，STC層厚度為35~50mm，橫橋向配筋（位于上層，凈保護(hù)層厚15mm）、縱橋向配筋（位于下層）直徑為10mm時(shí)，各強(qiáng)度等級(jí)下，配筋STC的名義彎拉應(yīng)力容許值可按表1.2.2取值。表1.2.2各強(qiáng)度等級(jí)下配筋STC的名義彎拉應(yīng)力容許值強(qiáng)度等級(jí)鋼筋間距（mm）名義彎拉應(yīng)力容許值（MPa）STC226716.85019.04022.73326.7STC256719.55021.74025.43329.4STC286722.25024.44028.13331.5超高韌性混凝土是在活性粉末混凝土的基礎(chǔ)上改性而來(lái)，它是一種具有超高性能、超高韌性的水泥基復(fù)合材料。與高性能混凝土(HPC)相比，STC材料的顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度更高、韌性更大，如表1.2.3所示，其特性可與金屬鋁相媲美。表1.2.3不同混凝土的性能比較混凝土類型STC22高性能混凝土普通混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）120~18060~10020~50抗折強(qiáng)度（MPa）20~406～102～5彈性模量（GPa）40~6030～4030~40材料斷裂韌性（kJ/m2）20~400.140.12氯離子擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）0.02×10-120.6×10-121.1×10-12凍融剝離（g/cm2）7900＞1000吸水特征（kg/m3）0.20.42.7磨耗系數(shù)1.32.84.02、STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)原理STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)主要是有正交異性鋼橋面板、超高韌性混凝土層組合而成。STC組合橋面結(jié)構(gòu)頂面可鋪設(shè)面層（瀝青混凝土鋪裝層等），如下圖2.1所示：圖2.1STC組合橋面結(jié)構(gòu)示意圖STC組合橋面結(jié)構(gòu)的工藝原理是利用超高韌性混凝土的超高抗彎強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等特點(diǎn)，以提高橋面結(jié)構(gòu)層的剛度及抗拉強(qiáng)度為目的，采用剪力釘與鋼面板連接、密集布筋、混合料攤鋪、高溫蒸養(yǎng)等方式為手段，解決鋼橋面鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞及橋面鋪裝極易損壞等世界性質(zhì)量通病和施工難題。STC組合橋面結(jié)構(gòu)的提出是把橋面鋪裝問(wèn)題轉(zhuǎn)化為橋面結(jié)構(gòu)問(wèn)題，把原有的以經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)的路面設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為以理論計(jì)算驗(yàn)算為指導(dǎo)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析問(wèn)題。超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系參與鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，大幅減少橋面的應(yīng)力幅，降低鋼結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，不再有鋼橋面鋪裝的難題。超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系中的STC層的厚度一般為5cm（最薄可為3.5cm），整個(gè)結(jié)構(gòu)層提高了鋼結(jié)構(gòu)的局部剛度和整體剛度且對(duì)結(jié)構(gòu)恒載基本沒(méi)影響。較常規(guī)的鋼混結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯。常規(guī)鋼混結(jié)構(gòu)體系混凝土厚度一般都要在20cm左右，大大增加結(jié)構(gòu)的自重，且常規(guī)混凝土抗拉強(qiáng)度低，難以抵抗變形。采用輕型組合橋面體系后a)組合結(jié)構(gòu)大幅度提高了橋面剛度，從而有效改善鋪裝結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；b)鋪裝層下層采用水泥基材料，改善了瀝青面層工作條件，從而大幅降低了粘結(jié)層失效、車轍、推移等破壞風(fēng)險(xiǎn)；c)減小了面板和縱橫肋在輪載下的應(yīng)力，大幅提高了鋼橋面的抗疲勞壽命；d)超高韌性混凝土層使得鋼橋面處于良好的耐腐蝕狀態(tài)；3、鋼橋面兩個(gè)疑難問(wèn)題及解決方法正交異性鋼橋面自1948年在德國(guó)首創(chuàng)采用，具有構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)輸與架設(shè)方便、施工周期短等特點(diǎn)，60多年來(lái)這種輕型的鋼橋面已成為鋼橋，尤其是特大型橋梁的首選橋面型式。但是經(jīng)多年使用后，發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面存在兩個(gè)世界性難題：鋼橋面鋪裝極易損壞；面板與縱肋、橫隔間易出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂3.1鋼橋面瀝青混凝土鋪裝極易損壞大跨徑鋼橋面板鋪裝大多數(shù)采用瀝青混合料鋪裝，由防銹層、粘結(jié)層、瀝青混合料鋪裝層構(gòu)成，直接鋪筑于鋼橋面之上，總厚度在35～80mm之間。目前鋼橋面瀝青混凝土鋪裝方案主要有四類：熱拌瀝青混凝土或改性密級(jí)配瀝青混凝土(AC)方案；高溫拌合澆注式瀝青混凝土（Gussasphalt）方案；瀝青瑪蹄脂混凝土(SMA)方案；環(huán)氧樹(shù)脂瀝青混凝土（Epoxyasphalt）方案。以上鋪裝層材料在我國(guó)都有應(yīng)用。鋼橋面鋪裝層的橫向裂縫脫層及推移破壞鋼橋面鋪裝層的橫向裂縫脫層及推移破壞車轍破壞坑槽破壞圖3.1.1典型的鋼橋面鋪裝破壞形式車轍破壞坑槽破壞鋼橋面瀝青鋪裝損壞的原因主要來(lái)自兩個(gè)方面：鋼橋面板的剛度不足，瀝青鋪裝層局部處于高應(yīng)力區(qū)，這些位置容易疲勞開(kāi)裂；鋼橋面上的瀝青混凝土工作環(huán)境惡劣(夏季鋼板的溫度可達(dá)到70℃)，超載車輛多，在行車荷載和溫度等共同作用下，鋪裝層容易出現(xiàn)車轍、粘結(jié)層失效或脫層等問(wèn)題。對(duì)于鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的問(wèn)題，常規(guī)解決問(wèn)題的思路是，改進(jìn)鋪裝混合料的材性，提高與鋼橋面的粘著力和變形能力；優(yōu)化鋪裝層厚度。但上述措施治標(biāo)不治本。3.2正交異性鋼橋面板疲勞開(kāi)裂關(guān)于正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂，最早報(bào)道的是英國(guó)Severn橋，主要有以下四種類型的疲勞裂紋：（1）面板開(kāi)裂；（2）面板與縱肋角焊縫開(kāi)裂；（3）縱肋與隔板焊接開(kāi)裂；（4）縱肋接頭開(kāi)裂。如圖2.2.1～圖2.2.4所示。圖3.2.1鋼橋面板疲勞開(kāi)裂圖3.2.2面板與縱肋角焊縫開(kāi)裂圖3.2.3縱肋與隔板焊接開(kāi)裂圖3.2.4縱肋接頭開(kāi)裂疲勞開(kāi)裂主要原因有：鋼橋面板的剛度不足；鋼板及焊縫應(yīng)力幅過(guò)大；構(gòu)造細(xì)節(jié)處理不當(dāng)，出現(xiàn)應(yīng)力集中等現(xiàn)象。3.3對(duì)策從以上綜述可以看出，主要原因在于鋪裝材料的抗拉強(qiáng)度和受拉極限變形不足。雖然通過(guò)摻入普通鋼纖維可提高延性，但是抗拉強(qiáng)度和受拉極限變形仍然不能滿足應(yīng)用于正交異性鋼橋面中的要求。輕集料混凝土的抗拉強(qiáng)度約為2.0~3.0MPa，鋼纖維混凝土（SFRC）的抗拉強(qiáng)度約為4.0MPa，高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度約為4.0~5.0MPa。因此這幾種剛性橋面鋪裝材料在承受實(shí)橋中負(fù)彎矩產(chǎn)生的反復(fù)拉應(yīng)力時(shí)，顯現(xiàn)抗拉性能不足。一旦鋪裝層開(kāi)裂，會(huì)引起橋面系剛度下降、粘結(jié)層失效、鋼板腐蝕等病害，這對(duì)于橋面系的受力性能和耐久性是不利的。對(duì)于鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的問(wèn)題，常規(guī)解決問(wèn)題的思路是，改進(jìn)鋪裝混合料的材性，提高與鋼橋面的粘著力和變形能力；優(yōu)化鋪裝層厚度。但上述措施治標(biāo)不治本。無(wú)疑，如果能在鋼橋面上鋪設(shè)水泥基材料，則可提高橋面板剛度，大幅度降低應(yīng)力幅，有助于解決鋼橋面板疲勞開(kāi)裂問(wèn)題。事實(shí)上，我國(guó)現(xiàn)有的正交異性鋼橋面+瀝青鋪裝層的體系已難以承擔(dān)重載交通量大、夏天橋面溫度高達(dá)70℃的雙重影響。理論和工程實(shí)踐表明，無(wú)論采用何種性能優(yōu)越的瀝青混凝土材料，也只可能解決鋼橋面鋪裝的問(wèn)題而不能起到有效降低正交異性鋼橋面板中應(yīng)力的作用，不能防止橋面鋼結(jié)構(gòu)的疲勞開(kāi)裂，原因是瀝青混凝土的彈性模量很低，