uhpc(STC)超高性能混凝土材料介紹

廣東冠生土木工程技術股份有限公司陶峰東冠生土木工程技術股份有限公司陶峰高性能輕型組合橋面結構技術2018年7月17日目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1、STC輕型組合橋面結構技術的材料及性能介紹 11.1STC輕型組合橋面結構技術的材料介紹 11.2STC輕型組合橋面結構技術的材料的力學性能介紹 32、STC組合橋面結構技術原理 53、鋼橋面兩個凝難問題及解決方法 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裂 93.3對策 10廣東冠生土木工程技術股份有限公司陶峰STC輕型組合橋面結構技術的材料及性能介紹1.1STC輕型組合橋面結構技術的材料介紹超高性能混凝土（SuperToughnessConcrete,STC）是由水泥、礦物摻合料、細集料、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)凝結硬化后形成的一種具有高抗彎強度、高韌性、高耐久性的水泥基復合材料，簡稱STC。鋼纖維阻礙了混凝土內部微裂縫的擴展，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構體系中超高韌性混凝土（STC）層其超高韌性混凝土的設計理論是最大密實度理論。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)質硅酸鹽水泥，摻入大量超細高活性摻合料，按最緊密堆積原理，確定各組成材料的比例。最大密實理論主要原理是毫米級顆粒(骨料)的間隙由微米級顆粒(水泥、粉煤灰、礦粉)填充；微米級顆粒的間隙由亞微米級顆粒(硅灰)填充，因此，大大提高了超高性能混凝土內部密實度，減少了初始內部缺陷，但也使混凝土組成材料的細度增大。同時，由于高性能減水劑和級配鋼纖維的摻入，以及采用極低的水灰比，強度和韌性獲得明顯提高，從而得到其特殊的物理力學性能。其原理如下圖1.1.1所示：毫米級骨料毫米級骨料亞微米級硅灰微米級水泥等圖1.1.1最大密實度原理在水泥基材料早期的水化及強度發(fā)展過程中，自收縮受到鋼橋面板的約束，可能會導致混凝土的開裂。但是蒸汽養(yǎng)生的STC材料收縮應變在早期已基本完成了，如圖1.1.2所示。蒸汽養(yǎng)護過程中，STC內部經(jīng)歷著應力松弛調整及鋼纖維阻止細微裂縫發(fā)生的過程。同時，STC層內配置的鋼筋也可進一步防止出現(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)護條件下，STC的收縮應變和徐變系數(shù)按表1.1.1取值。表1.1.1STC的收縮應變和徐變系數(shù)養(yǎng)護條件收縮應變/με徐變系數(shù)高溫蒸汽養(yǎng)護后00.2自然養(yǎng)護（相對濕度50~70%）5500.8當采用高溫蒸汽養(yǎng)護后，STC無收縮。1.2STC輕型組合橋面結構技術的材料的力學性能介紹STC組合橋面結構按STC不開裂進行設計，設計基準期與主體結構壽命一致。STC實測開裂強度達到了42.7MPa，抗壓強度達到了135.9MPa。不配筋STC的強度等級應按抗彎拉強度劃分，各個等級中STC的抗彎強度、抗壓強度的標準值和設計值不應小于表1.2.1的規(guī)定。表1.2.1不配筋STC強度等級強度等級抗彎拉強度/MPa抗壓強度/MPa標準值設計值立方體抗壓強度標準值軸心抗壓強度標準值設計值STC222215.212077.453.4STC252517.214090.362.3STC282819.3160103.271.2而密配筋對于提高STC的開裂前抗拉強度具有顯著效果。當鋼面板厚12mm，STC層厚度為35~50mm，橫橋向配筋（位于上層，凈保護層厚15mm）、縱橋向配筋（位于下層）直徑為10mm時，各強度等級下，配筋STC的名義彎拉應力容許值可按表1.2.2取值。表1.2.2各強度等級下配筋STC的名義彎拉應力容許值強度等級鋼筋間距（mm）名義彎拉應力容許值（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上改性而來，它是一種具有超高性能、超高韌性的水泥基復合材料。與高性能混凝土(HPC)相比，STC材料的顯著特點是強度更高、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度（MPa）120~18060~10020~50抗折強度（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輕型組合橋面結構技術原理STC輕型組合橋面結構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組合橋面結構頂面可鋪設面層（瀝青混凝土鋪裝層等），如下圖2.1所示：圖2.1STC組合橋面結構示意圖STC組合橋面結構的工藝原理是利用超高韌性混凝土的超高抗彎強度、高韌性、高耐久性等特點，以提高橋面結構層的剛度及抗拉強度為目的，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，解決鋼橋面鋼結構疲勞破壞及橋面鋪裝極易損壞等世界性質量通病和施工難題。STC組合橋面結構的提出是把橋面鋪裝問題轉化為橋面結構問題，把原有的以經(jīng)驗為指導的路面設計問題轉化為以理論計算驗算為指導的結構應力應變分析問題。超高性能輕型組合橋面結構體系參與鋼結構協(xié)同受力，大幅減少橋面的應力幅，降低鋼結構疲勞開裂風險，不再有鋼橋面鋪裝的難題。超高性能輕型組合橋面結構體系中的STC層的厚度一般為5cm（最薄可為3.5cm），整個結構層提高了鋼結構的局部剛度和整體剛度且對結構恒載基本沒影響。較常規(guī)的鋼混結構優(yōu)勢明顯。常規(guī)鋼混結構體系混凝土厚度一般都要在20cm左右，大大增加結構的自重，且常規(guī)混凝土抗拉強度低，難以抵抗變形。采用輕型組合橋面體系后a)組合結構大幅度提高了橋面剛度，從而有效改善鋪裝結構受力狀態(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層失效、車轍、推移等破壞風險；c)減小了面板和縱橫肋在輪載下的應力，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、鋼橋面兩個疑難問題及解決方法正交異性鋼橋面自1948年在德國首創(chuàng)采用，具有構件質量輕、運輸與架設方便、施工周期短等特點，60多年來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、粘結層、瀝青混合料鋪裝層構成，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)氧樹脂瀝青混凝土（Epoxyasphalt）方案。以上鋪裝層材料在我國都有應用。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自兩個方面：鋼橋面板的剛度不足，瀝青鋪裝層局部處于高應力區(qū)，這些位置容易疲勞開裂；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、粘結層失效或脫層等問題。對于鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的問題，常規(guī)解決問題的思路是，改進鋪裝混合料的材性，提高與鋼橋面的粘著力和變形能力；優(yōu)化鋪裝層厚度。但上述措施治標不治本。3.2正交異性鋼橋面板疲勞開裂關于正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開裂，最早報道的是英國Severn橋，主要有以下四種類型的疲勞裂紋：（1）面板開裂；（2）面板與縱肋角焊縫開裂；（3）縱肋與隔板焊接開裂；（4）縱肋接頭開裂。如圖2.2.1～圖2.2.4所示。圖3.2.1鋼橋面板疲勞開裂圖3.2.2面板與縱肋角焊縫開裂圖3.2.3縱肋與隔板焊接開裂圖3.2.4縱肋接頭開裂疲勞開裂主要原因有：鋼橋面板的剛度不足；鋼板及焊縫應力幅過大；構造細節(jié)處理不當，出現(xiàn)應力集中等現(xiàn)象。3.3對策從以上綜述可以看出，主要原因在于鋪裝材料的抗拉強度和受拉極限變形不足。雖然通過摻入普通鋼纖維可提高延性，但是抗拉強度和受拉極限變形仍然不能滿足應用于正交異性鋼橋面中的要求。輕集料混凝土的抗拉強度約為2.0~3.0MPa，鋼纖維混凝土（SFRC）的抗拉強度約為4.0MPa，高性能混凝土的抗拉強度約為4.0~5.0MPa。因此這幾種剛性橋面鋪裝材料在承受實橋中負彎矩產(chǎn)生的反復拉應力時，顯現(xiàn)抗拉性能不足。一旦鋪裝層開裂，會引起橋面系剛度下降、粘結層失效、鋼板腐蝕等病害，這對于橋面系的受力性能和耐久性是不利的。對于鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的問題，常規(guī)解決問題的思路是，改進鋪裝混合料的材性，提高與鋼橋面的粘著力和變形能力；優(yōu)化鋪裝層厚度。但上述措施治標不治本。無疑，如果能在鋼橋面上鋪設水泥基材料，則可提高橋面板剛度，大幅度降低應力幅，有助于解決鋼橋面板疲勞開裂問題。事實上，我國現(xiàn)有的正交異性鋼橋面+瀝青鋪裝層的體系已難以承擔重載交通量大、夏天橋面溫度高達70℃的雙重影響。理論和工程實踐表明，無論采用何種性能優(yōu)越的瀝青混凝土材料，也只可能解決鋼橋面鋪裝的問題而不能起到有效降低正交異性鋼橋面板中應力的作用，不能防止橋面鋼結構的疲勞開裂，原因是瀝青混凝土的彈性模量很低，