毕业设计开题报告--修改后的--任闯闯

1、北京交通大学毕业设计（论文）开题报告题 目： 骨料特征对超高强混凝土力学性能的影响 学院： 土建 专业： 铁道工程 学生姓名： 任闯闯 学号： 09232054 1引言超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，也称作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)。超高性能混凝土因其超高抗压强度和超高耐久性等良好性能越来越受到国内外研究学者的关注。超高性能混凝土包括不含粗骨料的活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete，RPC)和抗压强度值高于100 MPa的含粗骨料超高性能混凝土(ultra-

2、High Performance Concrete，UHPC)2种。超高性能混凝土（UHPC）是通过胶凝材料的微观结构增强技术开发的新一代混凝土。 UHPC具有极高的抗压和抗折强度分别超过180MPa和30MPa，卓越的耐用性比普通混凝土。 UHPC的制造需要非常低的W/B率仅仅是0.2左右，粗骨料没有使用大量精美的粘合剂和高效减水剂，并纳入钢的超细纤维。“超高性能混凝土”包含两个方面超高超高的耐久性和超高的力学性能。 表1：普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土（活性粉末混凝土）材料性能对比：普通混凝土NSC高性能混凝土HPC超高性能混凝土UHPC抗压强度(MPa)20-4040-9617

3、0-227水胶比0.40-0.700.24-0.350.14-0.27圆柱劈裂抗拉强度(MPa)2.5-2.8-6.8-24最大骨料粒经(mm)19-259.5-130.4-0.6孔隙率20-25%10-15%2-6%孔尺寸(mm)-0.000015韧性-比NSC大250倍断裂能(kNm/m)0.1-15-10-40弹性模量(GPa)14-4131-5555-62断裂模量(第一条裂缝)(MPa)2.8-4.15.5-8.316.5-22.0透气性k(24小时40C)(mm)3x1000吸水性(225小时)(kg/mm)2x102.4x103.5x10氯离子扩散系数(稳定状态扩散)(mm/s)1

4、x104.9x102x10抗冻融性能10耐久90耐久100耐久抗表面剥蚀性能表面剥蚀量1表面剥蚀量0.08表面剥蚀量0.01泊松比0.11-0.21-0.19-0.24徐变系数2.351.6-1.90.2-0.8收缩-养护后40-80x10养护后x10无自生收缩流动性(工作性)(mm)测量坍落度测量坍落度150-155 UHPC与普通混凝土或高性能混凝土均含有粗骨料，但UHPC必须使用硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)，水泥用量较大，水胶比很低。UHPC的组成见表2。 表2：超高性能混凝土UHPC基本组成：kg/m重量百分含量%波特兰水泥(V型)700-101027.0-38.0硅灰230-3

5、208.5-9.5磨细石英砂0-2300.0-8.0细砂760-105039.0-41.0金属纤维150-1905.5-8.0高效减水剂15-250.5-1.0水155-2105.5-8.0水/胶凝材料比0.14-0.27 _ _ UHPC堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的UHPC力学性能接近刚结构，同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构，以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。目前，UHPC已经在一些实际工程中应用，如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳，等等。可以预计，还会有越

6、来越多的应用。2.UHPC的发展历史随着科学技术的发展，混凝土强度等级一直在不断地提高，高强和超高强混凝土（6 0MPa-14 0MPa）已经成功地应用于结构工程中。目前，国际上较为通用的配制高强混凝土（100MPa）的技术为“硅酸盐水泥+硅灰+高效减水剂”。但高强混凝土（High Strength Concrete, HSC）的抗弯抗拉强度仍然不高，必须通过配筋来增加结构的强度，而大量配筋又带来施工浇注的困难，同时，由于混凝土收缩变形受钢筋的约束还会引起应力，导致开裂，对耐久性产生不利的影响。在高强混凝土中，粗骨料与浆体的界面薄弱区形成的缺陷也会造成混凝土强度与耐久性的降低。针对以上问题，1

7、993年，法国Bouygues公司Richard等人率先研制出一种新的超高性能的水泥基复合材料活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC）。RPC强度高，根据组分和制备条件的不同，RPC可以分为RPC200和RPC800两级，RPC200的抗压强度可以达到200MPa以上，采用钢骨料的RPC800的抗压强度可以达到800MPa。目前RPC200已得到较广泛的应用，而RPC800仍然只是科学家的一个梦想，未见有任何实验数据发表。1998年8月，在加拿大Sherbrooke市召开了第一次以RPC和高性能混凝土为主题的国际研讨会，会上就RPC的原理、性能和应用进行了广

8、泛而深入的探讨。与会专家一致认为：作为一类新型混凝土材料，RPC具有广阔的应用前景。虽然RPC问世的时间不长，但因其具有良好的力学性能和优异的耐久性，在短短的几年内，它就已经在工程建设领域里获得了应用。世界上第一座以RPC为材料的步行桥位于加拿大魁北克省的Sherebrooke市。该桥采用钢管RPC桁架结构，跨度60m，桥面宽4.2m。桥面板厚为30mm，每隔l.7m设置高70mm的加强肋。桁架腹杆是直径为150mm、壁厚为3mm的不锈钢管、内灌RPC200。下弦RPC双梁，梁高380mm；均按常规混凝土工艺预制。每个预制段长10m、高3m，运到现场后用后张预应力拼装而成。该桥的结构设计特点是

9、混凝土构件内无箍筋、分别在体内和体外布置预应力钢筋，并使用不锈钢钢管约束RPC，以提高其强度和延性。由于采用RPC，大大减轻了自重，提高了在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀与冻融循环作用下结构的耐久性能。由于RPC是一种专利产品，为了避免知识产权的纠纷，欧洲目前不再使用这个名词，而改称“超高性能混凝土”（Ultra High-Performance Concrete UHPC）。2005年和2008年在德国Kassel大学召开了两次UHPC国际会议，深入探讨了UHPC的制备、微结构特征和性能，在会上介绍了许多实际工程应用案例，并讨论了相关欧洲技术标准的制订问题。Walraven教授在2009年发表

10、了一篇综述文章，系统地论述了UHPC的应用前景。3 UHPC配制原理UHPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料。它的基本配制原理是：通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强度与高耐久性。UHPC所用材料与普通混凝土有所不同，其组成材料主要包括以下几种：（l）水泥；（2）级配良好的细砂；（3）磨细石英砂粉；（4）硅灰等矿物掺合料；（5）高效减水剂。(6)粗骨料。当对韧性有较高要求时，还需要掺入微细钢纤维。3.1 提高匀质性，减少材料内部缺陷 对于大多数固体材料，理论抗压强度值一般为其弹性模量值的0.10.2倍，但实测值只有其弹性

11、模量的（0.10.2）10-3倍。两者相差上千倍，其原因就是由于材料内部结构不完善、存在大量缺陷。因此要充分发挥材料的性能就必须尽量减少缺陷、提高匀质性。普通混凝土硬化前，一方面，水泥浆体中的水分向亲水的集料表面迁移，在集料表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙；此外，浆体泌水也会在集料下表面形成水囊而形成裂缝；另一方面，由于骨料和硬化水泥浆体弹性模量不同（相差13倍），由于环境湿度、温度变化而引起的变形不同，骨料与水泥浆体界面存在应力而产生微裂缝。这样，混凝土在承受荷载作用以前，界面处就充满了原始微裂缝。在荷载作用下，浆体与骨料的界面上产生剪应力和拉应力，导致始微裂缝的扩展。随

12、着应力的增长，裂缝不断生长并伸向水泥石，最终导致浆体的断裂。为了消除上述不利影响，主要是通过以下途径来消除缺陷、提高UHPC的匀质性：(1)去除粒径大于1mm的粗骨料，以改善内部结构的均匀性,混凝土受到荷载作用后，粗骨料与砂浆界面处应力集中，极易引起破坏。骨料界面微裂缝的长度和宽度与骨料粒径尺寸有关，骨料粒径减小，裂缝长度和宽度也小。因此UHPC不用粗骨料，只用细骨料，可以极大地减少界面微裂缝的长度和宽度，同时骨料粒径的减少，其自身存在的缺陷的几率也减小，从而UHPC整个基体的缺陷也随之减少。(2) 改善浆体的力学性能，强化浆体与骨料的界面。普通混凝土中的骨料和浆体界面由于水分的迁移而形成一个

13、过渡区：越靠近骨料表面，水胶比越大，水泥水化生成的Ca（OH）越富集，取向程度也越大，硬化后孔隙率也越大。因此界面过渡区是混凝土的薄弱环节。水胶比是影响过渡区的主要因素，UHPC有很低的水胶比（不大于0.2），过渡区就很薄，而且由于含有较多硅灰，可与富集在骨料周围的Ca（OH）反应生成水化硅酸钙凝胶而大大削弱Ca（OH）2的富集与取向；在热处理的过程中，石英粉也会与Ca（OH）发生反应。这都会大幅度地提高浆体的力学性能。UHPC中骨料与硬化水泥石的弹性模量之比在1到1 .4之间，两者不均匀性的影响几乎消除。(3) 提高堆积密度。由晶体结构的研究表明，相同直径原子进行排列时，体心立方结构的紧密系

14、数是0.68，即使最密排列的面心立方或密排六方结构，其紧密系数也只有0.74。为了进一步提高堆积密度，常在较大的单一粒径的颗粒之间加入粒径较小的颗粒。这样先由直径最大的球体堆积成最密填充状态，剩下的空隙依次由次大的球体填充下去，使球体间的空隙减小。从而整体达到最大密实状态。根据上述原理，在制备UHPC时，可采用以下措施来提高其密实度，降低孔隙率：（1）优选颗粒材料级配：选用相邻两级平均粒径差较大，但同级内级配连续的粉末材料，使颗粒混合料体系达到最密实状态。（2）优选与活性组分相容性良好的高效减水剂，改进搅拌条件，降低水胶比（一般控制在0.20以下），使浆体在最少用水量的条件下有良好的工作性。(

15、3)在新拌混凝土凝结前和凝结期间对其加压可以达到以下目的：其一，挤出拌和物中包裹的空气，减少气孔的数量和体积；其二，当模板有一定渗透性时，可将多余的水分自模板间隙中排出；其三，可以消除在水化过程中化学收缩引起微裂缝。通过热养护还可加速活性粉末组分的水化反应，改善微观结构，提高界面的粘结力。3.2 改善微观结构 在UHPC凝固后进行热养护可以加速水泥水化反应的进程和火山灰效应的发挥。对于2OOMPa级的UHPC，进行2090的常压养护就可以了，但这时候形成的水化物仍是定形的。但随着温度的升高，其火山灰效应也相应提高，UHPC的微观结构有所改善，主要表现为大于100nm孔径范围的有孔体积降低，孔隙

16、得到细化。3.3 提高韧性混凝土的强度越高，脆性越大，在UHPC中掺有细微钢纤维，可以显著提高韧性和延性。4 UHPC的优点 利用UHPC的超高抗渗性，可替代钢材制造压力管道和腐蚀性介质的输送管道，用于远距离油气输送、城市远距离大管径输水、城市下水及腐蚀性气体的输送，不仅可大大降低造价，而且可明显地提高管道的抗腐蚀能力，解决目前远距离油气输送所采用的中等口径高强混凝土管输送压力不够高，大口径钢管价格昂贵等问题。利用UHPC的超高抗渗性与高冲击韧性，制造中低放射性核废料储藏容器，不仅可大大降低泄漏的危险，而且可大幅度延长使用寿命。UHPC现已用于海洋石油平台的钢结构的外保护层，可大大提高水位变动

17、区的支柱的使用寿命。UHPC的早期强度发展快，后期强度极高，用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物，既可保持混凝土体系的整体性，还可降低成本。UHPC强度高，抗冲击性能好，可用于国防工程的防护结构，也可用于需要高承载力的特殊结构UHPC的高密实性与良好的工作性能，使其与模板相接触的表面具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入到UHPC中去，而且UHPC中的着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可把UHPC用作建筑物的外装饰材料。综上所述，UHPC材料具有很高的工程应用价值和广阔的市场前景。考虑到UHPC的经济性，它将适用于传统混凝土结构和钢结构之间的领域，甚至用于钢结构占统治地位的

18、领域。UHPC的应用，将改变传统的设计，并将引入新的施工技术，这将会对我国的建筑业产生重大而深远的影响。 4.1 UHPC具有非常高的强度相对于普通混凝土和高强混凝土而言，UHPC材料表现出极好的力学性能，如表3所示。 表3 不同混凝土的强度混凝土种类RPC200RPC800HSC抗压强度（MPa）170-230500-80060-100抗折强度（MPa）30-6045-1406-104.2 UHPC具有优良的韧性掺有微细钢纤维的UHPC的断裂能可达到20000-40000J/m，与普通混凝土相比，抗折强度高一个数量级，断裂能高两个数量级以上。因而，UHPC属于高断裂能材料,如图1所示。 图1

19、 各种材料的断裂能4.3 UHPC具有优异的耐久性UHPC的水胶比低，具有良好的孔结构和较低的孔隙率，使其具有极低的渗透性、很高的抗有害介质侵蚀能力和良好的耐磨性。4.4 UHPC良好的总体经济性与普通混凝土或高强混凝土相比较，UHPC的单价偏高，特别是掺钢纤维的UHPC，一次投资很大，目前只能用于一些不计较成本的结构。但是在实际工程中，UHPC的应用不仅可以减少构件混凝土用量近2/3，且结构性能更好，UHPC的应用还可以减少结构构件中的配筋量，甚至完全取消钢筋。与具有相同承载力的钢结构比较，UHPC结构的成本也相对便宜。由于UHPC的耐久性好，使用寿命可以更长，从全寿命成本来分析，其价格是可

20、以接受的。5 UHPC的应用与前沿研究 1)最早在工程上应用UHPC的国家是加拿大，在Sherbrooke建造了一条UHPC行人桥。2)2001年，在法国Valence建造了2条道路桥，分别为205m和225m，为运输车辆及行人使用，如图2所示。该桥的UHPC中，在不同部位掺入了约25一30体积含量的钢纤维。 图2 建造在法国Bourg-les-Valence的道路桥3) 在德国，应用UHPC建造了一座复合结构的人行桥，长135m，最大跨度40m。该桥的外貌及截图如图3所示 图3 德国Kassee UI-IPC行人桥4)日本也有用UHPC与钢复合的桥梁。另外，日本明石大桥建造于神户淡路鸣门高速

21、公路的本州和淡路岛之间的明石海峡。桥长3911 m，为三跨吊桥，中跨达I 991 m，1988年5月开工，于1998年4月完工。桥两端锚同基础使用了40多万m 免振自密实混凝土(HPC)，而海上两个主塔桥墩大量使用了水下不分散混凝土。5)建筑上采用UHPC的先进性及其特殊效果，在法国建造的高架桥收费站中可以充分体现出来。屋顶长98m，宽28m，中心厚度只有85cm；结构像一个机翼。2)广州珠江新城西塔工程该工程高度为435m，是一座超高层建筑，大量使用了C70、C80、C90UHPC，并研发C100 UHPC，一次泵送高度超过400m,见图4。 图4 正在施工中的西塔工程 6 UHPC的原料6

22、.1实验材料 含粗骨料的超高性能混凝土采用普通原材料制4)矿物掺合料试验中使用多种矿物掺合料制备，各因素对UHPC抗压强度的影响试验研究由阶段1和阶段2完成，其中阶段2仅为低水胶比(WB020)对UHPC抗压强度值的影响，其他试验内容均属于阶段1两阶段的试验材料来源不同，文中均用上标大写英文字母表示材料类型(1)粗骨料粗骨料为石灰石和玄武岩，均是由两种颗粒粒径范围为510 mm和1020 mm的粗骨料以3：7的质量比混合，清洗干净并晾晒至饱和面干状态，压碎指标值分别为40和35(2)细骨料细骨料采用机制砂和机制砂。其物理性能见表4。 表4 细骨料的物理性能性能指标机制砂机制砂细度模数2.202

23、.94表观密度（kg/m)27302600堆积密度（kg/m)15901650含泥量/%4.65.5泥块含量/%0.50.5石粉含量/%4.65.5(3) 水泥.采用52.5级早强硅酸盐水泥，标号为PII52.5R，即52.5R和52.5R,其性能见表5. 表5 水泥性能性能指标52.5R52.5R初凝时间/min155137终凝时间/min195194抗折强度/MPa7d6.17.428d9.39.4抗压强度/MPa7d31.437.428d57.362.0 (4)矿物掺合料试验中使用多种矿物掺合料，分别为硅灰(Silica Fume，SF)，包括sF。和SF“；粉煤灰(Fly Ash，FA

24、)，包括FA 和FA ；矿粉(GroundGranulated Blast Furnace Slag，GGBS)，包括GGBS和GGBS ；复合硅材(Hybrid Silica Powder，HSP)，其性能见表3 (5)钢纤维采用镀铜钢纤维，长度为13 mm，直径为020 mm (6)减水剂采用聚羧酸型高效减水剂 和聚丙烯酸酯高效减水剂，固含量分别为20 和40 7配合比设计7.1配制原则通过提高组分的细度，使材料的内部缺陷(塑性状态下的孔隙与硬化过程的微裂隙)减小到最少，包括各种材料的颗粒之间的空隙能相互填充完全，塑性状态下的孔隙能互相进行挤压，同时排除浇注过程中引人的气体和多余的水气，由

25、此获得超高强度与高耐久性。7.2配合比试验7.2.1试验准备(1)根据试验所需，把原材料准备好；(2)搅拌设备：水泥胶砂搅拌机，强制式混凝土搅拌机；(3)振动台；(4) 电子秤、料斗各1；(5) 恒温水浴试验箱(0100)(6) 恒温烘箱(0-300)(7)液压万能试验机(1 000k N)、(600kN)各1个；(8) 测抗压强度标准夹具、测抗折强度标准夹具；(9) 系列标准试模若干；(10)其它辅助工具若干。7.3试验方法拌合物流动度的测定采用跳桌法，方法根据规范GBT24192005中的水泥胶砂流动度测定方法进行，在实际测定过程中，我们制作的拌合物因流动度好，在跳桌跳动时流摊出圆盘桌面，

26、导致扩散直径无法测定。超高性能混凝土的力学性能根据国家标准水泥胶砂强度检验方法(ISO)GBT176711999进行测定。7.4试验步骤 混凝土搅拌采用水泥裹砂法，即先加入砂和20 的总用水量，搅拌2 min；然后加入水泥、硅灰等矿物掺合料，搅拌6 min；再加入粗骨料，搅拌3 min最后加入高效减水剂和剩余的水，搅拌35 min若掺有钢纤维，则在粗骨料搅拌均匀后再加入搅拌混凝土试块的成型尺寸为100 mm100 mm100 mm，制备完成后立即用塑料薄膜覆盖，并放置于温度为(202) 、湿度约为70 的养护室。7.4.5实验 依据普通混凝土力学性能试验方法标准(GBT 500812o02)，

27、超高性能混凝土抗压强度值测定试验中加载速率取10 kNs，即约1 MPas，加载过程中保持速率恒定结果取3个试块抗压强度的平均值。参考文献：1Rahman S，Molyneaux T，Patnaikuni IUltra high performance concrete：recentapplications and researchJAustralian Journal of Civil Engineering，2005，2：132O2Koizumi S，Imoto H，Sugamata T，et a1 A study on potential strength development and

28、 the hydration reaction of ultra-high-strength concreteC/Proceedings of the 8th InternationalSymposium on Utilization of Highstrength and Highperformance ConcreteTokyo：Japan Concrete Institute，20083 Kojima M，Mitsui K，Wachi M，et a1Application of 150 Nmm advanced performance composites to highrise RC

29、buildingCProceedings of the 8th International Symposium on Utilization of Highstrength and Highperformance Concrete，20084 朋改飞，杨娟，高育新，王斌.含粗骨料的超高性能混凝土抗压强度的影响因素.华北水利水电学院学报.2012年第33卷第六期.5 3rd International Symposium on HPC Proceedings: October 19-22, 2003 in Orlando, FL6 P. Y. Blais, M. Couture. Precast

30、, Prestressed Pedestrian Bridge-Worlds First Reactive Powder Concrete Structure. PCI Journal,September-October 1999: 60-71.7 J. Walraven. High Performance Concrete: A Material with a Large Potential. Journal of Advanced Concrete Technology 2009, 7(2):145-1568 M. Cheyrezy, V. Maret, L. Frouin. Micros

31、tructural Analysis of RPC(Reactive Powder Concrete). Cement and Concrete Research. 1995,25(7): 1491-15009 M. Cheyrezy, V. Maret, L. Frouin. Microstructural Analysis of RPC(Reactive Powder Concrete). Cement and Concrete Research. 1995,25(7): 1491-1500.10 K. lahlou, P.C. Aitcin, O. Chaallal. Behavior

32、of high-strength concrete under confined stresses. Cement and Concrete Composites. 1992, 14(1): 185-193.11 A. Feylessoufi, F. Villieras, P. Richard. Water Environment and Nonstructural Network in a Reactive Powder Concrete. Cement andConcrete Composites. 1996, 18(l): 23-29.12 P. Richard, M.H. Cheyre

33、zy. Reactive Powder Concrete with high ductility and 200-800MPa Compressive strength. In: ACI Spring Convention. San Francisco, California, 1994.13 覃维祖 曹峰. 一种超高性能混凝土-活性粉末混凝土. 工业建筑.1999年第4期16-18.14 P. Richard. Reactive Powder Concrete: A New Ultra-high Strength Cementitious Material. In: the 4th Inte

34、rnational Symposium on Utilization or High Strength/HighPerformance Concrete. Paris.1996,1343-1349.15 朱英磊. 活性粉末混凝土的性能研究及应用. 混凝土. 2000年第7期 31-33.16 冯乃谦.高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用.施工技术.2009年四月.第38卷.第四期.1.目标：超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒(骨料)堆积的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰、矿粉)填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充。超高性能混凝土(UHPC)是一种力学性能超高、耐久性能优异、体积稳定性优良的新型水泥基复合材料，本实验通过研究这种新型复合材料基本制备原理，介绍采用水泥、石英砂、矿物掺合等常用建筑原材料配制出超高性能的混凝土，并通过对比试验，研究了矿物掺和料种类、纤维掺量以及养护工艺对超高性能混凝土抗压、抗折强度的影响，确定了最佳配合比。2.内容: UHPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料。它的基本配制原理是：通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强