超高性能混凝土研究进展及工程应用199页PPT_ppt

1、超高性能混凝土的研究进展及在土木工程中的应用湖南大学 黄政宇水泥基复合材料混凝土概 述水泥混凝土的组成和结构水泥混凝土的定义和组成: 混凝土是由水泥、水、粗、细骨料、外加剂和掺合料等按适当比例配合、拌制成拌合物，经成型硬化而成的人造石材.水泥混凝土的结构: 硬化混凝土是水泥石和骨料组成的颗粒状复合材料。其中，水泥石为连续的基相，骨料为增强相，界面为过渡相.水泥石： 由水泥的水化产物（水化硅酸钙、氢氧化钙和钙矾石等）、未水化的水泥颗粒、孔隙和水组成.骨料： 由形成砂、石的岩石矿物组成.界面： 主要由氢氧化钙和钙矾石组成，为一多孔、薄弱层.混凝土的结构 砂 浆 的 结 构 孔 隙砂 粒水化硅酸钙未

2、水化水泥颗粒氢氧化钙硬化水泥石的水化产物水泥的水化产物水化硅酸钙： 简记为：CSH 主要特性：为凝胶体 高比表面积（100700m2/g) 高Van der Walls力 是水泥强度的主要来源 在水化产物中占50%60%水化硅酸钙水化硅酸钙水化硅酸钙纤维束(2050nm)氢氧化钙(Ca(OH)2 ) ： 简记为：CH 主要特性：六方板状晶体 低Van der Walls力 是水泥耐久性差的主要根源 也是水泥石裂缝的发源地 在水化产物中占20%25%氢氧化钙氢氧化钙水化硫铝酸钙： 先形成钙矾石，后形成单硫型水化硫铝酸钙，钙矾石为针状晶体，单硫型水化硫铝酸钙为片状晶体，在水化产物中占15%20%

3、水化硫铝酸钙硬化水泥石中的孔隙水化硅酸钙（ CSH）中的层间孔： 尺寸大小：5到25 对强度和渗透性无影响 对干缩和徐变有影响毛细孔： 50 nm: 对强度和抗渗性有重要影响 150MPa) 高的轴心抗拉强度（7MPa）优异的耐久性高的韧性按受拉应力应变或受弯荷载荷载挠度曲线受拉应力应变或受弯荷载挠度曲线分类超高性能混凝土的组成特点材料组成：高强度水泥超细掺合料高性能外加剂 优质骨料 纤维制备原理和配比参数特点：最大堆积密度原理(减少孔隙率和大孔）低水胶比（W/C0.25)超高性能混凝土的种类无宏观缺陷水泥（ Macro-defect Free, MDF) 注浆纤维混凝土(Slurry inf

4、iltrated fiber concrete, SIFCON)工程胶凝复合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC)均布超细致密体系（Densified Systems containing homogeneously arranged ultra-fine Particles, DSP)密实配筋复合材料（ Compact reinforced composite, CRC)活性粉末混凝土（Reactive powder concrete, RPC)特殊工业混凝土(Special Industrial Concrete ，BSI)超高性能纤维增强混凝

5、土(Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete,UHPFRC)超高性能混凝土的发展历史自1960S以来混凝土和纤维的发展年代胶凝材料基体和混凝土纤维1970s更好的了解了水化反应和凝胶结构更好的了解了收缩、徐变、孔隙率等工程中采用50MPa的高强混凝土开发和发展了减水剂发展了混凝土的制备和养护技术 普通强度平直钢纤维 玻璃纤维某些合成纤维1980s混凝土外加剂进一步发展：高效减水剂等粉煤灰、硅灰和其他矿物外加剂的应用增加混凝土的流动性增加（如流态混凝土）水灰比减小出现并定义了：高强混凝土：60 MPa；特殊高强混凝土：80 MPa；超高强混

6、凝土：120 MPa出现并定义了：高性能混凝土（耐久性更好的高强混凝土）普通强度和高强度变形钢纤维低模量合成纤维 (PP, 尼纶等)玻璃纤维的应用增加微纤维的使用高性能聚合物纤维（碳纤维、Spectra、Kevlar等）*引自Antoine E. Naaman, Kay Wille.“The Path to Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHP-FRC): Five Decades of Progress”1990s混凝土外加剂进一步发展:高性能减水剂、调粘剂等混凝土中矿物掺合料的使用进一步增加超高性能混凝土（UHPC）出现

7、：应用高堆积密度、加超细颗粒、低孔隙率、低水胶比等概念自密实混凝土新的扭曲钢纤维(拔出时反向扭曲）与混凝土有化学粘结的PVA 纤维可用于混凝土的合成纤维增多2000s具有专利权和无专利权的UHPC/UHP-FRC进一步发展UHPC: 对高堆积密度有更进一步理解，纳米技术的概念应用超高强钢纤维：平直或变形直径最低0.12mm强度高达3400MPa碳纳米管、碳纳米纤维2010s从纳米尺度上进一步了解胶凝材料基体？碳纳米纤维、石墨烯？混凝土是多孔的固体。水泥石中总孔隙（凝胶孔和毛细孔）率为25%30%；减少和减小孔隙提高混凝土强度的研究已开展了几十年：早在1947年，T.C.Pwoers采用冷压技术

8、制得抗压强度达280的水泥石。1970s:Yudenfreund et al. 采用W/C=0.2、真空搅拌和超细磨水泥，制得了 230 MPa 的水泥石。D.M Roy et al. 采用热压技术（压力达50MPa，最高温度达 250C）制得510 MPa的水泥石。1980s:无宏观缺陷 (MDF) 水泥.由Imperial Chemical Industries (ICI) 的Birchall et al. 研究，采用塑料工业的加工方法制造，制得抗压强度200MPa、抗弯强度150 MPa 的水泥；首次制得高抗弯强度的水泥。均布超细致密体系（ Densified Systems conta

9、ining homogeneously arranged ultra-fine Particles, DSP).由H.H. Bache, 提出，采用常规搅拌成型工艺，并制得抗压强度为120250 MPa的水泥。首次采用常规工艺制得120MPa以上的混凝土。MDF制造的太阳能汽车车身DSP水泥混凝土的结构示意图细骨料水泥颗粒硅灰在DSP发展成功后，在DSP系统中掺入纤维，生产混凝土，并采用高配筋发展出了密实配筋复合材料（ Compact reinforced composite, CRC)1990s: 在DSP胶凝系统的基础上进一步发展了活性粉末混凝土（Reactive powder concr

10、ete, RPC)特殊工业混凝土(Bton Spcial Industriel，BSI)超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete,UHPFRC)采用CRC的钢桥面铺装（荷兰）采用RPC建造的桥梁（韩国）采用BSI建造的桥梁（法国）各种超高性能混凝土的特点和应用DSP的概念、组成和特点组成和特点：特种优质水泥大量的硅灰硅灰和水泥之间按最紧密原理搭配优良的高性能减水剂品种和足够的掺量极低的水胶比0.18 0.25有效的搅拌 得到的高密实度超高强胶结体，再与粗、细骨料搭配就形成灌浆材料、砂浆和混凝土。密实配筋复合材料（

11、CRC)的发展DSP基体强度很高，配以高强骨料可制备出抗压强度达280MPa的混凝土，但是，在不加入纤维时，基体很脆，极限拉应变只有（0.2m/mm),在结构中的应用有限。因此，需要提高基体和韧性和受拉极限变形能力，从而导致CRC的发展。CRC的原理和组成特点CRC的原理为增加基体的拉伸应变要加入高体积分数的细小高强、高刚度的纤维。为了进一步增加基体的极限拉应变，采用高配筋率，使钢筋成为约束钢纤维混凝土的骨架，保证在大拉伸应变时出现多端开裂。为保证局部和整体的韧性，除掺入钢纤维外，还采用高强骨料。为保证纤维增强基体的宏观和微观的均匀性，在整个搅拌、浇筑和捣实过程中，混凝土要保持足够的黏性。CR

12、C的组成特点骨料最大粒径为钢筋净距的 1/3，水胶比 （w/b）为0.13 0.18. 5 20% 主配筋 (high strength steel, traditional rebars, carbon, etc.). 5 10% 钢纤维. 密实配筋复合材料示例CRC 的基体为钢纤维超高强混凝土。 混凝土的配筋密集，钢筋间距为10-12 mm 左右。受拉钢筋采用高强预应力筋（1700MPa)钢筋保护层厚度一般为10 mm图中梁的高度为100 mm，梁宽为155mmCRC 的力学性能和特点 力学性能 抗压强度：150-400 MPa 抗弯强度：30-200 MPa 抗剪强度：15-150MPa

13、 弹性模量：40-80 GPa 表观密度：2600-3000 kg/m3特点CRC 是钢筋混凝土，但与普通钢筋混凝土有区别，承载能力更像结构钢。 设计原理、组成和生产与普通钢筋混凝土有区别。密实配筋复合材料(CRC )的韧性含钢纤维的CRC（梁、板、柱、节点）具有很高的韧性上图中红线为无纤维的梁的荷载挠度线、蓝线为含6%纤维的荷载挠度线. 其耗能为无纤维的梁100倍下图为一跨度为2m的梁弯曲试验，跨中挠度为 70 mm，弯曲应力为 320 MPa. 密实配筋复合材料(CRC )的和易性在低水灰比（0.150.2）下,具有良好的流动性及粘聚性上图为纤维含量为6%的混凝土的坍落度试验下图为纤维含量

14、为3%的混凝土的坍落度试验密实配筋复合材料(CRC )的耐久性CRC基体的孔隙率只有1.54%, 其中，约 1.4%为毛细孔，因而，没有抗冻性问题，碳化也极慢.氯离子腐蚀试验也表明，CRC在严酷的条件下也表现出优秀的耐久性能密实配筋复合材料(CRC )的应用预应力异形桩桩的打入和承载力试验预应力混凝土板桩预制桥面板正交异性钢桥面板加固和修复荷兰的Caland桥（2003）活性粉末混凝土活性粉末混凝土： 是一种高强度、高延性的高性能纤维增强水泥复合材料，又称活性微粉混凝土，它由水泥、石英砂、石英粉、硅灰、细钢纤维、高效减水剂和水组成，各种粉体的用量通过最紧密堆积理论确定，并经热养护获得最佳的性能

15、。活性粉末混凝土的配制原理： 为提高水泥基材料的均质，它不含粗骨料，最大集料粒径为 600m； 为达到高密实度，所采用粉体粒径按最紧密堆积原理最佳化，颗粒为间断级配； 为改善为孔隙结构在成型后进行热养护； 为提水泥基材料的韧性，引入钢纤维; 为便于使用尽可能保持搅拌和浇筑与现有工艺一致；装饰材料装饰材料车站核电站冷却塔 公路桥梁（22m跨美国）预制钢-混凝土组合桥面节点连接节点构造疲劳渗漏试验890万次模拟车辆疲劳试验无渗漏工程应用工程应用工程应用工程应用工程应用UHPC解决了预制钢-混凝土组合桥面节点连接问题特殊工业混凝土(BSI)特殊工业混凝土： 也是一种高强度、高延性的高性能纤维增强水泥

16、混凝土，它由水泥、硅灰、细骨料、细钢纤维（3%）、特制高效减水剂和水组成，可以自密实，具有高强和早强的特性，不需热养护也能获得很高的强度。特殊工业混凝土(BSI)的性能抗压强度 （标准养护）：2 天 122 MPa 28 天199MPa抗弯强度：29MPa抗拉强度：9.1MPa弹性模量：65GPa表观密度：2800kg/m3公路桥梁（法国）桥梁预制构件轻型屋面（法国）法国东部高铁的电缆槽加固柱建筑装饰作品钢-超高性能混凝土组合桥超高性能纤维增强混凝土超高性能纤维增强混凝土(UPFRC): 是一种在超高性能混凝土掺入不同大小的钢纤维(微纤维、中纤维和粗纤维)、纤维用量达6%以上、按普通混凝土成型

17、方法成型的一种混凝土。 主要特点是抗拉强度高（10 Mpa），极限拉应变大（达3%）。美国Michigan大学Prof.A.E.Naaman的新进展(2011)技术特点：采用的原材料：特种水泥（C3A80%，平均粒径10m)硅灰(白硅灰，中粒径0.2-0.8 m，含碳99%,中粒径1.55.0 m）砂（砂A最大粒径0.2mm, 砂B最大粒径0.8mm)钢纤维（平直和变形钢纤维，高抗拉强度3100MPa）减水剂（聚羧酸减水剂）常温养护超高性能混凝土的配比和性能类型UHPCUHP-FRCABCDABCDSIFCON水泥1.001.001.001.001.001.001.001.001.00硅灰0.

18、250.250.250.250.250.250.250.250.25玻璃粉0.250.250.250.250.250.250.250.250.25水0.2200.1950.1900.1800.2120.2000.185-0.1950.18- 0.200.207减水剂0.00540.01080.01080.01140.00540.01080.01080.01080.0108砂A0.280.300.311.050.270.280.290.920.76砂B1.100.710.720.001.050.640.670.000.00A/B20/8030/7030/70100/020/8030/7030/7

19、0100/0100/0纤维0.000.000.000.000.15/0.250.220.18- 0.270.22- 0.310.71纤维（vol。%）00001.5/2.52.52.0- 3.02.5- 3.55/8抗压强度(MPa)194207220- 240232- 246207/ 213219227- 261251- 291270/292抗拉强度(MPa)6.1- 7.46.9- 7.87.4- 8.58.2- 9.08.2/ 14.21516-2020-3037超高性能混凝土的受拉应力应变曲线1972年以来高强高性能水泥基材料的发展（欧洲和美国）年份抗压强度fc(MPa)研究人员或机构

20、名称备注1972230Yudenfreund, Skalny等浆体、真空搅拌、低孔隙率、小试件1972510Roy et al.(US)浆体、高压高热、小试件1981200Birchall et al.(UK)MDF (Micro-Defect-Free)浆体、 加聚合物、弯曲强度达150 MPa19811983120 250Bache; Hjorth(Denmark)DENSIT;COMPRESSIT砂浆和混凝土、常温养护、使用硅灰 1980all120 250Bache; Young;Jennings; Aitcin(Denmark; US;Canada)DSP(Densified Sma

21、ll Particles)采用硅灰、高效减水剂、改善颗粒堆积密实性1980s高达 120世界各国研究者(Shah; Zia; Russell;Swamy; Malier;Konig; Aitcin;Malhotra)高强混凝土、高性能混凝土（HSC、HPC）采用矿物掺合料、高效减水剂和优质骨料，常温养护，耐久性更好。1980sall高达 210Lankard; Naaman(US)SIFCON (Slurry Infiltrated Fiber Concrete)高体积分数（8%15%）的细砂浆*引自Antoine E. Naaman, Kay Wille.“The Path to Ultra

22、-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHP-FRC): Five Decades of Progress”年份抗压强度fc(MPa)研究人员或机构名称备注1987高达 140Bache(Denmark)CRC (Compact Reinforced Concrete)高体积分数钢纤维、重配筋钢筋混凝土1987各种强度Naaman(US)HPFRCC(High Performance Fiber Reinforced CementComposites)具有拉伸应变硬化的钢纤维增强混凝土或砂浆1991各种强度Reinhardt and Naam

23、an(Germany, US)HPFRCC (第一次国际论坛）关于减少纤维含量1992各种强度Li and Wu(US)ECC (EngineeredCementitious Composites)具有拉伸应变硬化的合成纤维增强砂浆1994大于150De Larrard(France)Ultra-High PerformanceConcrete(UHPC)优化超细颗粒和密实颗粒堆积1995高达800Richard & CheyrezyRPC (Reactive PowderConcrete)浆体和混凝土，加热和（或）加压养护、优化颗粒堆积1998以后高达200Lafarge; (Chanvil

24、liard;Rigaud; Behloul)，FranceDUCTAL90oC热养护3天，钢纤维含量可高达6%(有产品出售)2000以后高达200Rossi et al.LCPC(France)CEMTEC;CEMTEC-multi-scale纤维含量可高达9%，混杂掺入年份抗压强度fc(MPa)研究人员或机构/参考文献名称备注Early2000高达200世界各国研究者(Ulm, Graybeal,Rossi)UHPC 和 UHP-FRC很多基于DUCTAL的配比2005高达140Karihaloo(UK)CARDIFRC优化颗粒堆积和搅拌工艺2005高达200Jungwirth(Switze

25、rland)CERACEM配比与DUCTAL类似，纤维和骨料更大。2004150的各种强度Fehling & Schmidt(Germany)第一届UHPC国际会议许多与DUCTAL类似的配比包括常温和热养护、含纤维或不含纤维。2005各种强度Schmidt et al.(Germany)采用UHPC的可持续发展建筑（20052012）德国研究基金（DFG）启动（12 Mio. ，8个主题）2008150的各种强度Fehling & Schmidt(Germany)第二届UHPC国际会议许多与DUCTAL类似的配比包括常温和热养护、含纤维或不含纤维。2011150Accorsi & Meyer

26、 (US)UHPC论坛美国首次论坛2011高达290Wille & Naaman(US-Germany)UHP-FRC不需热养护，优化堆积密度，测试了直接拉伸强度2011ACI UHPC Committee239 Oct. 2011第一次会议2012150的各种强度Fehling & Schmidt(Germany)第三届UHPC国际会议超高性能混凝土应用的前景在我国也已研究了近二十年，目前在高铁、国防工程和个别特殊工程已有应用，但在大型结构工程中还应用不多；与国外相比，无论是研究的深度和广度，还是工程应用情况，还有较大的差距。超高性能混凝土的配制受众多因素影响，制备技术还是一种高技术，需要专

27、业人员优选材料和配比，目前，在国外基本是以干混料供应。超高性能混凝土的配制原理已经公开，在专利上已无多少保护，从知识产权上有待开发和拓展的是应用超高性能混凝土的结构体系。超高性能混凝土应用中的问题一、原材料和配比的影响因素多二、价格较高，对其优势认识不足： 超高性能混凝土的价格在每立方几千到万多元不等是普通混凝土的几十倍，与普通混凝土比很昂贵；但是，与钢结构相比，每吨在几千元（20005000元）左右，比钢结构要便宜，而某些结构性能与钢结构相当或优于钢结构性能，需要开发其用途（从结构形式到应用领域）。也需要开展降低城本的研究。铸钢（6个月）CRC(1520年）保险柜、ATM机海洋中的闸门三、相

28、关的设计和施工规范缺乏： 虽然超高性能混凝土已有众多的工程应用，但相关设计和施工规范还很少,仅只在法国、澳大利亚和日本少数国家有相关的设计规范或指南，施工规范或指南就更少；阻碍了工程中的推广应用。超高性能混凝土在钢桥面中的应用正交异性钢桥面 架设方便施工周期短 构件质量轻正交异性钢桥面的特点正交异性钢桥面的两个疑难问题 两个世界性难题： 面板与纵肋、横隔间易出现疲劳开裂 钢桥面铺装极易损坏这已成为钢桥面的癌症！钢桥面铺装的使用现状 防锈层粘结层沥青混合料铺装层改性密级配沥青混凝土(AC) 浇注式沥青混凝土 （Gussasphalt）沥青玛蹄脂混凝土(SMA) 环氧树脂沥青混凝土（Epoxy a

29、sphalt） 常规钢桥面铺装方案 开裂、局部拥包、车辙 桥面钢板钢桥面铺装的使用现状 部分桥梁钢桥面铺装破坏失效情况 桥梁名称建成年代铺装类型主要破坏形式Little belt1970浇注式沥青混凝土纵向疲劳裂缝Bosporus桥1973浇注式沥青混凝土纵向疲劳裂缝Lion Gate桥197850mm环氧沥青混凝土层间滑移广东肇庆马房大桥198460mm橡胶沥青混凝土开裂、坑槽宜昌西陵大桥199660mm改性密集配沥青混凝土开裂、车辙、推挤香港青马桥199750mm沥青玛蹄脂局部鼓包、脱层广东虎门大桥19975560mm单层改性SMA疲劳开裂、车辙钢桥面铺装的使用现状 部分桥梁钢桥面铺装破坏

30、失效情况 (续)桥梁名称建成年代铺装类型主要破坏形式江阴大桥199950mm沥青玛蹄脂疲劳开裂、车辙厦门海沧大桥199930mmSMA13+35mmSMA10疲劳开裂、车辙重庆鹅公岩大桥200060mm改性级配沥青混凝土油斑、光面的轮迹带武汉白沙洲大桥200030mmSMA13B+50mmSMA13A疲劳开裂、车辙、脱层南京长江二桥200052mm环氧沥青混凝土疲劳裂缝San Mateo-Hayward桥200250mm环氧沥青混凝土脱层钢桥面铺装病害及原因铺装病害:纵、横向裂缝破坏脱层及推移破坏坑槽破坏车辙破坏主要原因：钢桥面板的刚度不足；沥青铺装层的高温性能、疲劳特性和粘结强度不足；超载。

31、正交异性钢桥面板疲劳开裂 英-Seven bridge(1966)3种焊接疲劳裂纹 （1971、1977） 纵肋与横梁角焊缝连接处 梯形纵肋下缘与隔板焊接处 纵肋腹板与盖板连接角焊缝 德-Sinntal bridge & Haseltal bridge投入使用后不久，钢桥面板也都发现了疲劳裂纹。 某大桥出现的疲劳裂缝纵肋下缘与横隔板间焊缝开裂 纵肋横隔板纵肋腹板与面板连接角焊缝开裂 纵肋面板正交异性钢桥面板疲劳开裂 某大桥出现的疲劳裂缝面板开裂 隔板撕裂 正交异性钢桥面板疲劳开裂疲劳开裂主要原因： 钢板及焊缝应力幅过大； 构造细节处理不当，焊接残余应力等偏大。解决钢桥面疲劳问题的常规思路：加大

32、面板厚度；改进构造细节。正交异性钢桥面板疲劳开裂解决钢桥面的两个疑难问题的新方案 同时解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏问题的思路： 钢面板磨耗层（2040mm）UHPC层（4560mm）焊 钉钢桥面组合桥面新方案的特点钢桥面组合桥面优点？提高了桥面刚度，改善了铺装层的受力状态 减小了面板和纵横肋在轮载下的应力，大幅提高了钢桥面的抗疲劳寿命；水泥基材料改善了面层工作条件，降低粘结层失效、车辙、推移等破坏风险 ；321超高性能混凝土层使得钢桥面处于良好的耐腐蚀状态；4界面处理后能有效抵抗水平剪力。 5新方案的特点钢桥面组合桥面优点？ 本方案（专利）将综合性地解决钢桥面疲劳裂纹和铺装损坏的问题。 并不

33、增加桥面系的总厚度，因而不会增加加劲梁上的恒载重量。 UHPC 薄型组合钢桥面结构钢面板磨耗层（2040mm）UHPC层（4560mm）焊 钉钢面板面层（25mm）底层（35mm）粘接层（0.4kg/m2）防锈层总厚度65100mm。 UHPC薄型组合桥面结构传统的钢桥面铺装1.薄层UHPC与钢桥面板能否可靠联结？2.浇筑在钢桥面板上的UHPC薄层是否易收缩开裂？3.组合桥面的拉、压强度？4. UHPC桥面的疲劳性能？5. UHPC桥面的耐久性及保护层厚度？6.薄层沥青混凝土磨耗层与UHPC结合强度？UHPC薄型组合桥面结构六个主要问题1471、薄层UHPC与钢桥面板能否可靠联结？ 35mm拴

34、钉锚固长度短拴钉不易被拔出UHPC高强、高韧性锚固可靠性有待验证 UHPC 薄型组合桥面结构六个主要问题2 浇筑在钢桥面板上的UHPC薄层收缩问题 钢面板UHPC层国外研究表明：不同的测量和试验方法，所得到的UHPC材料自收缩应变试验结果的差异性很大。 但研究发现： UHPC材料的自收缩在初凝期间已完成大部，此时钢纤维阻止了细微裂缝的发生； 为进一步防止出现收缩裂缝，项目组采取了在UHPC层内增配钢筋和蒸汽养护的方法，具体效果可见后面的足尺模型试验。 3 组合桥面的拉、压强度？ 薄层UHPC与钢形成的组合桥面，其抗拉强度和抗压强度问题未见报道； 为此，项目组做了相关1：1足尺模型试验，见后面。

35、 4 UHPC桥面的疲劳性能 德国卡塞尔大学的研究结果表明： 在抗压疲劳荷载作用下UHPC表现出了相当好的抗疲劳性能。在疲劳荷载(大于两百万次)作用下UHPC的相对应力水平和NSC（普通混凝土）比较接近，约为标准强度的40，因而绝对应力水平远高于NSC。5 UHPC桥面的耐久性及保护层厚度 A.UHPC耐久性综合结论 在极端干燥环境中空气渗透系数为2.5 10-18m2； 极低的吸水性； 有效扩散系数比低水泥用量混凝土小50倍； 60%相对湿度100% CO2浓度下养护90天没有出现碳化； 钢筋的腐蚀率低于0.01m/yr(钢筋的极限腐蚀率为1m/yr)； UHPC200的电阻率比C30混凝土

36、高70倍; 磨耗系数可以跟以金刚砂为骨料的砂浆相媲美。 B.保护层厚度的选择 对于本项目加铺沥青混凝土磨耗层的情形，钢筋已无锈蚀之忧。 UHPC材料具有优异的耐久性和极高的抗侵蚀物渗透性国外研究认为，保护层厚度选用9mm15mm即可6 薄层沥青混凝土磨耗层 薄层(15-30mm)沥青混凝土起源于20世纪70年代后期的法国； 美、英、西班牙、瑞典等国也先后铺筑了薄层沥青混凝土磨耗层； 我国于20世纪90年代中后期，开始研究薄层沥青混凝土面层，北京、广州等地的城市道路铺设了薄层沥青混凝土路面试验路段；04、05年，壳牌公司在成贯路、广清高速上采用Novachip超薄层对原水泥混凝土路面进行罩面处理

37、； 广珠高速的东线大桥，邢临高速的南澧河大桥也采用了水泥混凝土与薄层沥青混凝土组合铺装技术； 唐山至京唐港高速公路的沙河大桥桥面铺装为16cm的40#防水混凝土，加20mm 超薄沥青混凝土。 对于新型组合钢桥面薄层沥青混凝土磨耗层，主要需开展以下两个方面的研究：1) 薄层混合料物理力学特性及路用性能；2) 薄层沥青混凝土与UHPC界面的粘结性。其中，水泥基材料UHPC与沥青基薄磨耗层界面连接强度问题未见报道，为此，项目组做了相关足尺模型试验。应用于虎门大桥的试设计 为了检验新型UHPC组合桥面应用于悬索桥钢箱梁的可行性，参照虎门大桥原设计数据，分别计算了纯钢箱梁和UHPC组合箱梁两种情形下，悬

38、索桥主要受力构件的内力或应力变化情况。 156新型UHPC组合桥面结构 （1）试设计桥面构造方案 钢面板(12mm)磨耗层（20mm）UHPC层（45mm）13焊钉横隔板U肋（2）全桥内力计算 依照虎门大桥工程（第二册 悬索桥）中提供的相关资料，用Midas软件对悬索桥做了全桥结构计算，主桥跨径888m，矢跨比1:10.5，吊索间距12m，主缆中距33m，钢箱梁宽35.6m、高3.012m。（2）全桥内力计算 加劲梁及桥面系按以下两种情形分别计算：a 原设计：钢箱梁上铺7cm厚沥青混凝土；b 组合梁试设计：钢箱梁上铺4.5cm厚RPC2cm厚沥青混凝土。 容重27kN/m3容重24kN/m3虎

39、门大桥变更桥面板前后主缆索力对比（单位：kN）桥面类型恒载水平索力活载下最大索力钢桥面板132818.5225947.8组合桥面板133059.3825966.5增幅0.180.0悬索桥主缆系统受力只有极其细微的变化，不影响安全。（3）桥面板局部轮载计算 取全幅宽、两个吊索间距，按2跨连续计算，局部轮载作用面积：20cm（长）62cm（宽）。虎门大桥局部计算车辆荷载横向布置示意图 （3）桥面板局部轮载计算 桥面板局部轮载效应计算模型 67万余个单元65万余个节点桥面计算模型如下图所示：（4）综合计算结果分析位置桥面类型顺桥向应力横桥向应力最大值最小值最大值最小值整体局部总和整体局部总和a纯钢板

40、26.68 19.24 45.92 -55.69 -42.04 -97.73 72.93 -78.39 组合板钢板25.20 8.61 33.81 -52.68 -14.90 -67.58 18.07 -27.17 混凝土5.23 5.60 10.83 -10.97 -8.11 -19.08 3.63 -9.97 b纯钢板26.68 20.23 46.91 -55.69 -56.94 -112.63 47.71 -53.17 组合板钢板25.20 13.52 38.72 -52.68 -14.59 -67.27 21.97 -27.95 混凝土5.23 6.38 11.61 -10.97 -9

41、.53 -20.50 5.41 -9.20 c纯钢板26.68 50.57 77.25 -55.69 -87.88 -143.57 100.10 -129.61 组合板钢板25.20 6.28 31.48 -52.68 -16.64 -69.32 18.07 -32.37 混凝土5.23 3.21 8.44 -10.97 -9.59 -20.56 3.56 -12.36 d纯钢板26.68 35.23 61.91 -55.69 -44.28 -99.97 76.95 -103.61 组合板25.20 12.83 38.03 -52.68 -20.15 -72.83 24.57 -39.39 底

42、板纯钢板70.78 98.15 168.93 -37.89 -36.79 -74.68 71.24 -46.28 组合板66.86 80.99 147.85 -36.20 -15.47 -51.67 65.39 -38.09 虎门大桥桥面板主要控制点计算结果（单位：MPa；符号：拉+压-） （4）综合计算结果分析虎门大桥桥面钢板应力峰值（单位：MPa；符号：拉+压-） 位置应力方向拉应力压应力纯钢板组合板降幅纯钢板组合板降幅面板顺桥向77.25 38.7249.88-143.57 -69.32 51.72 横桥向100.10 21.97 78.05 -129.61 -32.37 75.02 纵

43、肋顺桥向61.91 38.03 38.57 -99.97 -72.83 27.15 横桥向76.95 24.57 68.07 -103.61 -39.39 61.98 底板顺桥向168.93 147.8512.48 -74.68 -51.67 30.81 横桥向71.24 65.39 8.21-46.28 -38.09 17.70 AASHTO桥规计算公式：疲劳强度与应力幅的立方成反比，若应力幅减小1/2，疲劳寿命将增大8倍。 顺桥向应力降幅为27.15%51.72%横桥向应力降幅达61.98%78.05%（4）综合计算结果分析UHPC桥面板应力峰值结果（单位：MPa；符号：拉+压-）应力方向

44、拉应力压应力顺桥向11.61 -20.56 横桥向5.41 -12.36 普通混凝土无法承受上述拉应力，会造成桥面开裂； 压应力也只有C65以上的混凝土才能够承受； 疲劳应力C80以上才能承受。164（4）综合计算结果分析 UHPC材料能否承受上述拉、压应力？将通过下面的足尺模型试验予以验证。 磨耗层（20mm）UHPC层（45mm）13焊钉横隔板U肋是否可靠？ 钢-UHPC结合面抗剪推出试验； 45mm厚的UHPC板受弯试验； 虎门大桥两种面板条带足尺模型试验； 磨耗层与UHPC结合面抗剪试验。钢-UHPC组合桥面疲劳试验1661 钢-UHPC结合面抗剪推出试验推出试验模型 AA 每根栓钉的

45、容许抗剪力计算公式：（栓钉尺寸：直径13mm，高度35mm） =35.8kN 1671 钢-UHPC结合面抗剪推出试验（续）与栓钉长度无关 短拴钉在UHPC中锚固是否可靠？ 钢纤维含量2、3.5的两个试件； 先行对钢纤维含量2的试件做推出试验 。1681 钢-UHPC结合面抗剪推出试验（续）UHPC板内钢筋和焊钉 模型主要尺寸 拴钉 5050mm直径8mm的冷拔带肋钢筋网 1 钢-UHPC结合面抗剪推出试验（续）钢UHPC结合面推出试验 结合面破坏形态 200t压力机 剪断荷载： 534kN 单个拴钉的抗剪承载能力： 66.75kN 1.86 1.7 拴钉被整齐剪断UHPC无任何裂缝+短拴钉在

46、UHPC中锚固可靠 1702 UHPC板受弯试验检验UHPC薄板的受弯性能 2 UHPC板受弯试验（续）抗压强度135.9MPa抗压弹性模量42.6GPa 抗折强度29.2MPaUHPC材料力学性能试验2 UHPC板受弯试验（续）实测板厚为45mm 板的弯曲下挠量达到99.4mm 2 UHPC板受弯试验（续）板下缘断裂 抗弯试验主要结果： UHPC的开裂临界拉应力：23MPa； 极限破坏时为钢筋被拉断，受压区混凝土完好。 1743 虎门大桥桥面板条带足尺模型试验 纯钢梁原形断面 浇筑UHPC后的组合断面 按照虎门大桥正交异性钢桥面板尺寸，截取一个条带，按1:1制作试验模型，模型长10.4m，按

47、两跨连续设计。模型及加载装置图 1755. 3 虎门大桥桥面板条带足尺模型试验（续） 试验流程 （3）钢UHPC组合梁加载试验（2）钢梁上铺设钢筋网，浇筑45mm厚UHPC板（1）两跨连续纯钢梁对称加载试验3 虎门大桥桥面板条带足尺模型试验（续） 足尺纯钢梁模型加载试验 剪力钉、钢筋网 3 虎门大桥桥面板条带足尺模型试验（续） 组合梁梁高为317mm UHPC板达到强度后，表面未出现任何收缩裂缝，表现出优良的韧性。 3 虎门大桥桥面板条带足尺模型试验（续） 钢UHPC组合梁加载试验 试验最大加载吨位： 纯钢梁：按200MPa应力控制，加载吨位2160kN； 组合梁：按试设计中UHPC最大拉应力

48、11.61MPa的1.2倍，即14MPa控制，加载吨位2148kN。 3 虎门大桥桥面板条带足尺模型试验（续） 梁的荷载挠度关系 组合梁加载到2148kN时，中支点上缘UHPC的拉应力达到14MPa，但UHPC未出现任何开裂迹象 组合梁的纵向刚度提高约20 疲劳试验表明： 在最大拉应力为14.6MPa经200万次疲劳试验后，没有出现开裂现象。耐疲劳性能优异！5 磨耗层与UHPC结合面抗剪试验 磨耗层UHPC层刚柔过渡部位，易发生剪切破坏 结合面抗剪强度试验 确定结合面层间连接方案 确定层间抗剪强度 5 磨耗层与UHPC结合面抗剪试验 （续）剪切试验的试件制备过程包括以下步骤：(1) 浇注300

49、30045mm UHPC试板，并进行界面糙化处理(右图)；(2) 养护完成后涂刷界面粘结剂；(3) 采用轮辗成型法，在经过处理的UHPC试板上，铺筑20mm厚改性沥青混凝土；(4) 将复合试板切割成10010065mm试件。 梅花形坑洞 3mm深压槽 5 磨耗层与UHPC结合面抗剪试验 （续）剪切试验的复合试件 (结合面粘结剂由壳牌公司提供) 20mmSBS改性沥 青混凝土改性乳化沥青粘结剂45mm RPC5 磨耗层与UHPC结合面抗剪试验 （续）界面斜剪试验装置 参照现行公路工程石料试验规程进行 磨耗层与UHPC结合面剪切破坏 5 磨耗层与UHPC结合面抗剪试验 （续）界面抗剪强度试验结果

50、单位：MPa试验温度界 面 糙 化 方 式压 坑 洞(梅花形)压槽方式一(槽深3mm，槽宽3mm ，槽间距10mm)压槽方式二(槽深3mm，槽宽3mm ，槽间距7mm)室温(28)0.41.62.0高温(60)/0.80.9 结合面的抗剪强度与界面的糙化方式密切相关，压槽方式二与磨耗层之间能形成良好的机械咬合作用，而粘结剂所能提供的抗剪强度十分有限； 试验温度对界面抗剪强度影响显著，当温度从28提高到60，抗剪强度降幅达50%以上。 足尺模型试验主要结论（1）超薄层UHPC现浇于钢桥面上，因其良好的韧性，并不会出现开裂的现象；（2）短拴钉在薄层UHPC中锚固可靠，UHPC层与钢桥面板结合牢固；（3）UHPC材料的压应力及抗裂安全性完全满足要求，由对比可知，试设计中顺桥向UHPC最大拉应力为11.64MPa，而足尺模型试验加载到14.0MPa后UHPC仍未开裂，UHPC最大计算压应力为20.56MPa，由实验获得的UHPC抗压强度达到135.9MPa，可知其容许压应力完全能满足要求；（4） UHPC组合桥面的具有优良的耐疲劳性能 （5）UHPC