uhpc(STC)超高性能混凝土材料介绍

广东冠生土木工程技术股份有限公司陶峰东冠生土木工程技术股份有限公司陶峰高性能轻型组合桥面结构技术2018年7月17日目录TOC\o"1-2"\h\z\u1、STC轻型组合桥面结构技术的材料及性能介绍 11.1STC轻型组合桥面结构技术的材料介绍 11.2STC轻型组合桥面结构技术的材料的力学性能介绍 32、STC组合桥面结构技术原理 53、钢桥面两个凝难问题及解决方法 73.1钢桥面沥青混凝土铺装极易损坏 73.2正交异性钢桥面板疲劳开裂 93.3对策 10广东冠生土木工程技术股份有限公司陶峰STC轻型组合桥面结构技术的材料及性能介绍1.1STC轻型组合桥面结构技术的材料介绍超高性能混凝土（SuperToughnessConcrete,STC）是由水泥、矿物掺合料、细集料、钢纤维和减水剂等材料或由上述材料制成干混料先加水拌合，再经凝结硬化后形成的一种具有高抗弯强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料，简称STC。钢纤维阻碍了混凝土内部微裂缝的扩展，能使混凝土表现出良好的塑性特征。作为超高性能轻型组合桥面结构体系中超高韧性混凝土（STC）层其超高韧性混凝土的设计理论是最大密实度理论。不同于普通混凝土，超高韧性混凝土去除了大粒径的粗骨料，选用最大粒径一般不大于2mm的石英砂为骨料，选用优质硅酸盐水泥，掺入大量超细高活性掺合料，按最紧密堆积原理，确定各组成材料的比例。最大密实理论主要原理是毫米级颗粒(骨料)的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰、矿粉)填充；微米级颗粒的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充，因此，大大提高了超高性能混凝土内部密实度，减少了初始内部缺陷，但也使混凝土组成材料的细度增大。同时，由于高性能减水剂和级配钢纤维的掺入，以及采用极低的水灰比，强度和韧性获得明显提高，从而得到其特殊的物理力学性能。其原理如下图1.1.1所示：毫米级骨料毫米级骨料亚微米级硅灰微米级水泥等图1.1.1最大密实度原理在水泥基材料早期的水化及强度发展过程中，自收缩受到钢桥面板的约束，可能会导致混凝土的开裂。但是蒸汽养生的STC材料收缩应变在早期已基本完成了，如图1.1.2所示。蒸汽养护过程中，STC内部经历着应力松弛调整及钢纤维阻止细微裂缝发生的过程。同时，STC层内配置的钢筋也可进一步防止出现收缩裂缝。图1.1.2蒸汽(steam)与大气(air)养生的STC材料收缩规律在不同养护条件下，STC的收缩应变和徐变系数按表1.1.1取值。表1.1.1STC的收缩应变和徐变系数养护条件收缩应变/με徐变系数高温蒸汽养护后00.2自然养护（相对湿度50~70%）5500.8当采用高温蒸汽养护后，STC无收缩。1.2STC轻型组合桥面结构技术的材料的力学性能介绍STC组合桥面结构按STC不开裂进行设计，设计基准期与主体结构寿命一致。STC实测开裂强度达到了42.7MPa，抗压强度达到了135.9MPa。不配筋STC的强度等级应按抗弯拉强度划分，各个等级中STC的抗弯强度、抗压强度的标准值和设计值不应小于表1.2.1的规定。表1.2.1不配筋STC强度等级强度等级抗弯拉强度/MPa抗压强度/MPa标准值设计值立方体抗压强度标准值轴心抗压强度标准值设计值STC222215.212077.453.4STC252517.214090.362.3STC282819.3160103.271.2而密配筋对于提高STC的开裂前抗拉强度具有显著效果。当钢面板厚12mm，STC层厚度为35~50mm，横桥向配筋（位于上层，净保护层厚15mm）、纵桥向配筋（位于下层）直径为10mm时，各强度等级下，配筋STC的名义弯拉应力容许值可按表1.2.2取值。表1.2.2各强度等级下配筋STC的名义弯拉应力容许值强度等级钢筋间距（mm）名义弯拉应力容许值（MPa）STC226716.85019.04022.73326.7STC256719.55021.74025.43329.4STC286722.25024.44028.13331.5超高韧性混凝土是在活性粉末混凝土的基础上改性而来，它是一种具有超高性能、超高韧性的水泥基复合材料。与高性能混凝土(HPC)相比，STC材料的显著特点是强度更高、韧性更大，如表1.2.3所示，其特性可与金属铝相媲美。表1.2.3不同混凝土的性能比较混凝土类型STC22高性能混凝土普通混凝土抗压强度（MPa）120~18060~10020~50抗折强度（MPa）20~406～102～5弹性模量（GPa）40~6030～4030~40材料断裂韧性（kJ/m2）20~400.140.12氯离子扩散系数（m2/s）0.02×10-120.6×10-121.1×10-12冻融剥离（g/cm2）7900＞1000吸水特征（kg/m3）0.20.42.7磨耗系数1.32.84.02、STC轻型组合桥面结构技术原理STC轻型组合桥面结构主要是有正交异性钢桥面板、超高韧性混凝土层组合而成。STC组合桥面结构顶面可铺设面层（沥青混凝土铺装层等），如下图2.1所示：图2.1STC组合桥面结构示意图STC组合桥面结构的工艺原理是利用超高韧性混凝土的超高抗弯强度、高韧性、高耐久性等特点，以提高桥面结构层的刚度及抗拉强度为目的，采用剪力钉与钢面板连接、密集布筋、混合料摊铺、高温蒸养等方式为手段，解决钢桥面钢结构疲劳破坏及桥面铺装极易损坏等世界性质量通病和施工难题。STC组合桥面结构的提出是把桥面铺装问题转化为桥面结构问题，把原有的以经验为指导的路面设计问题转化为以理论计算验算为指导的结构应力应变分析问题。超高性能轻型组合桥面结构体系参与钢结构协同受力，大幅减少桥面的应力幅，降低钢结构疲劳开裂风险，不再有钢桥面铺装的难题。超高性能轻型组合桥面结构体系中的STC层的厚度一般为5cm（最薄可为3.5cm），整个结构层提高了钢结构的局部刚度和整体刚度且对结构恒载基本没影响。较常规的钢混结构优势明显。常规钢混结构体系混凝土厚度一般都要在20cm左右，大大增加结构的自重，且常规混凝土抗拉强度低，难以抵抗变形。采用轻型组合桥面体系后a)组合结构大幅度提高了桥面刚度，从而有效改善铺装结构受力状态；b)铺装层下层采用水泥基材料，改善了沥青面层工作条件，从而大幅降低了粘结层失效、车辙、推移等破坏风险；c)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；d)超高韧性混凝土层使得钢桥面处于良好的耐腐蚀状态；3、钢桥面两个疑难问题及解决方法正交异性钢桥面自1948年在德国首创采用，具有构件质量轻、运输与架设方便、施工周期短等特点，60多年来这种轻型的钢桥面已成为钢桥，尤其是特大型桥梁的首选桥面型式。但是经多年使用后，发现正交异性钢桥面存在两个世界性难题：钢桥面铺装极易损坏；面板与纵肋、横隔间易出现疲劳开裂3.1钢桥面沥青混凝土铺装极易损坏大跨径钢桥面板铺装大多数采用沥青混合料铺装，由防锈层、粘结层、沥青混合料铺装层构成，直接铺筑于钢桥面之上，总厚度在35～80mm之间。目前钢桥面沥青混凝土铺装方案主要有四类：热拌沥青混凝土或改性密级配沥青混凝土(AC)方案；高温拌合浇注式沥青混凝土（Gussasphalt）方案；沥青玛蹄脂混凝土(SMA)方案；环氧树脂沥青混凝土（Epoxyasphalt）方案。以上铺装层材料在我国都有应用。钢桥面铺装层的横向裂缝脱层及推移破坏钢桥面铺装层的横向裂缝脱层及推移破坏车辙破坏坑槽破坏图3.1.1典型的钢桥面铺装破坏形式车辙破坏坑槽破坏钢桥面沥青铺装损坏的原因主要来自两个方面：钢桥面板的刚度不足，沥青铺装层局部处于高应力区，这些位置容易疲劳开裂；钢桥面上的沥青混凝土工作环境恶劣(夏季钢板的温度可达到70℃)，超载车辆多，在行车荷载和温度等共同作用下，铺装层容易出现车辙、粘结层失效或脱层等问题。对于钢桥面铺装出现的问题，常规解决问题的思路是，改进铺装混合料的材性，提高与钢桥面的粘着力和变形能力；优化铺装层厚度。但上述措施治标不治本。3.2正交异性钢桥面板疲劳开裂关于正交异性钢桥面板出现疲劳开裂，最早报道的是英国Severn桥，主要有以下四种类型的疲劳裂纹：（1）面板开裂；（2）面板与纵肋角焊缝开裂；（3）纵肋与隔板焊接开裂；（4）纵肋接头开裂。如图2.2.1～图2.2.4所示。图3.2.1钢桥面板疲劳开裂图3.2.2面板与纵肋角焊缝开裂图3.2.3纵肋与隔板焊接开裂图3.2.4纵肋接头开裂疲劳开裂主要原因有：钢桥面板的刚度不足；钢板及焊缝应力幅过大；构造细节处理不当，出现应力集中等现象。3.3对策从以上综述可以看出，主要原因在于铺装材料的抗拉强度和受拉极限变形不足。虽然通过掺入普通钢纤维可提高延性，但是抗拉强度和受拉极限变形仍然不能满足应用于正交异性钢桥面中的要求。轻集料混凝土的抗拉强度约为2.0~3.0MPa，钢纤维混凝土（SFRC）的抗拉强度约为4.0MPa，高性能混凝土的抗拉强度约为4.0~5.0MPa。因此这几种刚性桥面铺装材料在承受实桥中负弯矩产生的反复拉应力时，显现抗拉性能不足。一旦铺装层开裂，会引起桥面系刚度下降、粘结层失效、钢板腐蚀等病害，这对于桥面系的受力性能和耐久性是不利的。对于钢桥面铺装出现的问题，常规解决问题的思路是，改进铺装混合料的材性，提高与钢桥面的粘着力和变形能力；优化铺装层厚度。但上述措施治标不治本。无疑，如果能在钢桥面上铺设水泥基材料，则可提高桥面板刚度，大幅度降低应力幅，有助于解决钢桥面板疲劳开裂问题。事实上，我国现有的正交异性钢桥面+沥青铺装层的体系已难以承担重载交通量大、夏天桥面温度高达70℃的双重影响。理论和工程实践表明，无论采用何种性能优越的沥青混凝土材料，也只可能解决钢桥面铺装的问题而不能起到有效降低正交异性钢桥面板中应力的作用，不能防止桥面钢结构的疲劳开裂，原因是沥青混凝土的弹性模量很低，