超高性能混凝土综述：第一部分：原材料和掺合料设计外文翻译资料

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超高性能混凝土综述：第一部分：原材料和掺合料设计

史才军、吴泽媚、肖江帆、王德辉、黄政宇、方志

湖南大学土木工程学院，长沙410082，中国

摘要：超高性能混凝土（UHPC）是指抗压强度高于150MPa、延展性高、耐久性优异的水泥基复合材料。 本文阐述了制备UHPC的基本原理，原材料，掺合料设计和制备技术。减少孔隙度、改善微观结构、提高均匀性和提高韧性是UHPC设计的四个基本原则。 原材料、制备技术和养护方式对UHPC的性能有重要影响。使用胶凝材料（例如部分/完全取代水泥、硅粉粉煤灰和炉渣）可以显着降低材料成本，并且不会降低强度。高温养护技术比室温养护技术拥有更致密的结构和更好的性能，但是并不能广泛应用在实际工程中。因此，使用普通常见的原材料、普通制备技术（如传统铸造和室温养护）制备UHPC，是UHPC的发展趋势。

关键词：超高性能混凝土，理论原理，原材料，掺合料设计，养护制度

1.引言：

在过去的四十年中，世界各地的研究人员一直在研发高性能混凝土，包括热压水泥，无宏观缺陷的水泥（MDF）[1]，细料致密化混凝土（DSP）， [2]和淤浆渗透纤维混凝土（SIFC）[3]等。尽管这些材料性能优良，但由于成型工艺复杂，成本高，所以难以在实际中使用[1-4]。1993年，理查德等人 [5,6]通过将细度小和反应活性更高的组分进行热处理，开发出活性粉末混凝土（RPC）。 RPC的特点是粘结剂含量高，水灰比（w / c）非常低，其还使用硅灰、细石英粉、高效减水剂和纤维等材料[7]。 它通常具有高力学性能（抗压强度超过150MPa）和高延展性[8]，此外，它还表现出高韧性和优异的耐久性[9]。 随后的一年里，De Larrard [10]研究出“超高性能混凝土”（UHPC）。UHPC的生产通常需要90℃或更高温度下的热养护，真空混合以及压力差。 虽然这些技术有利于提高UHPC的力学性能，但会导致低生产效率和高能耗[11]。 因此，越来越多的研究人员倾向于选择合适的原材料，采用常用技术，以此对UHPC的微观结构、力学性能和耐久性的影响进行了研究，加快UHPC的生产和应用[12,13]。

迄今为止，UHPC在欧洲，北美，澳大利亚，亚洲和新西兰已经得广泛应用[14-16]。1997年在加拿大舍布鲁克完成的预应力混合人行天桥是UHPC的第一个工程结构应用[17,18]。在1997年和1998年，UHPC首次作为工业的横梁投入应用。2001年，Bourg-legrave;s-Valence在法国设计和建造世界第一条UHPC公路桥[17,19]。然而，由于缺乏公认的测试方法标准、工程师设计指导和生产质量控制规定[20]，所以UHPC在推广应用方面还有许多挑战。

本文的综述包括两部分。 第一部分阐述了制备UHPC的基本原理、原材料选择、掺合物设计和生产；而第二部分阐述了UHPC的水化过程，微观结构，力学性能，结构稳定性和耐久性。 此外还总结UHPC最新进展，为进一步研究提供一些见解和建议，促进UHPC的应用。

2.生产UHPC的基本原理

2.1 减少孔隙率

孔结构对混凝土的强度方面有着重要影响作用。孔的尺寸分布、孔的形状和位置也很重要，但考虑所有这些参数是困难和不切实际的。许多实验结果表明，根据总孔隙度可以推测出合理的强度。混凝土的孔隙率和抗压强度之间存在一定的关系[21,22]，即Balshin方程：

其中ro是孔隙率为零时的抗压强度; P是孔隙率; Po是强度为零时的孔隙度; r是孔隙度为P处的抗压强度; A，B和D是实验常数。 大多数其他关系是以上四种类型的变形。方程（2）特别适用于低孔隙率系统，方程（3）适用于高孔隙率系统。 所有这四个方程清楚地表明孔隙率越低，强度越高。

2.1.1 紧密堆积的原材料

通过使用高效减水剂，掺入极细的反应性矿物掺合料和密实的原材料堆积，可以有效提高孔隙率和孔径分布，从而提高混凝土力学性能[23,24]。

目前已经发现了许多种紧密堆积模型，可以分为离散模型和连续模型。离散模型是将理想化的特定尺寸粒子集构建堆积模型，以Furnas模型[25]、Aim和Goff模型[26]、Toufar模型[27]等为代表。这些模型是基于二元或三元系统建立的，不适用于计算混凝土填充密度[28,29]。Stovall [30]提出了一个的多模态模型，即线性堆积密度模型（LPDM），它考虑了所用材料尺寸等级之间的相互作用。 De Larrard [10]通过引入虚拟堆积密度的概念来改进模型，该虚拟堆积密度是最大堆积密度，并且只有将颗粒逐个放置时才能实现。 LPDM的改进产生了固体悬浮模型（SSM），其包括虚拟填充因子，该因子解释了粒子的理想和随机填充之间的差异。后来，De Larrard [31]将压实指数（K）引入压缩堆积模型（CPM）。压实指数考虑实际和虚拟堆积密度之间的差异，并因此解释了放置过程。同时，CPM仍然使用单尺寸颗粒的填料来推测由不同尺寸颗粒组成的混合物的填料。掺合物设计的另一种可能是基于Fuller、Andreasen和Andersen颗粒填充模型，将混合物中所有颗粒材料进行最佳粒度分布（PSD）。许多研究人员已经将这些不同的堆积模型用来指导后面讨论的UHPC设计。

2.1.2使用高性能减水剂减水

众所周知，水灰比的下降会降低孔隙率，并增加混凝土的力学强度[32,33]。 使用超塑化剂可显着降低给定要求所需的水灰比，从而有效地降低混凝土的孔隙率和提高混凝土强度[34,35]。 UHPC的最佳水胶比（w / b）是介于0.14和0.20之间，而并不是像常规混凝土的0.4-0.5。 超塑化剂的选择和使用是生产高质量UHPC的关键因素。

2.2 显微组织的改进

以下几种效应使UHPC具有非常致密和均匀的微观结构：（1）紧密堆积的固体颗粒;（2）水泥材料中的水化反应和火山灰反应;（3）骨料和块状基体之间的界面过渡区的改善。 UHPC的内部显微组织主要由未水化的水泥熟料颗粒、石英砂和水合产物如C-S-H组成[36]。 低水胶比导致孔隙率低，限制了氢氧化钙晶体生长的空间。高温养护条件下会加速水泥的水合反应，并促进矿物掺合料的火山灰反应。 在纳米级别内几乎观察不到孔，孔径高达100 nm，并且通过X射线衍射（XRD）检测不到显着的CH [12]。UHPC中的C-S-H的刚度和硬度比传统混凝土中的低密度C-S-H的更高。

骨料和基料之间的界面过渡区（ITZ）具有较高的孔隙率和CH含量，是传统混凝土中最薄弱的部分。传统水泥砂浆中的ITZ和SEM观察中的UHPC如图1所示[37,38]。

（a）传统砂浆中的ITZ [39] （b）UHPC的ITZ [40]

可以看出，常规波特兰水泥砂浆中的ITZ是非常多孔的。然而，由于CH与反应性矿物掺合物之间的火山灰反应，其消耗大部分CH晶体并将它们转化为C-S-H [6,39]，所以UHPC中的ITZ看起来像矩阵。均质的内部结构对UHPC的优异性能起到了非常重要作用。

2.3 同质性增强

常规混凝土中的骨料通常具有比水泥浆体更高的硬度。 然而，由于粗骨料和基体之间的热性能和力学性能不同，剪切应力和拉伸应力可能导致ITZ的微裂纹发生。 裂缝的大小与骨料的大小成正比。在UHPC最初的开发过程中，使用了直径为400 lm的石英砂[6]，而不是粗骨料，这显着降低UHPC中的微裂纹尺寸。 同时，大规模的减少骨料也可能会降低其自身缺陷， 从而减少混凝土的不均匀性。 综上所诉，UHPC中的ITZ看起来与基体相同，这表明其微观结构有较高的均匀性。

2.4提高韧性

韧性是材料吸收能量能力的量度，并用于表示其抗断裂能力[40]。 混凝土是一种典型的准脆性材料，具有低拉伸强度、应变能力和断裂韧性。 将纤维掺入混凝土可有效防止和控制裂缝的产生，扩展或聚集。 当一个载荷作用于纤维增强混凝土时，纤维不直接承受载荷，而是由基体承受，负载只是通过纤维和基体之间的界面传递到纤维。 图2展示了纤维如何吸收能量并控制裂纹扩展[41]。 从最左侧的纤维开始，沿图中右侧的裂缝前进，它们表示纤维断裂，拔出，通过纤维拉伸桥接，以及纤维 - 基体界面脱粘。

图2.纤维基质的能量吸收机制[41]。

UHPC的优异韧性和耐冲击性都是因为纤维的作用。 目前，混凝土中使用的纤维主要包括碳纤维和钢纤维。尽管钢纤维的成本非常高，但它可以显着提高UHPC的韧性，与聚丙烯和玻璃纤维结合的UHPC试样相比，后者UHPC显示出更低的强度[42]。

3 原材料

UHPC的原材料包括水泥，石英粉，石英砂，超塑化剂和纤维。 石英砂通常具有150至600流明的粒径，并且是最大的颗粒材料。 粉末石英（PQ）的粒度分布范围为0.1至100流明，通常被认为是惰性填料。 UHPC中使用的纤维通常是长度为13毫米，直径为0.2毫米的微细钢纤维。 原材料的优化影响着UHPC所需的性能。以下部分详细讨论UHPC的原材料。

3.1 水泥成分

UHPC中的水泥容量通常约为800-1000kg / m3。 高水泥容量不仅影响生产成本，还影响水合热量和形体稳定性。 以下部分将讨论普通胶凝成分及其对UHPC性能的影响。

3.1.1 硅酸盐水泥

水泥具有低碱含量，低或者中等细度，低C₃A含量有利于降低水分，水化热形成钙矾石[43]。UHPC建议使用 CEM I 52.5，ASTM I型或II型和GB P.I水泥，当然其他类型的水泥可以考虑。 考虑到UHPC中的水泥组分不能完全水化并充当填料，Strunge和Deuse [44]在UHPC中加入粒径介于硅酸盐水泥和硅灰之间的微细水泥。 辛格[45]在低温下通过水热法制备了高活性的硅酸二钙，并将它适用于UHPC。 然而，贝利特水泥缓慢水化并且提供非常低的早期强度。

3.1.2 硅粉（SF）

硅粉是一种来自铁硅合金工业生产的副产品，一般直径为0.2 lm，它是UHPC的重要组成部分。 1993年，理查德等人[6]提出硅粉含量应为波特兰水泥的25％左右的论断。 Chan [39]根据实验结果得出，就粘合特性而言，最佳硅粉含量应该在20％至30％之间。 而其他研究人员发现，UHPC中最佳硅粉含量是强度为200 MPa的水泥的30-35％[39,46]。 实际上，最佳的硅粉含量高度依赖于水灰比，而较低的水灰比只需要较低的硅粉含量[47]。 在高压养养护条件下，如果组成成分不含硅粉，混凝土水化产物的快速生成将导致多孔结构的形成和低抗压强度[48-50]。

但是硅粉的产量有限，同时其可变碳含量会降低UHPC的流动性。 硅粉中未燃尽的煤炭会导致混凝土表面颜色变深，这是一个美学问题。 研究已经表明，粉碎的粒状高炉矿渣（GGBFS）和粉煤灰、偏高岭土、石灰石粉和稻壳灰等可以用来替代UHPC中的硅灰[51-53]。

3.1.3粒状高炉矿渣（GGBFS）

GGBFS多年来一直用作混凝土中的补充胶凝材料。 Yazici [52]用20％，40％和60％GGBFS代替波特兰水泥制备RPC。 如图3所示，高压灭菌后，高容重的GGBFS RPC的抗压强度超过250 MPa。在设定施加的外部压力时，抗压强度可达400 MPa。

图3 GGBFS含量对RPC抗压强度的影响（STD：标准养护，SC：蒸汽养护，AC：高压灭菌养护）[52]。

3.1.4 粉煤灰（FA）

粉煤灰是煤电站的副产品，呈球形颗粒。它通常与GGBFS、SF或钢渣粉末（SS）等组合，作为二元，三元或四元系统。 Yazici等人[53,54]发现含GGBFS和粉煤灰含量高的UHPC的抗压强度在标准养护后达到200MPa以上，蒸汽养护后达到234MPa，高压养护后达到250MPa。 GGBFS和粉煤灰的混合物可以提高混凝土的抗折强度，并在混凝土养护后显著提高混凝土的韧性。但是，它在一定程度上降低了RPC的弹性模量，尤其是当水泥的替代量超过30％的时后。 Peng等人[55]发现在UHPC中使用超细粉煤灰（UFFA）和钢渣粉（SS）是可行的，并且对于具有最高强度的UHRC而言，最佳SS / UFFA比率为1.5。对于含有18％SS，12％UFFA，15％SF和2％钢纤维（按体积计）的试样，在90℃的养护3天后，它们的抗压强度和抗折强度分别达到188.4和32MPa。显微结构表明，优异的力学性能主要是由于组成成分的连续水化和填充作用造成的。

3.1.5偏高岭土

偏高岭土是通过煅烧天然粘土制成的。 其火山灰反应主要受煅烧温度影响[56]。 使用偏高岭土粉末可以减少自收缩，优化孔结构，提高混凝土的早期强度和耐久性[56-58]。 Zheng [56]和Ma [57]用偏高岭土替代硅粉制备了UHPC，他们发现UHPC试样的抗压强度随着偏高岭土比例的增加而降低。 Tafraoui等人 [58]发现用偏高岭土代替硅

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