一種超高性能混凝土蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合井蓋及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超高性能混凝土(UHPC)蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合井蓋，尤其是一種超高性能混凝土與混凝土復(fù)合的井蓋。
【背景技術(shù)】
[0002]超高性能混凝土(UHPC)定義與發(fā)展歷程
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)，因?yàn)橐话阈钃饺脘摾w維或高強(qiáng)聚合物纖維，也被稱作超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(Ultra-High PerformanceFibre Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱UHPFRC)。UHPC不同于傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土(HSC)和鋼纖維混凝土(SFRC)，也不是傳統(tǒng)意義“高性能混凝土(HPC)”的高強(qiáng)化，而是性能指標(biāo)明確的新品種水泥基結(jié)構(gòu)工程材料。1999年清華大學(xué)覃維祖教授等發(fā)表文章“一種超高性能混凝土一活性粉末混凝土”最早介紹了 UHPC，至今在中國(guó)仍然較多地使用“活性粉末混凝土 (簡(jiǎn)稱RPC)”名稱。RPC是法國(guó)一個(gè)公司的專利產(chǎn)品名稱，宣傳介紹較多而廣為人知。1994年法國(guó)學(xué)者De Larrard等將這類新材料稱作UHPC，由于UHPC或UHPFRC名稱沒有商業(yè)色彩，且能更好表達(dá)這種水泥基材料或混凝土的優(yōu)越性能，逐步被廣泛接受和采用。
[0003]UHPC較有代表性的定義或需要具備的特性如下:是一種組成材料顆粒的級(jí)配達(dá)到最佳的水泥基復(fù)合材料；水膠比小于0.25，含有較高比例的微細(xì)短鋼纖維增強(qiáng)材料；抗壓強(qiáng)度不低于150MPa ;具有受拉狀態(tài)的韌性，開裂后仍保持抗拉強(qiáng)度不低于5MPa (法國(guó)要求7MPa);內(nèi)部具有不連通孔結(jié)構(gòu)，有很高抵抗氣、液體浸入的能力，與傳統(tǒng)混凝土和高性能混凝土(HPC)相比，耐久性可大幅度提高。
[0004]UHPC屬于現(xiàn)代先進(jìn)材料，創(chuàng)新了水泥基材料(混凝土或砂漿)與纖維、鋼材(鋼筋或高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋)的復(fù)合模式，大幅度提高了纖維和鋼筋在混凝土中的強(qiáng)度利用效率，使水泥基結(jié)構(gòu)材料的全面性能發(fā)生了跨越式進(jìn)步。使用UHPC可以建造輕質(zhì)高強(qiáng)和高韌性的結(jié)構(gòu)，徹底改變混凝土結(jié)構(gòu)“肥梁胖柱”狀態(tài)；其結(jié)構(gòu)所擁有的耐久性和工作壽命，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越鋼、鋁、塑料等其它所有結(jié)構(gòu)材料。
[0005]UHPC在上世紀(jì)七十年代末起源于丹麥，八、九十年代在歐洲進(jìn)行了比較系統(tǒng)深入的研究，并開始在小型工程和制品上應(yīng)用。進(jìn)入本世紀(jì)，在歐美、日韓等許多國(guó)家均將UHPC作為新型、未來的或戰(zhàn)略性工程材料進(jìn)行研究與發(fā)展，法國(guó)和日本率先制定了設(shè)計(jì)指南。目前，UHPC的配制、生產(chǎn)、施工和預(yù)制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)規(guī)范正處于發(fā)展完善過程，工程結(jié)構(gòu)與制品的應(yīng)用不斷取得新進(jìn)展，定期舉辦國(guó)際UHPC / UHPFRC研討會(huì)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。
[0006]UHPC的制備與增強(qiáng)、增韌原理
上世紀(jì)七十年代初的一些試驗(yàn)研究證實(shí)，提高水泥凈漿的密實(shí)度，可以有效提高強(qiáng)度。丹麥學(xué)者 H.H.Bache 教授發(fā)展的 DSP (Densified System with ultra-fine Particles)理論，即:用充分分散的超細(xì)顆粒(硅灰)填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中，實(shí)現(xiàn)顆粒堆積致密化。借助高效減水劑的分散作用，硅灰顆粒填充占據(jù)了水泥顆粒間的空隙即大量原本是水填充的空間，從而大幅度減小固體顆粒堆積的空隙率以及漿體的需水量，DSP體系可以使水膠比降低到0.10-0.20的超低水平。使用高強(qiáng)骨料，DSP基體混凝土的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到280MPa，但脆性非常大；同時(shí)使用鋼纖維增強(qiáng)增韌(即UHPC)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到400MPa(常溫養(yǎng)護(hù))。后來再進(jìn)一步，法國(guó)使用高壓成型和高溫高壓(壓蒸)養(yǎng)護(hù)的活性粉末混凝土(RPC)，最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到了 800MPa。
[0007]高密實(shí)的DSP基體與鋼纖維界面的密實(shí)度也非常高，界面粘結(jié)強(qiáng)度得以大幅度提高，使鋼纖維在DSP基體中提高抗拉、抗彎、抗裂與增韌作用得到充分的發(fā)揮。
[0008]用DSP理論配制超高強(qiáng)度混凝土，是混凝土技術(shù)的一個(gè)重大突破。同時(shí)期出現(xiàn)的MDF水泥(Macro Defect Free，宏觀無缺陷水泥，用聚合物填充水泥漿孔隙和裂縫)，SIFCON(Slurry Infiltrated Fibre Concrete，預(yù)填鋼纖維灌注水泥細(xì)砂楽的混凝土)，也可以獲得很高的材料強(qiáng)度和韌性，但是前者需要輥壓或擠壓成型，后者難以使鋼纖維形成三維堆積，在應(yīng)用上受到很大制約，至今只能用于制作小型制品。DSP理論實(shí)現(xiàn)更高的密實(shí)度，只需要選擇適宜優(yōu)質(zhì)原材料和進(jìn)行配合比優(yōu)化，不需要使用特殊的工藝方法，用傳統(tǒng)攪拌設(shè)備和振動(dòng)密實(shí)方法，就能生產(chǎn)與成型。因此，基于DSP理論配制的UHPC，較快地進(jìn)入了實(shí)用階段。
[0009]如今，已經(jīng)能夠配制自密實(shí)UHPC，預(yù)制產(chǎn)品與現(xiàn)場(chǎng)澆筑比較方便。雖然現(xiàn)在配制UHPC的技術(shù)途徑和使用材料呈現(xiàn)多樣化，但遵循的基本原則沒有變，即顆粒組成與配合比要使密實(shí)度最大化。
[0010]UHPC的力學(xué)性能
單純的超尚抗壓強(qiáng)度往往伴隨著“超尚脆性”，并不意味“超尚性能”。UHPC的“超尚力學(xué)性能”更主要體現(xiàn)在超高抗拉強(qiáng)度(單軸抗拉和彎曲抗拉強(qiáng)度)和高韌性，這依靠加入短纖維來實(shí)現(xiàn)。早期使用直徑0.15-0.4mm、長(zhǎng)度6~12mm的平直光圓鋼纖維，可將UHPC的抗拉強(qiáng)度提高到30MPa，斷裂能達(dá)到1，500-40, ΟΟΟΝ/m (鋼纖維體積含量2%~12%)，使UHPC跨入韌性、高韌性材料的行列(斷裂能超過1，000J/m2劃分為韌性材料)?，F(xiàn)在，使用異形，特別是扭轉(zhuǎn)形高強(qiáng)鋼纖維，可以進(jìn)一步提高UHPC的抗拉強(qiáng)度、變形能力、韌性或斷裂能。此外，高強(qiáng)高模的聚乙烯醇(PVA)纖維也用于UHPC的增強(qiáng)與增韌；聚乙烯(PP)纖維用于提高UHPC的耐火能力。
[0011]UHPC的抗壓與抗拉強(qiáng)度大幅度超越其它水泥基材料。在變形能力方面，UHPC可以在相對(duì)低的纖維含量水平實(shí)現(xiàn)拉伸“應(yīng)變硬化”行為，即單軸受拉經(jīng)歷彈性階段，出現(xiàn)多微裂縫，纖維抗拉作用啟動(dòng)；隨后拉應(yīng)力上升，進(jìn)入非彈性的應(yīng)變硬化階段(類似鋼材的“屈服”);達(dá)到開裂后最大拉應(yīng)力(抗拉強(qiáng)度)，出現(xiàn)個(gè)別裂縫在局部擴(kuò)展，之后拉應(yīng)力下降，進(jìn)入軟化階段?！皯?yīng)變硬化”是韌性材料的重要特征，體現(xiàn)短纖維增強(qiáng)增韌效率“質(zhì)”的變化，目前只有ECC (高延性水泥基復(fù)合材料)和UHPC可以實(shí)現(xiàn)“應(yīng)變硬化”。普通和高強(qiáng)纖維混凝土(FRC、HSFRC)開裂即軟化，纖維強(qiáng)度未能有效發(fā)揮，故提高韌性的作用有限。鋼纖維增強(qiáng)增韌的UHPC，再與高強(qiáng)鋼筋或鋼絞線復(fù)合應(yīng)用制作的梁(CRC或HRUHPC梁)，抗彎承載能力接近鋼梁的水平且抗彎行為相似，可以實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度/質(zhì)量比和剛度/質(zhì)量比。結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)，UHPC還有更大潛力用于建造大跨度或輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌的結(jié)構(gòu)，至今已經(jīng)發(fā)展出多種橋梁結(jié)構(gòu)。
[0012]UHPC的耐久性與可持續(xù)發(fā)展 UHPC最具吸引力的另一個(gè)性能是潛在的超高耐久性。從理論上和根據(jù)至今的試驗(yàn)研究結(jié)果，基本上可以確定:UHPC沒有凍融循環(huán)、堿一骨料反應(yīng)(AAR)和延遲鈣礬石生成(DEF)破壞的問題；在無裂縫狀態(tài)，UHPC的抗碳化、抗氯離子侵入、抗硫酸鹽侵蝕、抗化學(xué)腐蝕、耐磨等耐久性能指標(biāo)，與傳統(tǒng)高強(qiáng)高性能混凝土(HSC/HPC)相比，有數(shù)量級(jí)或倍數(shù)的提高。但UHPC不耐硝酸氨腐蝕，因?yàn)殇摾w維會(huì)較快銹蝕。
[0013]UHPC具有非常好的微裂縫自愈能力。由于水膠比非常低，UHPC拌和水量?jī)H能供部分水泥水化，絕大多數(shù)水泥顆粒的內(nèi)部處于沒有水化狀態(tài)。因此，水或水汽進(jìn)入U(xiǎn)HPC的裂縫，暴露在裂縫表面的水泥顆粒未水化部分就會(huì)“繼續(xù)”水化；結(jié)合了外界水分的水化產(chǎn)物體積大于水泥孰料體積，多出來的體積能夠填堵裂縫。試驗(yàn)和工程驗(yàn)證表明，UHPC的裂縫自愈不僅能夠封閉微裂縫降低滲透性和保持良好耐久性，同時(shí)還起“膠結(jié)”裂縫作用，在一定程度上恢復(fù)混凝土因裂縫降低的力學(xué)性能。
[0014]UHPC的耐久性能中，表面鋼纖維的銹蝕一直令人關(guān)注。靠近表面的鋼纖維保護(hù)層很小，還可能露出表面，在潮濕或腐蝕性環(huán)境(氯鹽、酸性等環(huán)境)，表面鋼纖維有較快發(fā)生銹蝕的危險(xiǎn)性。目前10~15年的試驗(yàn)和實(shí)際工程觀察表明，只要鋼纖維不露出表面，UHPC密實(shí)的基體能夠非常有效地保護(hù)鋼纖維不銹蝕，露出表面鋼纖維的銹蝕沒有擴(kuò)展到內(nèi)部，僅限于表面，但會(huì)影響表面美觀。因此，對(duì)于有裝飾功能的UHPC結(jié)構(gòu)，需要采取措施防止鋼纖維暴露或使用不銹蝕纖維。