UHPC配方及资源

什么是UHPC？

超高性能混凝土是一种新兴的混凝土技术，在世界范围内得到了迅速的发展.其抗压强度至少为150 MPa，构件材料自固结，具有极高的耐久性和力学性能。UHPC采用钢纤维增强，提高了材料的抗拉强度和耗能能力。

公开配方UHPC和商业UHPC一样有效吗？
我们的团队花了无数个小时研究UHPC的配方，以便它能够被广泛和自由地分发。研究表明，没有额外的好处从购买专有的UHPC-它可以由简单的，现成的组件，不需要专门的固化或放置。开放配方uhpc执行类似的，但是75%更便宜比商用UHPC混合物。

UHPC简介

特征

与其商业同类产品一样，通用UHPC可以实现特殊的短期和长期性能。

具体而言：

· 抗压强度在170-200 mpa范围内

· 直接拉伸开裂强度7-12 MP

· 直接拉伸峰值强度为8-24 MPa

· 100多次冻融循环后裸露表面质量损失(克/厘米)

· 在氯化物快速渗透试验中可忽略的通过电荷(库仑)

· 极小收缩

UHPC的独特性能来源于其高的填充密度，这是通过仔细控制组成粒子的大小和分布，并加入钢纤维来实现的。基体的均匀性导致不连续的孔隙结构，阻止水进入材料，从而导致其特殊的耐久性性能。

组件选择

非专利UHPC是由普通波特兰I型水泥、磨粒高炉矿渣(GGBS)水泥(矿渣水泥)、硅灰、两种硅砂和短钢纤维制成。为了保证工作性能，使用了一种高效减水剂。如“表中显示了通用UHPC混合物按重量计算的混合比例。请注意，波特兰水泥+地面粒状矿渣水泥的重量=1.0，所有其他部件都是按此比例调整的。

表：按水泥重量计的混合比例(OPC+GGBS=1.0)

白色波特兰Ⅰ型水泥因其较低的铝酸三钙(C3A)和高掺量的二硅酸二钙(C2S+C3S)而被应用于普通UHPC的早期开发，使其在新鲜和硬化状态下具有优异的性能。然而，白水泥价格昂贵(每吨275美元[2019年价格])。研究表明，普通波特兰水泥I型水泥价格便宜得多(每吨150美元[2019年价格])，可以成功使用。一般情况下，所选择的水泥必须有低于8%的三钙铝酸盐(C3A)含量和相对较低的布莱恩细度，以减少水化过程中的需水量。美国的许多供应商都能满足这一要求。

硅粉是硅合金生产的副产品.超细球形颗粒和火山灰反应活性增强了UHPC的微观结构，显著提高了UHPC的抗压强度。平均粒径在0.1到10微米之间。较低的碳含量是可取的，因为这减少了水的需求，同时促进了高流动性。消除粗集料有利于提高抗压强度。采用两种不同粒度的石英砂代替粗集料，粒径分别为70~200μm和400~800μm，并对它们进行了优化，提高了填料密度。

与普通混凝土不同的是，UHPC使用了大量的水泥，增加了成本，增加了环境和生态负担。它还会对水化热产生负面影响，从而导致收缩问题。因此，由于矿渣水泥(GGBS)是炼钢行业的副产品，因此，矿渣水泥(GGBS)的加入使其更加环保。GGB是一种有益于混凝土的矿物混合物，由于其火山灰性质，对混凝土材料的耐久性有着积极的影响。

一种聚羧酸基高性能减水剂(HRWR)，也称为高效减水剂，用于UHPC混合料设计。采用高强度钢纤维(>2000 MPa[>290 KSI]屈服强度)。钢纤维的直径一般为0.2~0.3mm，长度为13~25 mm.

什么是应变硬化？

UHPC比普通混凝土具有更高的抗拉强度，当钢纤维适当增强时，UHPC在初裂后表现出应变硬化响应。典型应力应变
UHPC曲线如图所示。在初始阶段，材料的拉伸行为是弹性的，直到第一次开裂强度(σCC)。在此之后，材料就会展示出来。
应变硬化直至其峰值(σpc)。Ⅱ段的应变硬化行为的典型特征是在试件的量规长度上出现多裂纹扩展。

UPHC的应用

UHPC适用于任何使用普通混凝土的地方。由于它的极端耐久性(一个数量级的普通混凝土)，它是特别有效的恶劣环境。超高强度的UHPC允许重新设计普通混凝土部件，从而节省了大量的重量(重量减少了三分之二[67%])。重新设计结构，以利用UHPC独特的性能，通常会使端部结构在使用寿命期间比用普通混凝土建造要经济得多。

UHPC可广泛应用于各种产品中。它特别适用于预制组件和系统，如预制桥元件和系统(PBE)和加速桥建造(ABC)。

· 桥梁：桥面，桥面之间的接缝，桥梁，基桩

· 建筑物和车库：轻型梁(预应力和预制)，轻质板
(预应力及预制)

· 轻质薄壁混凝土管

· 建筑立面

· 户外家具

UHPC用于预制桥面之间的连接

钢筋的粘结性能

UHPC与钢筋有特殊的结合，这允许一个极小的嵌入长度。

为了获得这种优秀的性能，桥梁关闭的倾注可以从500毫米(20英寸)缩小到只有100毫米(4英寸)。根据对……的研究，阿尔卡伊西和埃尔-塔维尔，假定的粘结应力，τ邦德，等于1.1√f‘c(MPa)，可用于估计UHPC中所需的嵌入长度。

UHPC中钢筋拔出过程中的破坏模式

纤维拔出

纤维拔出：纤维有效性的一个指标

纤维与基体之间的粘结滑移关系直接影响UHPC复合材料的力学性能。连接滑移反应是激活时，纤维桥裂缝，试图进一步打开。它们的抗裂性促进了有利的多重开裂和应变硬化拉伸行为。然而，光纤与基体结合的特性是根据基体的强度和光纤的特性精心设计的，以达到最佳的UHPC响应。

上图：(A)拔出试验装置；(B)HiPer纤维和平滑纤维的拔出性能

如何制作UHPC

配料

通用UHPC由以下成分组成：

· 普通波特兰I型水泥

· 磨粒高炉炉渣(GGBS)水泥(矿渣水泥)

· 粉煤灰

· 级配硅砂

· 钢纤维

· 高量程减水剂(HRWR)

· 水

表中显示了普通UHPC混合物每立方码的混合比例。四种混合物列出了不同数量的高范围减水剂(HRWR)。

表：按水泥重量计的混合比例(OPC+GGBS=1.0)。以磅计的重量。

1混合剂A、B、C和D的HRWR剂量分别为1.5%、2%、2.5%和3%。

2晶粒尺寸：80-200微米

3晶粒尺寸400-800微米

4聚羧酸醚基高效减水剂

5大范围减水剂用量可调整，以满足浆体流动性要求，掺量范围随硅粉种类而变化，按水泥质量计为1.5%~3.0%。

6钢纤维体积比为2%。

植物混合

传统的混凝土通常很容易用常用的搅拌机拌和，并且可以方便地适应大多数施工条件。然而，混合UHPC需要设备提供更多的能量和剪切比普通混凝土，因为低含水量和高粉末含量。通常，当低混合能量混合器用于混合UHPC时，所选混合物的预期性能(包括新鲜和硬固性能)无法达到。此外，使用低能混合器也会增加混合物的周转时间，导致混合料温度升高，这对UHPC混合过程有害(高温延迟混合物周转)。

UHPC可以混合在有多个混合桨的大容量锅搅拌器的工厂中。桨应该有底部和侧面刮刀，以确保良好的混合效果。混合工艺如下：

· 硅砂和硅粉首先干混大约5分钟.将水泥和GGBS加入混合物中，干拌5分钟.

· 水和HRWR先混合在一起，然后逐渐加入到干物料中。在混合过程中，预混合HRWR和水助剂使HRWR分布更加均匀。UHPC混合物在加入水和HRWR后大约5到7分钟显示出适当的工作性能(翻转)。

· 一旦达到足够的混合稠度，钢纤维就会被加入搅拌器，并允许混合直到纤维分散为止。

警告：干燥混合硅粉、细砂土和水泥会产生粉尘，吸入后会产生粉尘。硅肺。在混合过程中，必须始终使用适当的保护设备。N95面具提维克西装是推荐的。

一旦混合结束，扩散试验应进行，以确保材料已适当混合。传播范围应在175毫米(7英寸)至300毫米(12英寸)之间。

现场混合

UHPC可以成功地在现场使用常用的砂浆搅拌机混合。一台运转良好的混音器是迫击炮750型艾默尔。现场混合有着特殊的挑战，不仅仅是工厂的混合。我们制定了各种办法来减轻这些挑战。

现场搅拌机的功率有限。UHPC的粘度在翻转时急剧增加，混合器的发动机可以在更高的混合负荷下显著工作，甚至失速。为了解决这一限制，可以使用经过改进的混合过程，通过研究可以获得从原始混合协议获得的相似的新鲜和硬化特性。新的混合工艺示意图如下：

· 将水泥、GGBS、硅粉和部分硅砂混合5分钟。

· 加入水和高效减水剂，直至翻动和形成厚浆。

· 逐渐加入剩余的硅砂，再搅拌5分钟。

· 加入纤维，继续混合，直到流动性得到优化(5到8分钟)。

热天气混合：在温暖的一天混合和浇铸UHPC会导致两种并发症：

· 由于温度过高使扩散(流动性)降低
人权工作报告的有效性，以及

· 水在混合和放置过程中蒸发的可能性。

为了解决前者，建议用冰代替40%的混合水。更热的日子将需要更多的冰量，这可以通过试验和错误来确定。目的是使混合物冷却到85°F以下，以确保高效减水剂的有效性。后一个问题只有通过加速混合和放置过程才能解决。

警告：干燥混合硅粉、细砂土和水泥会产生粉尘，吸入后会导致粉尘。硅肺。在混合过程中，必须始终使用适当的保护设备。N95面具特维克西装是推荐的

扩散试验

根据ASTM C 1437对新拌UHPC的扩展值进行测试，确定了UHPC的扩展试验。混合后，新鲜的混合物被放置在一个扩展锥(见图)。在测试前，应特别注意保持扩散锥和底盘在相同的湿度水平。由于浆料固有的高流动性，不需要在模具中紧固UHPC，也不需要振动。扩张锥被填充到边缘，然后以固定的速度提升。粘在锥壁上的剩料被刮掉，基板上的材料被留下散开。经过2 min±5s后，沿两个垂直方向测量分散型UHPC浆料的直径，计算出平均直径，并将其记录为扩散值。

传播范围应在175毫米至300毫米之间。超出此范围的差值表示应拒绝混合。

有关如何进行传播测试的视频，请参见下面的视频。

固化

由于UHPC中含有少量的混合水，表面干燥会影响其硬化性能，因此在浇注后尽快用塑料片覆盖试样表面以防止水分流失是非常重要的。现场或实验室制造的试样应分别按照ASTM C 31/C31M和ASTM C 192/C 192 M进行固化。

如有需要，可在脱模后对试样进行48小时的热处理，以达到要求的早期强度。固化条件为温度90°C，相对湿度95%。

成本

下表显示了通用UHPC组件2019年的大致市场价格。每立方米的总成本比商品成本低约70%，超过$2,500 每立方码利用河砂，可进一步降低商品成本的五分之一(约20%)。UPHC的成本是由钢纤维驱动的，随着需求的增长，这种纤维将变得更便宜。

利用河沙降低成本

用天然(河流)砂代替昂贵的硅砂是完全可行的。河砂成本约为硅砂成本的1/15，大大降低了UHPC基体的成本。我们的研究表明，完全用河砂代替硅砂可以产生一个可行的UHPC。如下图所示，其原因是基体仍能达到良好的填充密度(级配与理想的填充曲线相匹配)。经过48小时的热处理后，我们的试样7天的抗压强度为158.6 MPa(23.0KSI)

通过用河沙替代部分硅砂，可以获得更高的堆积密度，从而获得更好的性能。实验结果表明，当总含砂量的10%(其余为天然砂)为细硅砂时，UHPC的抗压强度和抗拉强度分别为169.7 MPa(24.6 ksi)和11.3MPa(1.6ksi)。