高性能混凝土的制备与性能研究
磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究
第40卷第9期2021年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.9September,2021磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究韩建军1,廖㊀党1,席壮民1,唐海超2,代崇阳3,吕亚军4,苗㊀壮1(1.河南工业大学土木建筑学院,郑州㊀450001;2.中核港航工程有限公司,广州㊀511458;3.中国核电工程有限公司郑州分公司,郑州㊀450052;4.华北水利水电大学建筑学院,郑州㊀450046)摘要:核技术在造福人类的同时,也产生了无处不在的核辐射,而当前的普通防辐射混凝土并不能完全满足安全防护的需要㊂本文基于最紧密堆积理论,采用不同比例的磁铁矿替换河砂,制备了防辐射超高性能混凝土(UHPC),并对其工作性能㊁力学性能㊁微观结构㊁孔结构,以及γ射线屏蔽性能进行了研究㊂结果表明,磁铁矿的加入使得UHPC 的流动性以及抗压强度略有降低,但降幅较小㊂随着磁铁矿替换比例的增加,UHPC 对γ射线的屏蔽性能明显提高㊂当磁铁矿替换率为100%(体积分数)时,UHPC 的线性衰减系数增大了31.3%,而半值层及十值层均下降了23.8%㊂与此同时,磁铁矿的加入并未改变水化产物的类型,但可改善UHPC 的孔结构,有效降低其孔隙率㊂关键词:磁铁矿;超高性能混凝土;防辐射;γ射线屏蔽;力学性能;工作性能中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)09-2930-09Preparation and Properties of Ultra-High Performance Concrete for Radiation Protection of MagnetiteHAN Jianjun 1,LIAO Dang 1,XI Zhuangmin 1,TANG Haichao 2,DAI Chongyang 3,LYU Yajun 4,MIAO Zhuang 1(1.School of Civil Architecture,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.China Nuclear Harbour Engineering Co.,Ltd,Guangzhou 511458,China;3.Zhengzhou Branch,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450052,China;4.School of Architecture,North China University of Water Resources and Hydropower,Zhengzhou 450046,China)Abstract :While the nuclear technology benefits mankind,it also produces nuclear radiation everywhere.However,the current ordinary radiation-proof concrete cannot completely meet the needs of safety protection.In this paper,based on the tightest packing theory,the ultra-high performance concrete (UHPC)for radiation protection was prepared by replacing river sand with different proportions of magnetite,and its working performance,mechanical properties,microstructure,pore structure,and γ-ray shielding performance were studied.The results show that the fluidity and compressive strength of UHPC slightly decrease with the addition of magnetite,but the decline is small.As the replacement proportion of magnetite increases,the γ-ray shielding performance of UHPC is improved obviously.When the replacement proportion of magnetite is 100%(volume fraction),the linear attenuation coefficient of UHPC increases by 31.3%,while the half-value layer and ten-value layer all decrease by 23.8%.The addition of magnetite does not change the type of hydration products,but improves the pore structure of UHPC and effectively reduces its porosity.Key words :magnetite;ultra-high performance concrete;radiation protection;γ-ray shielding;mechanical property;working performance 收稿日期:2021-03-19;修订日期:2021-04-18基金项目:国家自然科学基金面上项目(51779096,51979169);河南省高校科技创新团队支持计划(20IRTSTHN010)作者简介:韩建军(1974 ),男,博士,副教授㊂主要从事建筑材料方面的研究㊂E-mail:hanjianjun@通信作者:吕亚军,博士,副教授㊂E-mail:darkdanking@0㊀引㊀言核技术已被广泛应用于医疗[1]㊁核电[2]及农业等领域,在造福人类的同时,其安全性也受到了公众的高㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2931度关注㊂核技术在应用过程中会产生核辐射,长时间暴露于核辐射环境中,人们会出现免疫力下降㊁患癌,甚至立即死亡等问题[3],因此对核设备进行有效辐射屏蔽至关重要㊂混凝土由于具有原料丰富㊁成本较低㊁易成型等特点,成为当前应用较为广泛的辐射屏蔽材料㊂防辐射混凝土被广泛应用于核反应堆的安全壳㊁核废料的储存设施,以及军事核设施,对于保护核设施的安全以及屏蔽核辐射发挥着重要作用㊂研究[4]表明,高原子序数和高密度材料具有较好的辐射衰减效果㊂因此,硼铁㊁重晶石㊁花岗岩等高密度材料常作为骨料添加入混凝土中,用于防辐射混凝土的制备和研究㊂当前制备的防辐射混凝土普遍存在防辐射性能良好,但强度较低的问题[5-7]㊂随着核电技术的发展,核反应堆的功率更大,设计寿命更长(如我国研制的 华龙一号 反应堆设计寿命达到60年),这都对核设施的防护以及辐射屏蔽提出了更高的要求㊂因此,制备更高强度的防辐射混凝土具有重要的现实意义㊂超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种新兴的水泥基复合材料,具有超高强度㊁良好的韧性和耐久性,拥有十分广阔的应用前景[8-10]㊂UHPC的优异性能得益于其最紧密堆积设计理论[11]㊂UHPC良好的级配使其密实度较大,较低的孔隙率使其能够有效抵抗有害介质的侵蚀[12],低水胶比导致其内部存在大量未水化水泥颗粒,使其具有一定的自行修复能力,能够满足各种严苛环境下工程结构的高性能要求[13]㊂国内外学者研究了机制砂㊁铅锌尾矿及礁石粉等替代骨料㊁微粉制备UHPC的相关性能㊂张志豪等[14]研究发现,使用30%(质量分数)以内的礁石粉替代水泥可以提高UHPC的抗压强度㊂赵学涛等[15]研究发现,当使用掺量为10%~20%(质量分数)的机制砂替代河砂时,UHPC的抗压㊁抗折强度有大幅提高㊂Wang等[11]研究发现,采用建筑废料替代体积分数为50%的水泥和19%的细骨料时,所制备的UHPC强度不会明显降低㊂然而,当前对于UHPC辐射屏蔽性能的研究相对匮乏㊂基于此,本文采用防辐射材料替代骨料,制备一种兼具防辐射性能的UHPC,以应对当前核防护设施面临的挑战㊂本文基于最紧密堆积设计理论,根据修正后的Andreasen and Andersen(A&A)模型进行配合比的优化设计㊂采用不同比例(0%㊁20%㊁40%㊁60%㊁80%㊁100%,体积分数,下同)的磁铁矿替代天然河砂,制备防辐射UHPC,并对其工作性能㊁力学性能㊁微观结构㊁孔结构,以及γ射线屏蔽性能进行测试和表征,分析磁铁矿的加入对UHPC性能的影响㊂1㊀实㊀验1.1㊀材㊀料水泥:河南永安水泥有限责任公司生产的P㊃Ⅱ52.5水泥;粉煤灰:荣昌盛环保材料厂生产的一级粉煤灰;硅灰:洛阳裕民微硅粉有限公司生产;砂:选用洗净的粒径范围分别为0~0.60mm㊁0.60~1.18mm的天然河砂;磁铁矿:巩义市家顺净水材料厂生产;减水剂:江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂,减水率30%,固含量30%;钢纤维:史尉克公司生产的长13mm㊁直径0.22mm的镀铜微钢纤维;水:自来水㊂磁铁矿形态如图1所示,其主要化学成分如表1所示㊂图2为磁铁矿X射线衍射(XRD)谱,分析结果表明,磁铁矿的主要物相包括钛铁矿㊁二氧化钛㊁堇青石㊁镁铁辉石及角闪石㊂图1㊀磁铁矿的数字图像和SEM照片Fig.1㊀Digital image and SEM image of magnetite2932㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷表1㊀磁铁矿中主要化学成分Table 1㊀Main chemical composition of magnetite Composition Fe 2O 3TiO 2SiO 2Al 2O 3CaO MgOMass fraction /%49.3124.0013.80 5.52 4.15 1.991.2㊀试验方法1.2.1㊀配合比设计为了使制备的防辐射UHPC 发挥优异的性能,根据修正后的A&A 模型对其进行配合比的优化设计㊂首先,根据修正后的A&A 模型确定目标曲线,如公式(1)所示,然后通过调整混凝土中混合物的比例使其组成的粒径分布曲线接近目标曲线,获得最优配合比㊂各混合物的粒径分布㊁目标曲线以及拟合曲线如图3所示㊂P (D )=D q -D q min D q max -D q min (1)式中:D 为颗粒粒径,μm;P (D )为粒径小于D 的颗粒百分含量;D max 为最大粒径,μm;D min 为最小粒径,μm;q为分布模量,取值为0.23㊂图2㊀磁铁矿的XRD 谱Fig.2㊀XRD pattern of magnetite 图3㊀混合物的粒径分布㊁目标曲线以及拟合曲线Fig.3㊀Particle size distribution,target curve and fitting curve of mixtures㊀㊀采用0~0.60mm 和0.60~1.18mm 两种粒径的磁铁矿替换河砂,替换比例为0%㊁20%㊁40%㊁60%㊁80%㊁100%,所得UHPC 配合比见表2㊂表2㊀UHPC 配合比设计Table 2㊀Mix proportion design of UHPCGroupMix proportion /(kg㊃m -3)Silica fume Cement Fly ash River sand 0~0.60mm River sand 0.60~1.18mm Magnetite 0~0.60mm Magnetite 0.60~1.18mm Water Water reducer Steel fiber C01018031817172630020630156C2010180318157421028710520630156C4010180318143015857421020630156C6010180318128710586031620630156C8010180318114353114842120630156C10010180318100143452620630156㊀㊀注:C 表示磁铁矿;0㊁20㊁40㊁60㊁80㊁100分别表示磁铁矿对河砂的替换率为0%㊁20%㊁40%㊁60%㊁80%㊁100%,该替换为体积替换㊂1.2.2㊀流动度测试采用跳桌法,根据‘水泥胶砂流动度测定方法“(GB /T 2419 2005)进行UHPC 拌合物的流动度测试㊂将拌合物分两层装入截锥金属圆模并进行捣压,提起圆模的同时开动跳桌,在完成25次跳动后,用卡尺量取相互垂直方向的两个直径,两者平均值即为所制备UHPC 的流动度㊂㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2933 1.2.3㊀抗压强度测试根据‘水泥胶砂强度检验方法(ISO法)“(GB/T17671 1999)进行抗压强度测试㊂所制备试块规格为40mmˑ40mmˑ160mm,待脱模后置于温度(20ʃ1)ħ㊁湿度95%的标准养护箱中养护3d㊁7d和28d,取每组3个试块抗压强度的平均值作为测试值㊂1.2.4㊀微观结构表征使用D8ADVANCE X射线衍射仪(布鲁克公司)对粉末样品(<75μm)进行XRD分析,样品扫描角度范围为5ʎ~70ʎ,样品取自固化28d的C0㊁C20㊁C40㊁C60㊁C80㊁C100组试块㊂采用日立S4800场发射扫描电镜进行UHPC微观形貌分析,加速电压为15kV,测试样品取自固化28d的C100组UHPC试块,测试前先放入50ħ的烘箱中干燥2h㊂1.2.5㊀孔结构测试采用麦克Auto Pore V9600压汞仪,对固化28d的C0㊁C20㊁C40㊁C60㊁C80㊁C100组UHPC试块进行孔结构测试,最大压力为421MPa,接触角为130ʎ㊂1.2.6㊀γ射线屏蔽测试采用γ射线光谱仪(铯-137作为放射源,能量为662keV)对制备的防辐射试块进行γ射线屏蔽性能测试,如图4所示㊂制成截面尺寸为150mmˑ150mm,厚度分别为1cm㊁2cm㊁3cm㊁4cm㊁5cm的试块㊂通过对试块进行叠加,测试不同磁铁矿掺量以及厚度的防辐射试块对于γ射线的屏蔽情况㊂图4㊀防辐射试块及测试装置Fig.4㊀Radiation-proof specimen and test apparatus采用线性衰减系数(μ)㊁质量衰减系数(μm)㊁半值层(H VL)㊁十值层(T VL)及平均自由程(λ)5个指标对所制备防辐射UHPC的γ射线屏蔽性能进行评价㊂其中,μ表示射线在材料中穿过单位距离时被吸收的概率[2],μ越大,防辐射性能越强,其定义如公式(2)所示㊂μm指单位质量厚度的物质对射线的衰减程度,如式(3)所示㊂H VL和T VL表示当γ射线强度减弱至初始值的一半和十分之一时,所穿过的材料厚度,其计算公式分别如式(4)㊁式(5)所示[7]㊂λ表示光子之间连续两次相互作用的平均距离,如式(6)所示㊂μ=1x ln l0l()(2)式中:l0为辐射初始强度;l为辐射透射后强度;x为防辐射材料厚度㊂μm=μρ(3)式中:ρ为试块密度㊂H VL=ln2μ(4)T VL=ln10μ(5)λ=1μ(6)2934㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷2㊀结果与讨论2.1㊀工作性能磁铁矿掺量对UHPC 拌合物流动度的影响如图5所示㊂结果表明,随着磁铁矿掺量的增加,UHPC 拌合物的流动度呈下降趋势㊂当仅以河砂作为骨料时,UHPC 拌合物的流动度最大,为277.5mm;当磁铁矿替换率为100%时,流动度下降到233.0mm,相较于C0组流动度虽有所降低,但制备的UHPC 拌合物依然保持较好的流动性㊂河砂由于受到河水长期的冲刷,颗粒形状较为规则㊁圆润,颗粒间的摩擦阻力较小,故当只有河砂作为骨料时,UHPC 拌合物的流动性最好㊂而试验所用的磁铁矿由于经过破碎机的挤压㊁破碎,造成其形状不规则,导致颗粒间的摩擦力增大,加之磁铁矿粒径分布相较于河砂整体偏小(由图3可以看出),这就造成骨料的比表面积增大,浆体吸附自由水更多,故UHPC 拌合物的流动性随着磁铁矿掺量的增加而下降㊂图5㊀不同磁铁矿掺量UHPC 的流动度Fig.5㊀Fluidity of UHPC with different magnetitecontent 图6㊀不同磁铁矿掺量UHPC 的抗压强度Fig.6㊀Compressive strength of UHPC with different magnetite content2.2㊀力学性能采用不同掺量磁铁矿替代河砂所制备的UHPC 3d㊁7d 和28d 的抗压强度如图6所示㊂结果表明,UHPC 的抗压强度随着养护龄期的增加而逐渐提高㊂基准组(C0)试块3d㊁7d 和28d 的抗压强度分别为117MPa㊁136MPa 和156MPa,强度的增长表现出早期上升快,后期慢的趋势,这与已有研究[11,14,16-17]相符合㊂与此同时,随着磁铁矿掺量的增加,UHPC 的抗压强度整体呈下降趋势㊂与基准组相比,磁铁矿替换率为20%㊁40%㊁60%㊁80%以及100%的UHPC 试块的28d 抗压强度分别下降了4MPa㊁7MPa㊁5MPa㊁5MPa 以及7MPa,下降幅度较小㊂磁铁矿替换河砂对UHPC 抗压强度影响较小的原因为:一方面,磁铁矿莫氏硬度(5.5~6.5)低于河砂图7㊀不同磁铁矿掺量UHPC 的XRD 分析Fig.7㊀XRD analysis of UHPC with different magnetite content (6.5~7.0),高硬度骨料可以提高混凝土抗压强度[18-19];另一方面,磁铁矿的加入会使UHPC 内部堆积更加密实,密实的堆积结构以及较强的黏结力在一定程度上抵消了磁铁矿骨料自身硬度不足导致的UHPC 抗压强度的下降㊂所以从整体来看,磁铁矿替换河砂,并未对UHPC 的抗压强度产生显著的负面影响㊂2.3㊀微观结构图7显示了不同磁铁矿掺量UHPC 固化28d 的XRD 谱㊂结果表明,UHPC 中主要物相包括钾长石㊁石英㊁钠长石㊁硅酸二钙㊁硅酸三钙㊁钙矾石以及氢氧化钙㊂磁铁矿的加入并未改变水化产物的类型,水㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2935化产物为钙矾石和氢氧化钙,衍射峰分别在11ʎ和21ʎ处㊂钙矾石是UHPC强度的重要来源,随着磁铁矿掺量的增加,钙矾石的衍射峰强度并未明显变化,这也是加入磁铁矿后UHPC抗压强度未明显下降的原因㊂与此同时,衍射峰在35ʎ㊁38ʎ㊁40ʎ以及43ʎ处的C2S以及C3S表明UHPC中存在未水化的水泥,这是UHPC水胶比较低造成的㊂图8显示了固化28d的UHPC钢纤维-水泥基界面过渡区的微观形貌㊂从图中可以看出,在钢纤维与水泥浆交接区域,两者结合紧密,说明钢纤维与混凝土之间的黏结性较好,有利于提高UHPC的强度及韧性㊂图8㊀UHPC钢纤维-水泥基界面过渡区的微观形貌Fig.8㊀Micromorphology of UHPC steel fiber-cement based interface transition zone2.4㊀孔结构对固化28d的UHPC试块进行压力范围为0~421MPa的压汞测试,UHPC试块的孔径分布和累积孔体积结果分别如图9㊁图10所示㊂由图9可以看出,各组UHPC试块以孔径20nm以下的无害孔为主㊂由图10可以看出,磁铁矿的加入一定程度上改善了UHPC的孔结构㊂基准组UHPC试块孔径相对较大,但其也以孔径20nm以下的无害孔以及20~100nm的少害孔为主,这可能与河砂的粒径相较于磁铁矿整体偏大有关㊂孔隙率是影响混凝土抗压强度的因素之一[20]㊂整体而言,各组UHPC试块的孔隙率都较低,这也是UHPC保持高强度的重要原因㊂图9㊀UHPC的孔径分布Fig.10㊀Cumulative pore size distribution of UHPC Fig.9㊀Pore size distribution of UHPC图10㊀UHPC的累积孔径分布2.5㊀γ射线屏蔽性能首先,利用最小二乘法对ln(l0/l)与材料厚度(x)所确定的点进行线性拟合,结果如图11所示㊂由公式(2)可知,ln(l0/l)与x的拟合曲线的斜率即μ㊂由图11可知,C0㊁C20㊁C40㊁C60㊁C80㊁C100组UHPC试块的μ值分别为0.1538cm-1㊁0.1667cm-1㊁0.1693cm-1㊁0.1891cm-1㊁0.1917cm-1㊁0.2019cm-1,即线性衰减系数随磁铁矿掺量的增加而增大,其中C100组的线性衰减系数相较于C0组增大了31.3%㊂γ射线屏蔽测试结果如表3所示㊂由表3可知,随着磁铁矿掺量的增加,质量衰减系数(μm)㊁半值层(H VL)㊁十值层(T VL)以及平均自由程(λ)的值均减小,表明UHPC的辐射屏蔽性能增强㊂其中,与C0组相2936㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷比,C100组试块的H VL 以及T VL 均减少23.8%,μm 和λ分别下降了6.7%和23.8%㊂Khan 等[4]研究表明,高密度以及较高原子序数的材料往往具有更高的辐射屏蔽性能㊂添加磁铁矿的UHPC 之所以辐射屏蔽性能更强,一方面,得益于磁铁矿比河砂具有更高的密度㊂由表3可知,随着磁铁矿掺量的增加,UHPC 试块的密度(ρ)增大,μ增大,H VL 和T VL 逐渐减小㊂另一方面,掺加磁铁矿UHPC 的辐射屏蔽性能与康普顿散射效应有关[21]㊂因磁铁矿中铁㊁钛等较高原子序数的元素含量多,当γ射线进入混凝土时,其光子会和这些元素的核外电子碰撞,削弱γ射线的透射力,进而提升UHPC 的辐射屏蔽性能㊂图11㊀ln(l /l 0)与试块厚度的线性拟合结果Fig.11㊀Linear fitting results of ln(l /l 0)and test block thickness表3㊀γ射线屏蔽测试结果Table 3㊀γ-ray shielding test resultsSource Groupρ/(g㊃cm -3)μ/cm -1μm /(cm 2㊃g -1)H VL /cm T VL /cm λ/cm 137CsC0 2.450.15380.0629 4.50714.971 6.502C20 2.650.16670.0629 4.15813.813 5.999C40 2.850.16930.0594 4.09413.601 5.907C603.040.18910.0620 3.66612.177 5.288C80 3.230.19170.0592 3.61612.011 5.217C100 3.430.20190.0587 3.43311.4054.9532.6㊀与现有防辐射混凝土的比较为了评估本文制备UHPC 的力学性能以及防辐射性能,将本文结果与文献[7,22-24]中的研究数据进行了对比,如图12所示㊂同时,为了保证对比的有效性,选用的文献中均采用能量值662keV 的铯-137作为放射源㊂由图12可知,本文制备的UHPC 的抗压强度在150MPa 左右,略低于Azreen 等[22]制备的UHPC,但远高于其他普通混凝土㊂Azreen 等[22]所制备UHPC 强度高与其超低的水灰比(0.17)有关㊂在防辐射性能方面,本文制备UHPC 的线性衰减系数在0.1538~0.2019cm -1,处于中等水平,且防辐射性能强于Azreen 等[22]所制备的UHPC㊂值得注意的是,密度越大的混凝土往往线性衰减系数越大,具有更好的防辐射性能㊂㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2937图12㊀抗压强度㊁线性衰减系数以及密度的关系Fig.12㊀Relationship between compressive strength,linear attenuation coefficient and density3㊀结㊀论(1)随着磁铁矿替换河砂比例的增加,UHPC拌合物的流动度逐渐减小㊂当磁铁矿完全替换河砂时, UHPC拌合物依然具有很好的流动性㊂(2)磁铁矿的加入会降低UHPC的抗压强度,但降幅有限㊂当磁铁矿替换比例为100%时,UHPC的抗压强度依然可以达到149MPa㊂此外,随着养护龄期的增加,UHPC的抗压强度表现出早期上升快,后期慢的趋势㊂(3)磁铁矿的加入并未改变水化产物的种类,但改善了UHPC的孔结构㊂UHPC以孔径20nm以下的无害孔为主,这使得其强度并未明显下降㊂(4)UHPC对γ射线的屏蔽性能与磁铁矿的掺量呈正相关㊂磁铁矿自身的高密度以及含铁㊁钛等高原子序数的元素,使用其作为骨料的UHPC对γ射线具有较好的辐射屏蔽性能㊂随着磁铁矿替换河砂比例的增加,UHPC的线性衰减系数增加,半值层和十值层减小㊂参考文献[1]㊀SHARIFI S,BAGHERI R,SHIRMARDI S parison of shielding properties for ordinary,barite,serpentine and steel-magnetite concretesusing MCNP-4C code and available experimental results[J].Annals of Nuclear Energy,2013,53:529-534.[2]㊀RASHID R S M,SALEM S M,AZREEN N M,et al.Effect of elevated temperature to radiation shielding of ultra-high performance concrete withsilica sand or magnetite[J].Construction and Building Materials,2020,262:120567.[3]㊀陆建兵,张树鹏,伊海赫,等.铅粉对防辐射砂浆水化性能和微观结构与组成的影响[J].硅酸盐通报,2013,32(11):2221-2226.LU J B,ZHANG S P,YI H H,et al.Effects of lead powder on hydration properties and microstructure composition of radiation shielding mortar[J].Bulletin of the Chinese Ceramic 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高性能混凝土的耐久性研究
高性能混凝土的耐久性研究在现代建筑领域中，高性能混凝土因其出色的性能而备受关注。
然而，要确保建筑物在长期使用中保持稳定和安全，高性能混凝土的耐久性就成为了一个至关重要的研究课题。
高性能混凝土是一种具有高强度、高工作性和高耐久性的新型混凝土。
它通常采用优质的原材料，并通过精心的配合比设计和严格的生产控制来制备。
与传统混凝土相比，高性能混凝土在强度和耐久性方面都有显著的提升。
耐久性对于混凝土结构来说意义重大。
在建筑物的使用寿命中，混凝土可能会受到各种因素的侵蚀和破坏，如化学腐蚀、冻融循环、钢筋锈蚀等。
这些因素会逐渐削弱混凝土的性能，导致结构的安全性和可靠性降低。
因此，提高高性能混凝土的耐久性，对于延长建筑物的使用寿命、降低维护成本以及保障人民生命财产安全都具有重要意义。
化学腐蚀是影响高性能混凝土耐久性的一个重要因素。
例如，在一些工业环境中，混凝土可能会暴露在酸、碱等化学物质的侵蚀下。
这些化学物质会与混凝土中的成分发生反应，破坏其内部结构，从而降低混凝土的强度和耐久性。
为了提高混凝土的抗化学腐蚀性能，可以在配合比设计中选择合适的水泥品种和掺和料，如粉煤灰、矿渣等。
这些掺和料能够与水泥水化产物发生反应，生成更加稳定的化合物，从而提高混凝土的抗化学腐蚀能力。
冻融循环也是一个不可忽视的因素。
在寒冷地区，混凝土结构经常会经历冻融循环的作用。
在水冻结时，体积会膨胀，产生的膨胀力会使混凝土内部产生微裂缝。
随着冻融循环次数的增加，这些微裂缝会逐渐扩展，最终导致混凝土的破坏。
为了提高高性能混凝土的抗冻性能，可以通过控制水胶比、引入引气剂等方式来实现。
引气剂能够在混凝土中引入微小的气泡，这些气泡可以在水冻结时起到缓冲作用，减轻膨胀力对混凝土的破坏。
钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的另一个关键问题。
当混凝土中的钢筋发生锈蚀时，其体积会膨胀，从而导致混凝土保护层开裂、剥落。
这不仅会影响结构的外观，还会严重削弱结构的承载能力。
为了防止钢筋锈蚀，可以采用高性能的防护涂层来保护钢筋，或者在混凝土中添加阻锈剂。
超高性能混凝土的制备及应用
超高性能混凝土的制备及应用一、前言超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC）是一种由高强度水泥基材料、细砂、高性能钢纤维、高性能矿物掺合料和高性能化学掺合剂等构成的新型混凝土材料。
UHPC具有优异的力学性能、耐久性和抗震性能，广泛应用于桥梁、隧道、高层建筑、水利水电、核工程等领域。
本文将详细介绍UHPC的制备及应用。
二、UHPC的制备1. 材料选用UHPC的主要成分为水泥、细砂、高性能钢纤维、高性能矿物掺合料和高性能化学掺合剂。
水泥选用高强度的硅酸盐水泥或复合水泥；细砂需达到特定的粒径分布和粘结性能要求；钢纤维选用长度为13mm-25mm，直径为0.2mm-0.3mm的高强度钢纤维；矿物掺合料选用细度和化学活性较高的硅灰石粉和矿渣粉；化学掺合剂选用缓凝、减水率高的高性能减水剂。
2. 配合比设计UHPC的配合比设计要根据实际工程要求和材料特性综合确定。
常用的配合比为：水泥：细砂：水：钢纤维：矿物掺合料：化学掺合剂=1：1.5：0.2：2.5%：25%：3%。
3. 制备工艺（1）原材料预处理：将水泥、细砂、矿物掺合料和化学掺合剂按一定比例混合，加入适量的水搅拌均匀。
将钢纤维加入搅拌机中，与混合料进行干混，使钢纤维均匀分散。
（2）混凝土制备：将预处理好的混合料加入搅拌机，搅拌至均匀，然后进行振捣。
振捣时间一般为5-10min，振捣强度为100-200Hz。
（3）浇筑成型：将制备好的UHPC浇入模具中，用振动器振动排气，然后平整表面，进行养护。
三、UHPC的应用1. 桥梁工程UHPC在桥梁工程中的应用广泛，常用于桥墩、桥台、桥梁连接件等构件的制作。
UHPC不仅能够提高桥梁结构的承载能力和耐久性，还能够减小结构的自重，降低建造成本。
2. 隧道工程UHPC在隧道工程中的应用主要集中在隧道衬砌、隧道口等部位。
UHPC具有高强度、高耐久性、高抗震性和优异的耐腐蚀性能，能够有效提高隧道结构的稳定性和安全性。
月超高性能混凝土制备性能和应用
经典旳钢纤维长13mm，直径0.15mm，最大掺量2.5%。
3d强度： 90 ℃热水养护200MPa；400 ℃养护800MPa。
一、概述
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
2、发展历程
密实增强复合材料（CRC） 丹麦研究人员Bache在DSP材料旳基础上，采用长6mm，直径0.15mm ，掺量5-10%旳钢纤维，同步配以钢筋制备而成。 缺陷：钢纤维掺量高，成本大大增长，合用于有特殊要求旳构造，如： 抗冲击性能或很高旳力学性能等。
性能
抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 弹性模量/GPa 氯离子扩散系数（10-12m2·s-1） 碳化深度（mm）
一般混 凝土
20～50 4～8
30～40 1.1 10
高性能混凝土
50～100 6～10 30～40 0.6 2
UHPC
120～200 10～60 30～60 0.02 0
一、概述
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
一、概述
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
4、原则规范
• （4）日本
• 2023年成功 公布《 UHPFRC设计 与施工提议 》（暂定） ，提议成功 地应用到了
一、概述
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
4、原则规范
• （5）韩国
• 韩国在2023年制定了《K-
UHPC Design Guidelines (1st Draft) K-UHPC设计指南》（ 暂定），并在韩国混凝土协 会（KCI）旳帮助下，于2023 年公布《K-UHPC Design Guidelines K-UHPC设计指南》
一、概述
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
超高性能混凝土基本力学性能试验方法探究
超高性能混凝土基本力学性能试验方法探究超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC）作为一种新型的高性能材料，具有极高的强度和耐久性，广泛应用于建筑和基础设施工程中。
为了研究UHPC的基本力学性能，需要进行一系列试验。
1.抗压强度试验抗压强度是衡量混凝土抗压能力的重要指标。
UHPC具有极高的抗压强度，通常在150-200MPa以上。
抗压强度试验可按照国际标准进行。
试验时，需要制备适当尺寸的试件，并将其放置于试压机中进行加载。
加载时，以恒定速率施加荷载，并记录加载过程中的荷载与变形数据，得到荷载-变形曲线。
最终通过计算得到试件的抗压强度。
2.抗拉强度试验抗拉强度是另一个重要的力学性能指标。
UHPC的抗拉强度通常在10-20MPa左右。
抗拉强度试验可采用拉拔试验方法。
试验时，需要制备角棒形状的试件，并在试验机上施加拉应力。
通过记录加载过程中的荷载与变形数据，得到试件的荷载-变形曲线，并计算出抗拉强度。
3.弯曲试验弯曲试验用于评估材料的强度和韧性。
通过制备横截面尺寸合适的试件，并在试验机上按照一定的加载方式施加荷载，记录加载过程中的荷载与变形数据，得到荷载-变形曲线。
通过分析曲线，可以计算出试件的抗弯强度和韧性指标。
4.拉伸试验拉伸试验能够评估材料的抗拉强度、伸长性和断裂性能。
制备合适尺寸的拉伸试样，加装夹具，并在试验机上施加拉应力。
通过记录加载过程中的荷载与变形数据，得到荷载-变形曲线。
根据最大应力和伸长量计算出抗拉强度和伸长性能。
5.硬度试验硬度试验用于评估材料的耐磨性和弹性模量。
常用的硬度试验包括洛氏硬度试验、巴氏硬度试验和维氏硬度试验等。
通过在试验机上施加一定载荷，并测量产生的印痕或塑性变形，可以计算出试件的硬度值。
除了上述试验方法外，还可以使用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）等分析方法对UHPC的微观结构和物理性能进行研究。
低粘度超高强C100混凝土制备和性能试验研究
低粘度超高强C100混凝土制备和性能试验研究0引言随着我国社会经济的大发展与建筑科学技术的进步，人们的生存空间得到了不断地扩展，土地集约化使用要求越来越严格，使得现代化建筑的体量不断增大，建筑高度逐渐刷新纪录，高层建筑在城市中随处可见，超高层建筑也得到了快速发展，随之而来的高强材料也得到了广泛地应用。
由于超高强混凝土具有优异的高强、高耐久性能，超高强度混凝土的使用可以大幅度降低建筑物自重，提高相同基础设计时建筑的高度；降低同样承载要求条件下梁板柱的结构构件的截面积，进而减少单位建筑面积的混凝土使用量；相应地增大有限建筑面积内的使用空间，节约大量的混凝土与钢材，由于其具有较高的耐久性能，可以使建筑物使用寿命得到极大地延长。
使得其符合我国当今建筑材料发展的所要求得节材、节能的绿色经济技术政策，因此，成为了当今建筑材料绿色化技术需要发展的关键。
虽然，超高强混凝土经济技术优势较为明显，但是由于在生产制备超高强混凝土土中往往需要较高的胶凝材料用量、较低的水胶比，使得超高强混凝土拌合物非常的粘稠，不易泵送施工使用，收缩较大，开裂风险较大。
因此研究降低混凝土拌合物粘度，改善混凝土拌合物工作性能问题成为其推广应用中急需解决的问题。
文中拟通过不同混凝土活性矿物掺合料的选取与掺量选择、粉煤灰玻化微珠的掺加、适宜砂率与水胶比的确定等配合比优化技术手段，研究强度等级为C100的超高强度混凝土的工作性与抗压强度影响规律，为低粘度超高强C100级泵送混凝土配合比设计与制备提供技术参数。
1原材料及研究方案1.1原材料试验采用哈尔滨宾西水泥厂产虎鼎P·O52.5普通硅酸盐水泥，3d抗压强度31.5MPa，28d抗压强度63.2MPa，比表面积394m2/kg；五常拉林河产的II区连续级配中砂，细度模数为2.85，含泥量0.1%；5mm～20mm连续级配的玄武岩碎石；大庆热电厂产I级粉煤灰，需水量比98.6%，28d抗压强度比95.4%，细度45μm筛筛余2.4%；吉林产S95级矿渣，比表面积为453m2/kg，需水量比92%，28d活性指数99.7；辽宁东科聚羧酸系高性能减水剂（粉剂），减水率33.6%，大连产硅灰，北京产粉煤灰漂珠，市售液体有机硅消泡剂。
超高性能混凝土的制备与性能
材料强度明显提高。
２
２．１
Ｉ胱的性能
力学性能 典型的ＵＨＰBiblioteka 基本力学性能见表１。与高性能混凝土
能，因长纤维易相互搭接，降低拌合物流动性，故不宜使用长
度超过３０ ｍｍ的钢纤维，通常采用长度１３ ｍｍ以下的微细 钢纤维。Ｒｅｄａ Ｍ Ｍ等嘲采用长度３～６ ｍｍ的微型碳纤维
度。
Ｉ愀的制备
制备原理
高温养护的目的是改善ＵＨＰＣ的微观结构。由于在
ＵＨＰＣ的制备过程中通常使用硅粉，９０℃左右的高温养护
ＵＨＰＣ的基本制备原则为：去除粗骨料，掺人超细活性
可有效加速硅粉参与的二次水化反应，其晶体形貌也会发生
＊中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金（ＩＷＨＲ－ＳＫＬ－２０１２０４） 邓宗才：男，１９６１年生，博士，教授，博士生导师，主要从事新型复合材料及其结构研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｚｅ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 肖锐：通讯
骨料的种类、粒径、颗粒形状、用量都会影响材料的流变性和 强度。Ｒｉｃｈａｒｄ Ｐ等ｎ１选用的骨料是粒径范围０．１５～
０．６
压养护可以获得更高的强度，但由于设备限制，一般采用前
两种养护方式。
Ｋａｕｆｍａｎｎ ｊＥｌｌ］采用离心法、Ｓｃｈａｃｈｉｎｇｅｒ Ｉ等［１２］和Ｇｅｒｌｉ— ｃｈｅｒ
ｍｍ的石英砂，在之后的研究和应用中，骨料粒径范围往
Ｓ
往被放宽。Ｙａｎｇ
Ｌ等ｍ分别采用传统石英砂、两类粒径小
于５ ｍｍ的细砂、回收的碎玻璃作为骨料制备ＵＨＰＣ并进行
Ｔ等‘１３３通过抽真空的特殊工艺，降低了材料含气量，使
对比试验，发现碎玻璃作为骨料时ＵＨＰＣ的力学性能明显 降低，原因是碎玻璃骨料的颗粒级配不佳导致密实度相对较 低，且玻璃光滑的表面弱化了浆体与骨料之间的粘结性能。
C100超高强高性能混凝土技术研究
C100超高强高性能混凝土技术研究摘要：通过充分利用高性能减水剂和多组分复合料的超叠加效应,对骨料和配合比重要参数的优化和优选,配制出强度满足要求的C100混凝土,并对其综合性能进行了研究,表明该C100混凝土工作性能优异、耐久性能良好,达到高性能混凝土要求。
关键词：C100高性能混凝土；制备技术；研究引言如今，高强高性能混凝土得到越来越多的应用。
为适应建筑需求，混凝土科学技术水平不断提高，C60—C70混凝土已经成为通用混凝土，许多结构开始使用C100及更高强度等级的混凝土，因此研究开发C100混凝土具有重要意义。
1配制C100高强高性能混凝土研究的主要关键因素低水胶比所需的优质原材料如下：水泥:选用P.O52.5中联水泥;外加剂:选择高性能外加剂的标准以达到减水率高、分散性好，满足混凝土和易性好且具有3h以上保塑功能;矿渣粉:主要作用是改善混凝土的工作性，故选择矿渣粉应以碱性为好;粉煤灰:选用SiO2和Al2O3含量高的粉煤灰，使其活性指数、颗粒填充效应发挥更佳;硅灰:选用硅灰颗粒细小、比表面积大、SiO2含量高，具有较高的火山灰活性者;粗集料:选择高强、致密、级配合理、粒型良好、粒径不大于20mm、质地均匀坚固的洁净碎石。
2C100强度试配多组分矿物掺合料合理组合匹配，以提升水泥石及其与集料的界面强度。
多组分矿物掺合具有特殊的技术效应，可用以下两个方面反映复合组分对混凝土性能的贡献。
一是通过对混凝土单位用水量的影响来体现复合组分的作用。
当混凝土用水量确定时，除外加剂能降低单位用水量，合理匹配的复合矿物掺合料也具有较强的减水作用。
它可以使混凝土单位用水量进一步减水，水胶比进一步降低。
二是通过强度贡献来反映复合掺合料的作用。
以下试验使用超细磨矿粉(矿粉的比表面积800m2/kg)。
2.1不同水胶比的混凝土拌合物性能与强度不同水胶比的混凝土配合比见表1，不同水胶比的混凝土拌合物性能与强度见表2。
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高性能混凝土的制备与性能研究
一、前言
高性能混凝土是指在特定条件下，通过优选原材料，采用先进的配合
设计及施工工艺，获得具有优异性能的混凝土。高性能混凝土具有高
强度、高耐久性、抗渗透能力强、耐化学腐蚀、抗冻融性能好等特点，
广泛应用于大型工程、特殊建筑、高层建筑等领域。本文将着重介绍
高性能混凝土的制备和性能研究。
二、制备技术
1.原材料选择
高性能混凝土的原材料包括水泥、集料、添加剂和掺合料等。在原材
料选择上应该严格按照标准进行筛选，选用质量好、性能稳定、适应
性强的原材料。
水泥：选用普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、高性能水泥等。
集料：选用优质石英砂、石子、玄武岩、花岗岩等。
添加剂：选用高效减水剂、缓凝剂、增稠剂等。
掺合料：选用粉煤灰、硅灰、微珠混凝土等。
2.配合设计
高性能混凝土的配合设计应根据工程要求，制定合理的配合比，确定
水灰比、砂率、石子率、掺合料掺量等参数。
3.施工工艺
高性能混凝土施工工艺要求严格，应遵循以下原则：
（1）严格控制原材料的质量，确保符合设计要求。
（2）采用先进的搅拌设备，混凝土搅拌时间应控制在规定时间内。
（3）使用高压喷洒机喷涂混凝土，确保混凝土的密实性。
（4）采用养护措施，保证混凝土的强度和耐久性。
三、性能研究
1.强度性能
高性能混凝土的强度表现为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度等。研究
表明，高性能混凝土的抗压强度可达到100MPa以上。
2.耐久性能
高性能混凝土的耐久性表现为抗渗透性、耐久性、耐化学腐蚀性等。
研究表明，高性能混凝土的抗渗透性能好，能有效防止水分和氯离子
的渗透，耐久性好，能够长期保持强度和稳定性。
3.可塑性能
高性能混凝土的可塑性表现为流动性、变形性等。研究表明，高性能
混凝土的流动性好，能够在不损害强度的情况下实现较高的可塑性。
4.经济性能
高性能混凝土的经济性表现为成本、施工效率等。研究表明，高性能
混凝土的成本相对较高，但其施工效率高，能够有效节约人力和时间
成本。
四、结论
高性能混凝土具有优异的性能，但其制备和施工过程较为复杂，需要
严格控制各种因素。在未来的研究中，应进一步探究高性能混凝土的
配合设计、施工技术和应用领域等问题，以推动其在工程领域的更广
泛应用。