一種超高性能混凝土檢查井蓋的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種超高性能混凝土檢查井蓋，尤其是一種輕質(zhì)超高性能混凝土 檢查井蓋。
【背景技術(shù)】
[0002] 超高性能混凝土定義與發(fā)展歷程
[0003] 超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱 UHPC)，因為一 般需摻入鋼纖維或高強聚合物纖維，也被稱作超高性能纖維增強混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，簡稱 UHPFRC)。UHPC 不同于傳統(tǒng)的高強混凝土 (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，至今在中國仍然較多地使用"活性粉末 混凝土（簡稱RPC)"名稱。RPC是法國一個公司的專利產(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。
[0004] 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配達 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)短鋼纖維增強材料；抗 壓強度不低于150MPa ;具有受拉狀態(tài)的韌性，開裂后仍保持抗拉強度不低于5MPa(法國要 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。
[0005] UHPC屬于現(xiàn)代先進材料，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)生了跨越式進步。使用UHPC可以建造輕質(zhì)高強和高韌性 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。
[0006] 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。進入本世紀(jì)，在歐美、日韓等許多國家均將UHPC 作為新型、未來的或戰(zhàn)略性工程材料進行研究與發(fā)展，法國和日本率先制定了設(shè)計指南。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)用不斷取得新進展，定期舉辦國際UHPC/UHPFRC研討會進行 學(xué)術(shù)交流。
[0007] UHPC的制備與增強、增韌原理
[0008] 上世紀(jì)七十年代初的一些試驗研究證實，提高水泥凈漿的密實度，可以有效提 高強度。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。使用高強骨料，DSP基體混凝土 的抗壓強度可以達到280MPa，但脆性非常大；同時使用鋼纖維增強增韌（即UHPC)，抗壓強 度可達到400MPa(常溫養(yǎng)護）。后來再進一步，法國使用高壓成型和高溫高壓（壓蒸）養(yǎng)護 的活性粉末混凝土（RPC)，最高抗壓強度達到了 800MPa。
[0009] 高密實的DSP基體與鋼纖維界面的密實度也非常高，界面粘結(jié)強度得以大幅度提 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。
[0010] 用DSP理論配制超高強度混凝土，是混凝土技術(shù)的一個重大突破。同時期出現(xiàn) 的MDF水泥（Macro Defect Free，宏觀無缺陷水泥，用聚合物填充水泥衆(zhòng)孔隙和裂縫）， SIFCON(Slurry Infiltrated Fibre Concrete，預(yù)填鋼纖維灌注水泥細(xì)砂衆(zhòng)的混凝土），也 可以獲得很高的材料強度和韌性，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理論實現(xiàn)更高的密實 度，只需要選擇適宜優(yōu)質(zhì)原材料和進行配合比優(yōu)化，不需要使用特殊的工藝方法，用傳統(tǒng)攪 拌設(shè)備和振動密實方法，就能生產(chǎn)與成型。因此，基于DSP理論配制的UHPC，較快地進入了 實用階段。
[0011] 如今，已經(jīng)能夠配制自密實UHPC，預(yù)制產(chǎn)品與現(xiàn)場澆筑比較方便。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 要使密實度最大化。
[0012] UHPC的力學(xué)性能
[0013] 單純的超高抗壓強度往往伴隨著"超高脆性"，并不意味"超高性能"。UHPC的"超 高力學(xué)性能"更主要體現(xiàn)在超高抗拉強度（單軸抗拉和彎曲抗拉強度）和高韌性，這依靠 加入短纖維來實現(xiàn)。早期使用直徑0. 15-0. 4_、長度6-12_的平直光圓鋼纖維，可將UHPC 的抗拉強度提高到30MPa，斷裂能達到1，500-40, OOON/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l，000J/m2劃分為韌性材料）?，F(xiàn)在，使用 異形，特別是扭轉(zhuǎn)形高強鋼纖維，可以進一步提高UHPC的抗拉強度、變形能力、韌性或斷 裂能。此外，高強高模的聚乙烯醇（PVA)纖維也用于UHPC的增強與增韌；聚乙烯（PP)纖維 用于提高UHPC的耐火能力。
[0014] UHPC的抗壓與抗拉強度大幅度超越其它水泥基材料。在變形能力方面，UHPC可以 在相對低的纖維含量水平實現(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；隨后拉應(yīng)力上升，進入非彈性的應(yīng)變硬化階段（類似鋼材的"屈 服"）；達到開裂后最大拉應(yīng)力（抗拉強度），出現(xiàn)個別裂縫在局部擴展，之后拉應(yīng)力下降，進 入軟化階段。"應(yīng)變硬化"是韌性材料的重要特征，體現(xiàn)短纖維增強增韌效率"質(zhì)"的變化， 目前只有ECC (高延性水泥基復(fù)合材料）和UHPC可以實現(xiàn)"應(yīng)變硬化"。普通和高強纖維混 凝土（FRC、HSFRC)開裂即軟化，纖維強度未能有效發(fā)揮，故提高韌性的作用有限。鋼纖維增 強增韌的UHPC，再與高強鋼筋或鋼絞線復(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，可以實現(xiàn)更高的強度/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、高韌的結(jié)構(gòu)，至今已經(jīng)發(fā)展出 多種橋梁結(jié)構(gòu)。
[0015] UHPC的耐久性與可持續(xù)發(fā)展
[0016] UHPC最具吸引力的另一個性能是潛在的超高耐久性。從理論上和根據(jù)至今的試 驗研究結(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)高強高性能混凝土（HSC/HPC)相比，有數(shù)量級或倍數(shù)的提 高。但UHPC不耐硝酸氨腐蝕，因為鋼纖維會較快銹蝕。
[0017] UHPC具有非常好的微裂縫自愈能力。由于水膠比非常低，UHPC拌和水量僅能供部 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，水或水汽進入UHPC的裂 縫，暴露在裂縫表面的水泥顆粒未水化部分就會"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。試驗和工程驗證表明，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。
[0018] UHPC的耐久性能中，表面鋼纖維的銹蝕一直令人關(guān)注?？拷砻娴匿摾w維保護層 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 銹蝕的危險性。目前10-15年的試驗和實際工程觀察表明，只要鋼纖維不露出表面，UHPC密 實的基體能夠非常有效地保護鋼纖維不銹蝕，露出表面鋼纖維的銹蝕沒有擴展到內(nèi)部，僅 限于表面，但會影響表面美觀。因此，對于有裝飾功能的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。
[0019] 與鋼結(jié)構(gòu)相比，UHPC結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于高耐久性和幾乎沒有維護費用，并容易達到 建筑防火要求。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，UHPC結(jié)構(gòu)壽命可成倍提高。根據(jù)理論分析、 現(xiàn)有的暴露試驗以及實際工程檢驗結(jié)果，預(yù)期UHPC結(jié)構(gòu)壽命，在腐蝕性自然環(huán)境中（如海 洋環(huán)境）可以超過200年以上；在非腐蝕環(huán)境（如城市建筑）可以達到1000年。相對保守 的日本指南認(rèn)為，在正常使用環(huán)境條件下，UHPC結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作壽命為100年。耐久性中 的碳化、鋼纖維與鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕和堿一骨料反應(yīng)屬于免檢項目，但重化 學(xué)腐蝕和耐火性能是需要檢驗的項目。
[0020] 使用膠凝材料濃度指數(shù)bi (binder intensity)和碳濃度指數(shù)ci (C02intensity) 兩個水泥應(yīng)用的生態(tài)效率指標(biāo)進行評定，UHPC屬于最高效率使用膠凝材料或水泥的混凝 土，同時也是最低碳的混凝土材料。通過具體工程結(jié)構(gòu)的計算比較，可以量化分析UHPC的 節(jié)材、節(jié)能和減排效果。例如，對比典型的鋼梁一鋼筋混凝土橋面板復(fù)合結(jié)構(gòu)公路橋與UHPC 門型梁的梁板一體公路橋（兩個橋的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)不同，長度、寬度和功能完全相同），定量 分析表明：UHPC橋節(jié)材體積為24%，節(jié)材重量為35% ;節(jié)能54% ;減少直接排放CO2和全球 變暖潛能GWP (當(dāng)量CO2排放）分別達到59%和44%。
[0021] UHPC的應(yīng)用，縱觀國際上UHPC的研究、發(fā)展與應(yīng)用，領(lǐng)先的國家各具特色，簡介如 下：丹麥的研究最有創(chuàng)新性，現(xiàn)在較多地應(yīng)用在風(fēng)電塔筒連接、輕巧美觀的建筑結(jié)構(gòu)上，如 陽臺、樓梯、幕墻、建筑保溫體系等；法國的研究規(guī)模大、參與單位多，向世界展示出UHPC的 價值，引領(lǐng)在多方面應(yīng)用的發(fā)展，如橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和幕墻、結(jié)構(gòu)連接、長壽命路面等，其中 拉法基的Ducta W產(chǎn)品在世界范圍推廣應(yīng)用；德國的研究從微觀到宏觀面面?zhèn)樀?，較快用 于生產(chǎn)制造多種產(chǎn)品，如鉆孔粧鉆頭（替代鑄鋼）、機床基座、建筑立柱等；美國