001.UHPC基底材料的設計原理是什么?
緊密堆積。這是所有致密粉末材料設計的基本原理之一??蓞⒖捶勰┮苯鸬南嚓P知識。
002.如何選擇UHPC用纖維?
考慮性價比,可優先選用金屬纖維,其次是非金屬纖維。不同纖維混合使用時,需小心實驗后再合理選用。
003.為何不建議UHPC使用大尺寸骨料?
這涉及材料斷裂力學問題,包括原始裂紋尺寸大小和缺陷密度問題;也涉及材料勻質性問題,如大顆粒的空間分布問題;還涉及多孔材料中的傳質問題,如缺陷尺寸、連通性和缺陷密度問題。
除非必要(或構件斷面尺寸足夠大),一般不宜采用>5mm的骨料(除非確實必要,如減縮、降溫、降低成本等)!
004.UHPC適用于哪些場合?
常規混凝土不能滿足要求的地方!
有高抗滲、高抗凍、高抗鹽侵蝕要求的地方;
有高抗震、抗爆、抗裂要求的地方;
超大跨度結構、大型殼結構、曲面結構;
舊結構的修補與加固等……
005.如何保證UHPC的基本品質?
無纖維基底材料的立方體(100x100x100mm)抗壓強度不低于150MPa,抗拉強度不低于5MPa,滲透性比C80低兩個數量級,且無肉眼可見氣泡;這些也都是入門級品質要求。
另外,應免除常規混凝土(包括HPC)的常見劣化問題(包括鋼筋腐蝕、凍融破壞、堿-骨料反應和硫酸鹽侵蝕)困擾,這樣的UHPC才配得起真正UHPC的稱號;如果仍受這些劣化現象困擾,那就配不上UHPC的稱呼。
006.UHPC的抗磨和耐火性能也能高出C80很多嗎?
水泥基材料的抗磨性能和抗火性能均需特殊設計,與材料的抗壓強度或致密性沒有固定關系。
UHPC的抗磨和耐火性能可以設計得非常優異,但與C80相比,不易實現數量級或幾個數量級程度的提升。
007.UHPC的彈模為何不容易達到55GPa以上?
材料的彈模本質上取決于材料中主要結合鍵類型。UHPC仍然是水泥基材料,結合鍵類型沒有發生本質變化,不可能顯著提高。
008.什么樣的UHPC性價比較高?
以目前國內生產水平看,標準立方抗壓強度在150~200MPa之間,抗拉強度在7~12MPa之間,滲透性低于C80兩個數量級的UHPC材料性價比較高;隨著未來技術發展,這些指標將會發生變化。
009.UHPC最大弱項是什么?
和其它水泥基材料一樣,不耐酸腐蝕(包括硫酸鹽菌的侵蝕,雖然比OPC好很多)。
自收縮更大,早期開裂敏感性理論上更強(實際不一定)。
010.為何要對UHPC進行蒸養?
主要是消除UHPC的后期經時水化帶來的不良影響,如收縮開裂. 徐變等;另外,可提高UHPC的強度和致密程度。
充分蒸養(又稱濕熱養護、熱養護、“熱處理”等)能讓常溫下可水化的膠凝材料盡早完成水化,減少后期經時變化。
所以,有條件蒸養的就盡可能蒸養,不必一味追求免蒸養技術。免蒸養并不總意味著先進,要因材、因境隨機應變為好!
011.結構上怎么用UHPC?
這就要看建筑師和結構工程師的手藝了!
UHPC是一大類、或系列材料,它和預應力天生是絕配!摻纖維的UHPC與不摻纖維的UHPC基體材料,和預應力都是絕配!對于蒸養的UHPC,和預應力配合最為理想!很多情況下,和先張預應力配合最棒!
普通配筋時,情況稍復雜!讓人燒腦的是如何用好那幾個MPa的UHPC抗拉性能!
如果想用UHPC的耐久性能,那就容易多了,用途也會變得極其廣泛!比如你可以把它用作結構蒙皮或護套,也可用它來做既有結構的加固,都很棒!
對于裂縫控制或承載力控制的場合,使用UHPC時,考慮上可能要有所不同。
總之,就看你想更多地用它的力學性能,還是耐久性能,還是其綜合性能?不能言盡。
012.UHPC結構設計上常遇到的問題有哪些?
一是如何用好UHPC的抗拉性能(包括不摻纖維的UHPC基體材料)?
二是如何降低工程造價?
013.如何用好UHPC的抗拉性能?
盡可能多地將UHPC用在有高韌性或有抗疲勞要求的地方,比如抗震、抗爆工程、地下防護工程、重載鐵路工程等。
對于預應結構,可考慮降低幾MPa的外加預應力。對于非預應力結構,可將其用于一些有抗拉要求的部位??赏ㄟ^采用不同配筋,巧妙地進行結構設計。
014.銀行金庫、寺廟地宮是不是特別適用?
當然!各種金庫、寺廟建筑(包括地宮、佛塔、大殿等“千年建筑”)、棺槨、安全房等統統適用。
015.如何降低UHPC的成本或工程造價?
成本或造價本質上是市場問題。追求品質的人一般會把品質保證放在首位,然后再考慮成本優化,不一定非要降低。
如果從耐久性上考慮,選用UHPC的全壽命周期成本應該更低。
如果結構設計人員能充分利用UHPC的力學特性,在結構優化上多下功夫,再綜合考慮施工和裝配成本,應該能做到不顯著增加工程造價,甚至會某種程度上降低!
對于高品質和高要求的結構物,以及一些特殊工程,不能總把降低工程造價作為首要前提!否則做不出傳世佳作。
016.UHPC的抗剪性能如何?
肯定要比傳統混凝土好得多。不過,在目前的抗剪驗算方法上顯不出優勢。
加上很多人擔心纖維取向帶來的各向異性的不確定性,目前在抗剪應用上還有些保守。好在很多人都在努力,相信未來會有好的結果。
017.如何減少免蒸UHPC的早期收縮?
除常規的減縮和微膨脹手段外,目前還沒有令人眼前一亮的技術,需要更多的技術創新。
由于UHPC的水膠比很低(通常<0.16),即使采用微納米材料(如沸石、分子篩類)預飽水技術也不能理想地解決此問題。
將來在高分子材料、微納米顆粒料的表面預處理上多下功夫,看有無突破此技術難題的可能。
采用摻加堅固粗骨料的方式來減少收縮,其前提是不能顯著降低材料的抗滲性和力學性能,否則就落入高強HPC范疇了,不再具有UHPC的優異品質。
在沒有成熟有效的綜合減縮方法以前,宜盡量減少現場澆筑,多多采用工廠蒸養預制。
不過,對于有密封防護護套的灌漿加固場合,可大量采用現澆UHPC,也可摻加適量粗骨料。
018.UHPC有沒有一些特殊的收縮問題?
有??蓵簳r叫它“物理收縮”,它是大量微細顆粒體自身的特有問題,與傳統OPC和HPC不同。這也是采用常規手段不能解決相應問題的原因之一。
019.采用大體積UHPC時,需要注意些什么?
盡量避免采用大體積UHPC,如果不得不采用,需特殊設計,不能機械化地一澆了之。
主動采用大體積UHPC并不意味著你的結構設計或施工水平就高!
不得不采用時,從減小溫升和減縮角度考慮,可以適當摻加一定量的粗骨料,前提是不能顯著降低其品質;也可采用適量預飽水微細粉體材料。
能否采用水化熱抑制劑需由實驗確定。
020.難道用UHPC,首先要考慮輕、薄、脆、透的應用場合?
不是首先要考慮這些場合,而是過去那些重、厚、笨、死的混凝土結構在采用UHPC后,通過結構優化,會變成這些樣子!
021.UHPC為啥要測抗拉性能?
UHPC區別于OPC、HPC的典型性能就是它的抗拉性能,這也是結構設計人員最感興趣的力學性能,所以要測。
022.UHPC為啥要用直拉試驗?
因為最直接,最省事!
有些國家用UHPC的抗彎性能來反算它的抗拉性能。對于不摻纖維的基底材料來講,應該是存在固定換算關系的;對于摻纖維的UHPC,應該不存在唯一換算關系,所以還不如直接測量來得痛快!
對于直拉試驗,不同國家采用的試件形狀和尺寸也不盡相同。有的采用板狀試件,有的采用啞鈴(狗骨)試件,有的采用棱柱體;有的采用切口試件,有的不采用切口試件;有的試件要求打磨掉表面浮漿層,有的則不要求;測試時,有的要求試件與夾頭固接,有的則要求鉸接,等等。
這些測試結果之間能否進行直接換算,除理論推導修正外,還應考慮試件尺寸效應和具體測試技術之間的差別,最好通過做對比試驗來加以確定。
023.UHPC的彈性段應變怎么測比較方便?
用紙基應變片測就比較方便。
若用引伸計或位移計,需要的精度和數據采集速率都比較高,很昂貴;萬一觸頭有滑動,數據很難看。千萬別用精度不高的數字千分表去測!
024.UHPC的初裂及初裂后的應變不易測準,怎么辦?
紙基應變片只要貼好了,很容易獲得UHPC的初裂時間和應變,甚至初裂后的部分裂縫擴展應變也可獲得。
初裂后的應變確實不易測準。無論你采用多好的引伸計或位移計,都不易測準。因為試件有時會發生扭轉,位移計觸頭有時會發生滑移等。所以要多測一些試件,找出代表的數據來反映材料的直拉特性;發表時可將所有數據同時發表,千萬不能撿其中最牛的曲線去發表,更不能拿其中最牛的曲線去吹牛,不然牛皮吹多了,也總有吹破或掉坑里的時候。
某種意義上講,初裂后的應變數據也僅可用作參考;對于那些“特別好、特別理想”的裂后應力應變曲線,有時可不必特別當真。
025.能用GB/T50081的UHPC抗彎強度換算為T/CBMF37的抗拉強度嗎?
絕不可以呀!除非你測量的是不摻纖維的基體材料;或是你參考了國內外標準測試方法,對摻纖維UHPC的抗彎試驗進行了改進,并在大量試驗和數據統計分析基礎上找到了換算關系及誤差波動范圍,否則就別去機械化地進行“理論”換算;因為單單因試件尺寸效應引起的誤差,你就無法忽略!
026.只有抗彎強度測試條件怎么辦?
可否請結構設計單位(或通過監理建議設計單位)提供相關的抗彎強度要求最小值或范圍?
027.UHPC的抗彎性能可否用于材料或產品檢驗和進場驗收?
完全可以。對于材料供應商和使用方來講,可通過合同進行約定。
如果只規定了材料或產品的抗拉性能,若滿足以下情況,供需雙方仍可按抗彎性能對材料或產品進行檢驗和進場驗收:
(1)供應商有足夠的自測數據可證明其所提供的UHPC材料或產品的抗拉性能和抗彎性能指標之間存在穩定的對應關系;
(2)經供需雙方認可的第三方測試證明供應商所提供的UHPC材料或產品的抗拉性能和抗彎性能指標之間存在穩定的對應關系。
028.如何建立UHPC抗彎性能與抗拉性能指標間的關系?
可參照GB/T50081的四點抗彎試驗,規定試件尺寸為100x100x400mm,在試件跨中底部粘貼紙基應變片來檢測其初裂抗彎強度,在試件中和軸的跨中位置設置位移計來檢測試件的抗彎強度;這樣通過大量試驗和數據統計來找出抗彎初裂強度和抗彎強度分別與T/CBMF37所測的彈性極限抗拉強度和峰值抗拉強度間的對應或換算關系,并同時確定出其誤差范圍。
需要注意的是,應變變化無法對應!
029.如何建立UHPC的劈裂性能與抗拉性能指標間的關系?
別用立方體劈裂試驗,可選用巴西劈裂試驗,即采用GB/T50081中的圓柱體劈裂試件Ф100x200mm,在底圓中心粘貼紙基應變片或位移計來檢測試件的初裂強度或劈裂強度,然后再與T/CBMF37所測的彈性極限抗拉強度或峰值抗拉強度進行比對,通過大量數據統計看能否建立起對應或換算關系。
注意:摻纖維UHPC的劈裂圓柱體的初裂強度和劈裂強度并不易測準;不摻纖維的基底強度間可能會找到合適的換算關系。
030.小8字?;虮壤糯蟮?字模試件可用做UHPC的抗拉試件嗎?
肯定可以用作拉伸試件,用來測試初裂強度和抗拉強度技術上可行的,但是其應變數據不好用,因為其基準拉伸長度區間明確。
另外,小8字模試件尺寸小,纖維在其中的分布與實際構件有顯著差別,故由它測得的強度值會明顯高于實際值。
031.UHPC抗拉試件有的要求從一頭澆筑,有的不要求,為什么?
國外的試件制備有的有這樣的要求。這主要是考慮了新拌UHPC的流動性和纖維分布以及取向的影響。
如果特別重視澆筑方式及纖維取向的影響,可參考法國和瑞士的一些做法??蓞⒖紝嶋H澆筑工藝,澆筑成型大尺寸構件,然后從該構件中的不同部位,考慮不同纖維取向而切取一定數量的試塊,將切割的試塊加工成標準測試試件進行性能測試。
無論哪種方式,只要測試試件數量足夠多,總是可以找到材料的典型代表性統計數據的。
032.有的規定蒸養試件要冷卻到室溫才可進行測試,不這樣做行嗎?
考慮到溫度變形,要粘貼應變片和安裝位移計等測試工序,最好能冷卻到室溫并在統一測試條件下進行測試。
如果只是橫向比較,或想盡快知道某個特征值是否達到了規定要求,如初裂強度或抗拉強度,也可規定一個相同測試條件,如蒸養后即刻測,也是可以的,當然如果你能操作的話。不過,不同溫度下的測試結果是不能直接比較或等效的,盡管有的數據對溫度或濕度不一定那么敏感。
033.機械加工的直拉試件與直接澆筑的試件哪個更好?
不能說哪個更好!這不僅取決于機械加工或澆筑水平,還取決于材料特性。
如果機械加工要求不明確,或加工質量不佳,造成試件受拉區或變截面區有肉眼不可見缺陷,就可能產生負偏差;另外,一些機械加工用的油脂污染,也可能帶來不良影響。
直接澆筑試件的成型面通常是試件的薄弱區域,直拉時多半會由此開裂。如果纖維明顯分布不均,可能會引起剪切破壞或試件扭轉,測試結果的離散性可能更大。
鑒于澆筑成型面的這些影響,澆筑試件的直拉測試結果通常會比機械加工試件的小,也就是說,如果要達到同樣的規定值,用直接澆筑試件來進行測試,結果會更加保守一些;另外,考慮實際施工狀況,直接澆筑試件的測試結果相對于機械加工試件的結果可能會更加偏安全一些。
034.為何國內外多采用啞鈴(狗骨)試件作為直拉試件?
這都是基于大量有限元計算和實際試驗后確定的。當然,還考慮了測試的便宜性和可操作性。
真正的學問在于試件變截面和直拉區的設計,重點是要消除局部應力集中。
035.用板狀試樣做直拉不是更方便?
方便是方便,可是纖維取向的影響有時不可忽略!
036.直拉試件的截面尺寸是不是越大越好?
不一定。試件截面尺寸越大,拉力機的量程也要越大,但測量精度就不一定能保證。另外,試件尺寸越大,尺寸效應,特別是缺陷影響程度可能越大,測量結果離散性有時會更大。
直拉試件的截面尺寸若能兼顧實際構件的典型截面尺寸和測試設備的精度,那應該是比較合適的。
037.力控制和位移控制加載方式哪個更合適?
不好說哪個更合適。有人認為彈性段用力控制更合適,裂后用位移控制更合適;有人認為統一用力控制或用位移控制都可以。
如果能結合實際構件的使用工況,則可規定出合適的加載方式。不好規定時,可選定某種加載方式進行對比即可。
038.UHPC的初裂強度與基體材料的抗拉強度有關系嗎?
有。UHPC的初裂強度通常與基體的抗拉強度較為接近,通常情況下可能略高于基體抗拉強度10~20%。初裂應變也與基體的較為接近,比如基體的若在150~160微應變時,摻纖維的可能在180~200微應變。
因此,UHPC彈性段的貢獻70~80%來自于基體貢獻;所以說,只有做好了UHPC基體材料,才能做好UHPC,原因就在于此!
039.裂后性能與基體強度是什么關系?
裂后變形性能取決于纖維性能和纖維與基體的界面粘結強度。
當纖維抗拉強度和變形能力強時,如果它與基體的結合強度越高,則更容易實現表觀應變硬化;否則,越不易。
一般地,基體強度越高,越致密,纖維的親水性越高,兩者之間的粘結強度就越高。所以說,高的基體強度對UHPC裂后的變形性能貢獻也相對較大。
040.UHPC的初裂應變、峰值應變、極限應變怎么???
對于抗壓或抗拉的初裂應變,通??扇?/span>200(150~200)微應變;
峰值壓應變可取為2000(1500~2000)微應變,極限壓應變可取為4000微應變;
對于表觀應變硬化的UHPC,可規定其峰值拉應變不低于1500微應變,極限應變不低于1500~2000微應變。
041.UHPC不總在含氯環境中,為何要用氯離子擴散系數表征它的抗滲性?
水泥基材料的劣化(含碳化)都離不水,所以過去常用滲水壓或滲水系數來表征材料的抗滲性。它的測試原理是要求水能在壓力作用下穩定流動;當然,這一要求也適用于其它流體,如油或其它有機液體(可參見鉆井或石油領域的相關論著)。
當水泥基材料中的孔隙結構不允許流體在其中流動時,物質粒子的擴散就成為其中主要的傳質過程。在水溶液中,遷移能力較強的粒子是氫離子、氫氧根離子和一些鹵素離子,如氯離子。由于氫、氫氧根離子材料中事先大量存在,定量測量技術門檻高,再加上考慮劣化環境因素的影響,人們就選用氯離子在其中的擴散難易來間接反映水泥基材料的抗滲性;此時,氯離子只是一個量測水泥基材料抗滲性高低的尺子,并不一定要求材料在含氯環境中使用才這樣做,不少人在這一點上產生了誤解,卡了殼!
法國采用透氣性、表面吸水率、電遷移下的氯離子擴散系數來表征UHPC的抗滲性。大家一定要注意:水泥基材料中的氣體傳輸要比水或氯離子傳輸復雜得多,除了化學反應要摒除外,還要考慮氣體在孔隙中的物理和化學吸附與吸收,以及含水率的影響;即使對于滲透較高的OPC或HPC,其測量結果爭議性都比較大,更不用說用于滲透性極低的UHPC了,在測試技術上完全不用考慮!
對于表面吸水率,由于UHPC的孔隙率很低,孔徑很小,連通性很差,所以,采用表面吸水率來表征UHPC的滲透性完全不可取,大家也不必考慮。
對于電遷移下的氯離子擴散系數測試,請大家記?。悍彩遣捎蔑@色深度來計算擴散系數的方法,對于UHPC完全可以放棄!即使對于HPC,其測量誤差通常也高于25%,可是一些明知它存在嚴重缺陷的“專業”人員,卻仍死死抱住不放,這里面除了一些私利外,也給實際工程檢測結果的”合理“調整預留了很大隨意空間(試驗方法誤差越大,有些人越喜歡)!
即使NEL法也不能完全適用于當前的UHPC,它所測的結果只是UHPC本體特性的一個間接反應,好在測量結果看上去還相對湊合。
這就是為什么目前仍暫時選用氯離子擴散系數來表征UHPC抗滲性大小的一些原由,它也適用于HPC的情況。
因此,對于UHPC的抗滲性表征方法還應進行深入探索。示蹤原子(或離子)法看上去可行,但操作性差;文獻中的EPMA法本就存在嚴重錯誤,大家不必在該方法上浪費時間。
042.NEL法的英文全稱到底是什么?
NEL指Nernst-Einstein-Lab;Lab指Laboratory;指基于能斯特-愛因斯坦方程的氯離子擴散系數室內試驗方法。
本來還有一個NEF法,即Nernst-Einstein-Field方法,當年看到那么多丑陋的事,寒心了,就沒有再往外推了。
【忍不住吐槽一下:到目前為止,國內所用的ASTM C1202試樣夾具相當一部分是直接抄襲路老師90年代的改進設計版本;網上還在售賣的NEL-PDR檢測和配套設備都是直接抄襲和盜版路老師本世紀初的開發版本;還有人將其它電測法與NEL法捆綁在一起就算作自己的科研成果,真是好笑~正是由于這些人的一知半解,加上個別標準制訂者的偏見,讓一個好端端的試驗方法就這樣毀掉了~】
043.UHPC的抗滲性必須做嗎?
設計有要求時則必須做。
一般地,當UHPC的基體抗壓強度和摻纖維UHPC抗壓強都能達到150MPa及以上者(摻纖維不當時,強度有時會降低),可以免除抗滲性能檢驗。
044.能用直接澆筑的圓塊來測量UHPC的抗滲性嗎?
絕對不可以!因為其表面皮膚效應不可忽略,一定要按規定要求做。
045.如何判定NEL法測試結果的合理性?
測試中得到的伏安曲線越是接近通過原點的直線,則測試結果越準確、越合理;平行試樣的測試結果越相近,則測試質量越好。
046.NEL法測試結果離散較大,怎么辦?
有條件重做的重做。無條件重做的,視平行測試結果的數據分布,取中間值或最大值作為該材料的測試值。若從嚴要求的話,取最大值。
047.NEL法測量時,如何消除電極與試樣間的接觸電阻?
用飽鹽溶液將銅電極表面或試件被測區濕潤即可。
048.NEL法飽鹽試件可以反復測試嗎?
不可以。因為第二次測量時的初始條件已與初次測量時不同了。
若遇到中途停電,或設備出問題,或其它隨機事件,就想在測試一遍后再進行第二次測量,那該怎么辦呢?可將飽鹽的試件在飽鹽溶液中自然浸泡72h或一周以上再來測量;如果是一批試件,則需同批同條件重測,且選用同一批次數據,不可前后批數據混雜。
049.NEL法飽鹽試件可以反復飽鹽嗎?
不可以。除非你就想看看會發生什么變化。
050.NEL法最大的缺點是什么?
目前尚無法事先知道試件飽鹽是否飽透了,只有在測量中或測試后才可以知道。
怎么叫飽鹽飽透了呢?只要測試過程中得到的伏安曲線是近似過原點的直線就算是飽透了!絕不是像有些人想象的那樣,用壓力機劈開試件,噴上顯色劑,看到滿眼的氯離子才算飽透!為什么?這需要由材料缺陷密度和連續通道模型來解釋。
(待續)