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材料强度本质 ‧ 砼 ‧ UHPC

材料强度本质

材料的强度和变形性能本质上取决于该材料的化学键强和微观结构。

对于理想晶体，利用第一性原理分析软件即可计算该晶体的理论抗拉（或剪切）强度和弹性(或剪切)模量。当然也可用简化周期函数进行近似估算。

图1 Fe的体心立方晶胞及其拉压

当计算出的理论抗拉强度远远小于理论剪切强度时，材料一般呈脆性破坏；反之，则呈延性破坏；当两者相近时，可呈脆性、也可呈延性破坏。

面心立方结构材料多是延性材料，体心立方结构材料中有的是脆性材料、有的是延性材料^[1]。

一般地，理论抗拉强度通常是实际材料的几十~几百倍，而理论剪切强度通常是实际材料的几千~几万倍。

这是为什么呢？因为实际材料中存在缺陷，如微观结构缺陷或宏观组织缺陷。

微观结构缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。在外力作用下，会发生位错移动（位错理论）。

宏观组织缺陷包括杂质、孔隙、裂纹等。在外力作用下，缺陷处产生局部应力集中，诱发材料开裂（断裂力学）。

缺陷尺寸、大小、分布特性导致材料性能呈现尺寸效应和概率分布特征。材料尺寸和断面越小，其中的缺陷尺寸和密度也相对越小，故其强度也相对更高，如纤维材料的强度通常会高于同质块体材料的强度。

实际材料的力学指标通常呈正态、对数正态或韦伯分布。这就是为什么很多情况下要求材料强度有一定保证率（如最低95%）的原因之一。

实际材料很少在单纯静力状态下工作。当有交变荷载、高低温作用或腐蚀作用时，材料的实际破坏强度往往要比它的静力拉伸强度低很多，因此，常常要有足够的安全冗余。

机械疲劳强度可由实验确定，可根据S-N曲线进行寿命设计；但是，对于腐蚀疲劳，因往往不存在固定的疲劳极限强度，所以许多情况下难以实现理想设计。

图2 材料的多尺度模拟

材料性能及行为的多尺度计算模拟是需要多多关注的方向之一，将模拟计算与实验相结合，可高效了解各种新材料的破坏行为及潜在性能，并有可能在较短时间内找到提高材料性能的一些技术途径。

砼

砼即混凝土，意指“人工石”。

混凝土的物理力学性能的确与天然岩石有不少相似之处，例如它的破坏模式、渗透性能等。

天然火成岩和水成岩的化学组成和显微结构大不相同，因此，它们的物理力学性能也当然有异。

对于同类岩石，若形成年代不同、含水率不同、风化程度不同，其物理化学性能也会千差万别。如有些地区的花岗岩裂隙大，吸水率高，强度低；有些地区的质地坚硬、密实、强度高。在配制混凝土时，前者往往需要较大的用水量，后者则相反。

表1是部分石材的力学指标^[2]。石灰岩和花岗岩常用做混凝土骨料，在配制一些高强混凝土时也会用到玄武岩。由表1可以看出，这几种岩石的轴压弹模有的可达60GPa以上，抗压、抗拉强度分别可达200MPa和20MPa以上。

表1 部分石材的力学指标

常用的“人工石”，如C25~C80混凝土，其力学指标只达到了中下等石灰岩或花岗岩的水平，离这两类中的优质石材指标相去甚远。而传统的C10~C30混凝土，则与劣质石英砂岩或页岩大体相当。

和岩石一样，混凝土中的裂纹和孔隙能显著降低其强度和抗渗性。图3是水泥浆体（包括热压处理的样品）抗压强度与其孔隙率的关系。由图3可以看出，当孔隙率小于10%时，水泥浆体的抗压强度可高达300MPa以上。

图3 水泥浆体抗压强度与其孔隙率的关系^[3]

反过来说就是：凡能降低水泥浆体孔隙率的措施都能提高水泥石的抗压强度。这也是所有材料的共性。

UHPC

UHPC的高抗压强度和高抗渗性即来自于它的低孔隙率和小缺陷尺寸。这也是目前为什么很多人不提倡采用大尺寸粗骨料的原因。

因为厘米级粗骨料的掺加会引入相近尺寸的原生界面缺陷，从而影响基材的断裂强度。

从降低收缩和材料成本考虑，若想引入厘米级的粗骨料，从工程经验上讲，可要求构件断面的最小尺寸不小于最大粗骨粒径的30倍为宜，即若想掺入1cm以下的粗骨料，可要求构件最薄处不小于30cm厚。

加入微纳米颗粒材料，使UHPC水泥基体的孔隙率不大于10%，就容易使之获得较高的抗压强度。UHPC的拉伸软化或硬化则需要掺加一定量的适当纤维来实现。

UHPC采用的大量微纳米颗粒材料虽然可以使水泥基体获得更高的强度，但因其大的比表面积和表面反应也给UHPC带来显著收缩，因此，如何平衡UHPC的强度和收缩是常常需要认真考虑的问题。

在现实中，只要精心设计，统筹兼顾水泥基体和纤维材料的物理力学性能，利用现有技术，即可制备出优质“人工石”，并使之强度达到优质天然岩石、且具有显著韧性的复合材料。

假使按优质石材的强度指标来要求现在的UHPC的话，如前面提到的抗压强度大于200MPa，抗拉强度大于20MPa，当前的UHPC还是有很大提升空间的。还有许多工作值得深入开展。

另外，从微细颗粒材料在UHPC中的应用看，原来一些惰性的工业固体“废物”实际就是非常优异的UHPC原材料，它们在UHPC中的用量要比在HPC和OPC中的用量大很多，因此，UHPC是未来固体“废物”的重要应用之一。

过去被摒弃的超细水泥也可能会被重新审视，在兼顾成本和水化动力学之后，也许会有专门适用于UHPC的水泥或胶凝材料诞生。

现在一些常用的矿物掺和料也不应该像当下这么用了，要充分考虑它们在UHPC中的精细化应用才更有价值。

最最重要的是发展适用于UHPC的各类化学外加剂，特别是非引气的高效粉体减水剂。这是当前急需的，市面上却没有过硬的产品供应。

减缩剂的开发同样重要，但是如果沿用传统的思路，恐怕解决不了问题，需要探索新的技术途径。这都是UHPC研发工作者需要深耕的工作。

希望中国的UHPC有更多的创新，有更多的内涵，有更多的应用。

参考文献

[1] 陈建桥著,《材料强度学》, 华中科技大学出版社,2008.

[2] 李世平编，《岩石力学简明教程》，中国矿业学院出版社, 1986.

[3] Adam M. Neville, Properties of concrete, Pearson Education Limited, England,2011.

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