超高性能混凝土(UHPC)简介及应用

超高性能混凝土（UHPC)简介及应用超高性能混凝土（UHPC）最早是由法国一家名叫布依格的承包商公司于上个世纪90年代被作为活性粉末混凝土被引入使用的。自此之后，法国、日本、马来西亚、韩国及其他很多国家采用该材料将其应用于桥梁等工程领域，并取得了积极有效的重要进展。法国于2001年第一次采用超高性能混凝土（UHPC）材料建造了铁路桥梁，其中梁的截面为由5个双T梁截面构成的π形状所构成。在美国，由美国高速公路管理局（FHWA）及地方高校的资助下，许多州的交通运输部门都在开发研究超高性能混凝土（UHPC）在桥梁工程中的应用。特别值得一提的是，过去十年来，弗吉尼亚州已经采用超高性能混凝土（UHPC）生产了工字型梁，爱德华州已经采用超高性能混凝土（UHPC）进行了两座桥的建造，其中一座是用的超高性能混凝土（UHPC）梁、另一座用的是超高性能混凝土（UHPC）桥面板。实际上，美国一些公司已经开始在市场上进行成袋打包并销售超高性能混凝土（UHPC）了。然而，由于这些成袋打包的超高性能混凝土（UHPC）价格非常昂贵，它只能被局限应用于弗吉尼亚州及爱德华州那些有美国高速公路管理局（FHWA）资助资金的示范性项目中，并且还主要是应用于预制混凝土构件之间的连接接缝区域，使用范围非常有限。为了提升或促进超高性能混凝土（UHPC）在美国中的应用，需要满足两个基本的条件：1）相对于打包成袋的超高性能混凝土（UHPC）拌合料价格为23500元/m3，超高性能混凝土（UHPC）的原材料价格须被控制并减少到不足1000美元/码（折合人民币为9400元/m3）才行；2）亟需开发一种新的结构体系出来，其中该结构体系能充分利用超高性能混凝土（UHPC）的材料特性，从而使其结构构件的自重可以减少降低至少50%而同时还能满足强度、刚度及耐久性等要求。美国PCI致力于通过挖掘和整合相关资源来满足这两个条件，主要是通过资助一个由许多个人公司（Wiss,Janney,Elstner）及相关高校(诸如内布拉斯加林肯大学、北卡莱罗纳州立大学、俄亥俄州州立大学)发起的一个实施课题项目。目前该课题项目的第一个阶段已经完成结束，相关的报告内容也已公布给PCI生产商成员会员。两个既定的目标即超高性能混凝土（UHPC）的原材料成本低廉且结构构件性能优化都得到了很好的满足。当这个课题项目的目标得以实现的时候，可以预见，基于其较低的成本价格，超高性能混凝土（UHPC）的相关产品是相当具有竞争力的。已经做了一些足尺比例的桥梁构件和房屋构件试件并且做了相关的试验研究。大多数构件产品破坏时其承载力都显著高于其所需要的承载力。而且，相对于传统的混凝土而言，该材料是类似于陶瓷的，为零孔隙率且可具有上百年乃至几百年的使用寿命。该PCI项目的第二阶段目前正在进行，包括足尺结构构件及整体结构的试验，目的是为了检验、细化、验证该课题项目第一阶段所起草制订的相关设计准则。超高性能混凝土（UHPC）的主要组成成份为波兰水泥、附加水泥基材料、细砂、纤维增强复合材料、高比例减水剂等，见图1所示。图1超高性能混凝土（UHPC）主要成份超高性能混凝土（UHPC）的质量性能目前尚未有可以被普遍接受的超高性能混凝土（UHPC）的统一定义。通常而言，其抗压强度范围为117~152MPa，这将是传统混凝土抗压强度的5倍。抗压强度不是其最重要的特性，抗拉强度及拉伸延性才是超高性能混凝土（UHPC）的关键、最突出的特点。其抗拉强度很高的特性使得其抗剪强度很高，且使得构件的箍筋被取消成为可能。当构件箍筋被取消时，就可以显著简化和方便预制混凝土构件产品的设计及生产。而且构件腹板宽度也可以显著减小，从而减轻构件自重。超高性能混凝土（UHPC）与传统混凝土的抗拉性能具有显著的差异。举例说明（见图2所示），传统混凝土（28MPa）的弯曲抗拉强度大概为3MPa，而对应的超高性能混凝土（UHPC）的弯曲抗拉强度数值为前者的10倍之多。更有趣的是，按照标准ASTMC1609制作的超高性能混凝土（UHPC）棱柱体，其变形可达跨度的1/150之多而同时强度不显著下降。这种性能表现充分展示了超高性能混凝土（UHPC）不需要借助于钢筋的存在便可具有超强的韧性和超好的吸收耗散能量的能力。图2超高性能混凝土（UHPC）与传统混凝土的对比超高性能混凝土（UHPC）的应用如下图3所示房屋中所用的空心楼板，这是一个两层的预制预应力混凝土空心板，跨度为18m，厚度为60mm。没有钢筋也没有预应力筋在该设计中。上翼缘为25.5mm厚，腹板为50mm宽，腹板上开设有各种孔洞为了设置相关设备。整个楼板的重量与一个厚度为102mm的实心楼板基本相当。采用这种大跨度产品，多层住宅建筑可以在底部几层设计为无柱式停车场，这将提高住宅的安全性。图3超高性能混凝土（UHPC）空心楼板设计示例另外一个例子是用于加快桥梁施工的优化工字型梁桥面板（见图4所示），其腹板宽度为102mm，带肋板的上翼缘只有50-76mm，而总的翼缘厚度只有203mm。因此，相对于传统混凝土产品而言，该产品的重量只有50%的混凝土且少用了30%的钢筋量。腹板没有设计使用箍筋，显著简化了预制构件的设计及生产加工。产品的总的厚度为2.7m而跨度可以达到76.2m。图4用于加快桥梁施工的超高性能混凝土（UHPC）工字型梁板组件结语超高性能混凝土（UHPC）在很多工程领域中具有替代传统普通混凝土的潜在优势。超高性能混凝土（UHPC）具有显著的优点，诸如更长的生命周期、更便利的材料应用、更安全的材料强度、更合理的使用空间以及更大的飞跃跨度。美国PCI致力于研究超高性能混凝土（UHPC）的使用挑战，诸如超高性能混凝土（UHPC）结构体系的研发、成本的控制与节省等。