關於超高性能混凝土(UHPC),你該知道這些事

2020-12-10 建築界

超高性能混凝土(UHPC)最早是由法國一家名叫布依格的承包商公司於上個世紀90年代被作為活性粉末混凝土被引入使用的。自此之後，法國、日本、馬來西亞、韓國及其他很多國家採用該材料將其應用於橋梁等工程領域，並取得了積極有效的重要進展。法國於2001年第一次採用超高性能混凝土(UHPC)材料建造了鐵路橋梁，其中梁的截面為由5個雙T梁截面構成的π形狀所構成。

超高性能混凝土(UHPC)的主要組成成份為波蘭水泥、附加水泥基材料、細砂、纖維增強複合材料、高比例減水劑等，見圖1所示。

圖1 超高性能混凝土(UHPC)主要成份

一、超高性能混凝土(UHPC)的質量性能

目前尚未有可以被普遍接受的超高性能混凝土(UHPC)的統一定義。通常而言，其抗壓強度範圍為117~152MPa，這將是傳統混凝土抗壓強度的5倍。抗壓強度不是其最重要的特性，抗拉強度及拉伸延性才是超高性能混凝土(UHPC)的關鍵、最突出的特點。其抗拉強度很高的特性使得其抗剪強度很高，且使得構件的箍筋被取消成為可能。當構件箍筋被取消時，就可以顯著簡化和方便預製混凝土構件產品的設計及生產。而且構件腹板寬度也可以顯著減小，從而減輕構件自重。

超高性能混凝土(UHPC)與傳統混凝土的抗拉性能具有顯著的差異。舉例說明(見圖2所示)，傳統混凝土(28MPa)的彎曲抗拉強度大概為3 MPa，而對應的超高性能混凝土(UHPC)的彎曲抗拉強度數值為前者的10倍之多。更有趣的是，按照標準ASTM C1609製作的超高性能混凝土(UHPC)稜柱體，其變形可達跨度的1/150之多而同時強度不顯著下降。這種性能表現充分展示了超高性能混凝土(UHPC)不需要藉助於鋼筋的存在便可具有超強的韌性和超好的吸收耗散能量的能力。

圖2 超高性能混凝土(UHPC)與傳統混凝土的對比

二、超高性能混凝土(UHPC)的應用

如下圖3所示房屋中所用的空心樓板，這是一個兩層的預製預應力混凝土空心板，跨度為18m，厚度為60mm。沒有鋼筋也沒有預應力筋在該設計中。上翼緣為25.5mm厚，腹板為50mm寬，腹板上開設有各種孔洞為了設置相關設備。整個樓板的重量與一個厚度為102mm的實心樓板基本相當。採用這種大跨度產品，多層住宅建築可以在底部幾層設計為無柱式停車場，這將提高住宅的安全性。

圖3 超高性能混凝土(UHPC)空心樓板設計示例

另外一個例子是用於加快橋梁施工的優化工字型梁橋面板(見圖4所示)，其腹板寬度為102mm，帶肋板的上翼緣只有50-76mm，而總的翼緣厚度只有203mm。因此，相對於傳統混凝土產品而言，該產品的重量只有50%的混凝土且少用了30%的鋼筋量。腹板沒有設計使用箍筋，顯著簡化了預製構件的設計及生產加工。產品的總的厚度為2.7m而跨度可以達到76.2m。

圖4 用於加快橋梁施工的超高性能混凝土(UHPC)工字型梁板組件

三、超高性能混凝土(UHPC)的研究

在美國，由美國高速公路管理局(FHWA)及地方高校的資助下，許多州的交通運輸部門都在開發研究超高性能混凝土(UHPC)在橋梁工程中的應用。特別值得一提的是，過去十年來，維吉尼亞州已經採用超高性能混凝土(UHPC)生產了工字型梁，愛達荷州已經採用超高性能混凝土(UHPC)進行了兩座橋的建造，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)橋面板。實際上，美國一些公司已經開始在市場上進行成袋打包並銷售超高性能混凝土(UHPC)了。然而，由於這些成袋打包的超高性能混凝土(UHPC)價格非常昂貴，它只能被局限應用於維吉尼亞州及愛達荷州那些有美國高速公路管理局(FHWA)資助資金的示範性項目中，並且還主要是應用於預製混凝土構件之間的連接接縫區域，使用範圍非常有限。

為了提升或促進超高性能混凝土(UHPC)在美國中的應用，需要滿足兩個基本的條件：1)相對於打包成袋的超高性能混凝土(UHPC)拌合料價格為23500元/ m3，超高性能混凝土(UHPC)的原材料價格須被控制並減少到不足1000美元/碼(折合人民幣為9400元/m3)才行;2)亟需開發一種新的結構體系出來，其中該結構體系能充分利用超高性能混凝土(UHPC)的材料特性，從而使其結構構件的自重可以減少降低至少50%而同時還能滿足強度、剛度及耐久性等要求。美國PCI致力於通過挖掘和整合相關資源來滿足這兩個條件，主要是通過資助一個由許多個人公司(Wiss, Janney, Elstner)及相關高校(諸如內布拉斯加林肯大學、北卡萊羅納州立大學、俄亥俄州州立大學)發起的一個實施課題項目。

目前該課題項目的第一個階段已經完成結束，相關的報告內容也已公布給PCI生產商成員會員。兩個既定的目標即超高性能混凝土(UHPC)的原材料成本低廉且結構構件性能優化都得到了很好的滿足。當這個課題項目的目標得以實現的時候，可以預見，基於其較低的成本價格，超高性能混凝土(UHPC)的相關產品是相當具有競爭力的。已經做了一些足尺比例的橋梁構件和房屋構件試件並且做了相關的試驗研究。大多數構件產品破壞時其承載力都顯著高於其所需要的承載力。而且，相對於傳統的混凝土而言，該材料是類似於陶瓷的，為零孔隙率且可具有上百年乃至幾百年的使用壽命。該PCI項目的第二階段目前正在進行，包括足尺結構構件及整體結構的試驗，目的是為了檢驗、細化、驗證該課題項目第一階段所起草制訂的相關設計準則。

以上就是超高性能混凝土(UHPC)的知識分享，真是學習了好多呢，大家在工作和學習中要多加積累和掌握，才能對超高性能混凝土(UHPC)有更深的理解。建築界結構知識頻道分享更多超高性能混凝土(UHPC)相關結構知識，共同學習建築結構資訊知識，歡迎關注我們~

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