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超高性能混凝土UHPC材料简述

作者:上海华谨建材 发布日期:2020-12-30 10:53:29

  超高性能混凝土(UHPC)已迅速成为预制混凝土结构物的主要材料。在90年代初期,当它首次进入行业,也被称作“活性粉末混凝土ReactivePowderConcrete,RPC”,是一种继高强、高性能混凝土之后,出现的力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料,近十年来被美国桥梁行业广泛应用。
 
  在美国、法国、日本、马来西亚,UHPC已用于建造公路桥梁;在加拿大和委内瑞拉等国已用于人行桥。在美国各州中,UHPC已被用于在弗吉尼亚州和爱荷华州的桥梁梁体建造;在纽约和特拉华州用于桥面铺装;在其他20多个州用于现场浇筑的预制桥梁构件。美国联邦和各州交通运输机构、国家工业组织、私企开发商和生产商都在积极地进行UHPC的性能研究,为此开展了大量基于实验室的试验和实际工程。
 
  与普通混凝土相比,超高性能混凝土在原材料、配合比和施工性等方面的要求有较大的不同。例如,UHPC配制所用水泥强度等级高,水泥用量大,水胶比低,一般使用硅灰等超细辅料,不使用粗骨料而使用石英砂等高强细骨料,同时掺加纤维(钢纤维或复合有机纤维)来降低混凝土的脆性。此外还根据不同需要加入多种外加剂,如胶凝材料(SCM)。
 
  UHPC混合料的胶结材料总含量通常可以超过1,500lbs/cud/cudd,这是大多数常规混凝土混合料的胶结材料含量的两倍以上。然而,由于使用了专用的高范围减水剂,水与粘合剂的比例(w/b)通常为0.20或更低。致密的颗粒堆积与超低的w/b相结合,在混凝土中产生了高度精炼的微观结构,从而提供了出色的强度和耐久性。因此,即使在苛刻的外部环境中,例如海洋和冻融环境下,UHPC元件的预期寿命也可以达到200年或更长。
 
  尽管尚未就UHPC的定义达成统一,但典型的UHPC抗压强度超过17,000psi,许多甚至可以达到30,000psi以上的强度。与传统的高性能混凝土相比,UHPC的抗压强度可提高3至5倍。然而,其最重要的性能不是抗压强度,而是拉伸性能(在预制构件中的应用尤其明显),这些特性是由于其精细的微观结构和高强度的钢纤维结合而产生,钢纤维的掺入比约为1%~3%(按体积计)(约合78~233千克/立方米)。
 
  通过设计调整,可将UHPC混合物设计为可承受1000psi以上拉伸强度和2500psi以上挠曲强度的结构物。此外,设计良好的UHPC混合物可表现出开裂后的延展性和应变硬化,提高残余结构的挠曲强度。
 
  其次,UHPC的高延展性使材料产生巨大的韧性,即使没有钢筋的帮助,它也提高了吸收能量的能力,即材料的耗能性。
 
  第三,高抗拉强度提高了材料的抗剪强度,并有可能在梁设计中完全摒弃抗剪零件。通过消除箍筋,可以简化设计和生产过程,并可以减小构件腹板(杆)的宽度,使材料的体积和重量大大减少,同时提供与常规钢筋混凝土构件相同的承载力。
 
  UHPC置身预制预应力混凝土的巨大潜力
 
  为了使UHPC在预制预应力混凝土行业中得到广泛应用,需要满足两个条件:
 
  第一,高质量低成本。生产高质量的UHPC,且原材料成本总计不到1,000美元/立方米(2020年标准),预装袋材料的成本为每立方米2,000至3,000美元。
 
  第二,从实验到规范。设计从以强度为主向以耐久性(或以所要求性能)为主的转变。制定新的标准规范,使结构系统的设计能够利用UHPC的独特性能特征。从微观到宏观的研究,从定性到定量的发展,仍有大量复杂且细致的工作有待开展。
 
  美国的预制预应力混凝土研究所(PCI)启动了一项研究,旨在开发一种方法,使整个北美地区的预制设备都能从低成本的UHPC混合料中获益,并开发设计准则和创新性,优化建筑物和桥梁的结构构件。
 
  迄今为止,项目团队已经制定了在预制预应力混凝土生产设施中设计和实施UHPC混合物的准则和建议,已通过在美国的五家此类设施进行生产,并对这些程序进行了验证。
UHPC铺装施工

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