超高性能混凝土UHPC材料简述

　　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。