超高性能混凝土UHPC材料簡述

　　超高性能混凝土（UHPC）已迅速成為預制混凝土結構物的主要材料。在90年代初期，當它首次進入行業，也被稱作“活性粉末混凝土ReactivePowderConcrete，RPC”，是一種繼高強、高性能混凝土之后，出現的力學性能、耐久性能都非常優越的新型建筑材料,近十年來被美國橋梁行業廣泛應用。

 

　　在美國、法國、日本、馬來西亞，UHPC已用于建造公路橋梁；在加拿大和委內瑞拉等國已用于人行橋。在美國各州中，UHPC已被用于在弗吉尼亞州和愛荷華州的橋梁梁體建造；在紐約和特拉華州用于橋面鋪裝；在其他20多個州用于現場澆筑的預制橋梁構件。美國聯邦和各州交通運輸機構、國家工業組織、私企開發商和生產商都在積極地進行UHPC的性能研究，為此開展了大量基于實驗室的試驗和實際工程。

 

　　與普通混凝土相比，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較大的不同。例如，UHPC配制所用水泥強度等級高，水泥用量大，水膠比低，一般使用硅灰等超細輔料，不使用粗骨料而使用石英砂等高強細骨料，同時摻加纖維(鋼纖維或復合有機纖維)來降低混凝土的脆性。此外還根據不同需要加入多種外加劑，如膠凝材料（SCM）。

 

　　UHPC混合料的膠結材料總含量通常可以超過1,500lbs/cud/cudd，這是大多數常規混凝土混合料的膠結材料含量的兩倍以上。然而，由于使用了專用的高范圍減水劑，水與粘合劑的比例（w/b）通常為0.20或更低。致密的顆粒堆積與超低的w/b相結合，在混凝土中產生了高度精煉的微觀結構，從而提供了出色的強度和耐久性。因此，即使在苛刻的外部環境中，例如海洋和凍融環境下，UHPC元件的預期壽命也可以達到200年或更長。

 

　　盡管尚未就UHPC的定義達成統一，但典型的UHPC抗壓強度超過17,000psi，許多甚至可以達到30,000psi以上的強度。與傳統的高性能混凝土相比，UHPC的抗壓強度可提高3至5倍。然而，其最重要的性能不是抗壓強度，而是拉伸性能（在預制構件中的應用尤其明顯），這些特性是由于其精細的微觀結構和高強度的鋼纖維結合而產生，鋼纖維的摻入比約為1％～3％（按體積計）（約合78～233千克/立方米）。

 

　　通過設計調整，可將UHPC混合物設計為可承受1000psi以上拉伸強度和2500psi以上撓曲強度的結構物。此外，設計良好的UHPC混合物可表現出開裂后的延展性和應變硬化，提高殘余結構的撓曲強度。

 

　　其次，UHPC的高延展性使材料產生巨大的韌性，即使沒有鋼筋的幫助，它也提高了吸收能量的能力，即材料的耗能性。

 

　　第三，高抗拉強度提高了材料的抗剪強度，并有可能在梁設計中完全摒棄抗剪零件。通過消除箍筋，可以簡化設計和生產過程，并可以減小構件腹板（桿）的寬度，使材料的體積和重量大大減少，同時提供與常規鋼筋混凝土構件相同的承載力。

 

　　UHPC置身預制預應力混凝土的巨大潛力

 

　　為了使UHPC在預制預應力混凝土行業中得到廣泛應用，需要滿足兩個條件：

 

　　第一，高質量低成本。生產高質量的UHPC，且原材料成本總計不到1,000美元/立方米（2020年標準），預裝袋材料的成本為每立方米2,000至3,000美元。

 

　　第二，從實驗到規范。設計從以強度為主向以耐久性(或以所要求性能)為主的轉變。制定新的標準規范，使結構系統的設計能夠利用UHPC的獨特性能特征。從微觀到宏觀的研究，從定性到定量的發展，仍有大量復雜且細致的工作有待開展。

 

　　美國的預制預應力混凝土研究所（PCI）啟動了一項研究，旨在開發一種方法，使整個北美地區的預制設備都能從低成本的UHPC混合料中獲益，并開發設計準則和創新性，優化建筑物和橋梁的結構構件。

 

　　迄今為止，項目團隊已經制定了在預制預應力混凝土生產設施中設計和實施UHPC混合物的準則和建議，已通過在美國的五家此類設施進行生產，并對這些程序進行了驗證。