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    UHPC--超高性能混凝土有何特點?

    發布時間:2020-09-02人氣:6083

    超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete),簡稱UHPC,國際上系指抗壓強度在150MPa以上,并具有超高韌性、超長耐久性的水泥基復合材料的統稱。其中,最具代表性的超高性能混凝土材料為活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete),最早由法國學者于1993年提出,主要由硅灰、水泥、減水劑、細骨料及鋼纖維等材料組成,依照最大密實度原理構建,從而可使材料內部的缺陷(孔隙與微裂縫)減至最少。 

    UHPC材料組分內不包含粗骨料,顆粒粒徑一般小于1mm,因高度的致密性而具有超高強度及優異的耐久性。研究表明,UHPC抗壓強度可達200MPa以上,同時材料耐久性可達200年以上。此外,由于UHPC中分散的細鋼纖維可大大減緩材料內部微裂縫的擴展,從而使材料表現出超高的韌性和延性性能。圖1顯示了不同材料同等抗彎強度的尺寸對比。 


    圖1 不同材料同等抗彎強度的尺寸對比 

    “超高性能混凝土”包含兩個方面‘超高’——超高的力學性能和超高的耐久性,表1給出了UHPC與普通混凝土的主要力學和耐久性指標對比。 

    表1 UHPC與普通混凝土的主要力學和耐久性指標對比 


    UHPC是當今國際上最先進的水泥基土木工程材料,由于其優異的力學和耐久性能,在橋梁工程需求輕質高強、快速架設、經久耐用的背景下,UHPC在橋梁領域將具有廣闊的應用前景。 

    各國技術規程及指南 

    為便于UHPC的結構設計及推廣應用,過去10多年中,法國、日本、美國、瑞士、中國等相繼已制定并頒布了UHPC材料及結構設計的技術規程及指南,如圖2。 


    圖2 各國UHPC材料及結構設計的技術規程或指南 

    (1)我國《活性粉末混凝土》國家標準 

    我國于2015年頒布了《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)國家標準,規定了活性粉末混凝土的術語和定義,分類、性能等級及標記,原材料,配合比設計,制備與運輸,養護,試驗方法,檢驗規則。 

    (2)法國標準 

    2002年法國土木工程協會(AFGC)與土木結構設計管理局(SETRA)率先頒布了UHPC暫行設計指南《Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete - Interim Recommendations》,成為最早相對完善的UHPC 結構設計依據;經過10年的應用,根據新研究進行和工程應用經驗進行修訂和完善,于2013年頒布了指南的修訂版。該指南主要包括三部分:第一部分涉及UHPC力學特性、澆筑程序、建造與完工的檢測驗收方法,包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、徐變收縮特性和抗沖擊特性,還給出了配合比設計、攪拌程序、澆筑方法及材性試驗方法;第二部分闡述UHPC結構設計與分析方法,uhpc超高性能混凝土基于歐洲規范、法國預應力及普通混凝土設計規范,對構件正常使用極限狀態、承載能力極限狀態下抗彎、抗剪及抗扭設計等進行了規定;第三部分針對UHPC結構的耐久性設計,涉及孔隙率、氧氣滲透、氯離子擴散、氫氧化鈣含量、摻合料的穩定性、水化延遲、鋼纖維腐蝕和聚合纖維的耐久性。 

    2016年4月,法國正式頒布了UHPC設計規范《National addition to Eurocode 2 —Design of Concretestructures: specific rules for Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete(UHPFRC)》(NF P 18-710)作為歐洲混凝土結構設計規范的補充規范。grc裝飾混凝土該規范的框架結構與現行的歐洲規范完全一致,包括總則、設計基礎、材料、耐久性和鋼筋保護層、結構分析、承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、鋼筋和預應力筋構造要求、構件構造要求及特殊規定等九章內容,給出了更為詳細而完備的UHPC結構的設計方法。2016年7月,法國還頒布了UHPC的材料技術標準《Concrete — Ultra-high performance fibre-reinforced concrete — Specifications, performance, production and conformity》(NF P 18-470),對UHPC分類、組分要求、配比要求、測試方法、生產控制以及檢驗驗收等諸多方面做了系統詳細的規定。 

    (3)日本UHPC技術規程 

    2004年日本土木工程學會(JSCE)頒布了《超高強度繊維補強コンクリートの設計施工指針(案)》(超高強纖維增強混凝土(UFC)結構設計施工指南(草案))。該規范給出了UHPC結構設計及建造的基本原則;材料設計參數包括了抗壓強度、初裂強度、抗拉強度、應力應變關系、彈性模量、泊松比、熱工參數、徐變、收縮、疲勞等相關參數。規范還包含了強度設計、正常使用設計、抗疲勞設計、構造細節、預應力混凝土、耐久性、施工方法等。該規范雖然在UHPC構件抗剪等內容方面參考借鑒了法國規范,但在許多方面都有不同程度的創新。 

    (4)美國UHPC華夫型橋面板設計指南 

    美國聯邦公路管理局(FHWA)于2013年頒布了預制UHPC華夫型橋面板設計指南-《DesignGuide for Precast UHPC Waffle Deck Panel System, including Connections》,介紹了UHPC材料及華夫橋面板的構成和特點、設計方法、板間連接構造、施工技術等。 

    (5)瑞士UHPFRC規范 

    2016年,瑞士工程及建筑師學會(SIA)制定并頒布了關于超高性能纖維混凝土(UHPFRC)的SIA 2052技術規范—《Recommendation: Ultra-High Performance Fibre ReinforcedCement-based composites (UHPFRC) Construction material, dimensioning undapplication》(超高性能纖維混凝土指南—材料、設計及應用)。該規范主要針對受拉應變硬化的UHPC材料,主要包括對UHPFRC以下幾方面內容的具體規定:基本設計原則、材料組成及性能、結構設計和分析、細部構造、施工方法以及材性標準試驗方法。規范既可為UHPFRC新結構設計提供依據,也可為采用UHPFRC進行結構加固提供設計及計算方法的參考。 

    此外,多個國家相關機構推出的關于UHPC大型研究計劃及技術報告,也為UHPC結構的設計和計算提供參考。德國鋼筋混凝土協會(DAFSTB)UHPC進展報告《Sachstandsbericht – Ultrahochfester Beton》,2003/2008報告詳細總結了 UHPC 材料性能、設計與施工方法,作為過渡性 UHPC 設計施工指南。目前,FIB(國際結構混凝土協會)的TG8.6工作組(Task Group)、美國混凝土協會(ACI)ACI239C委員會和加拿大標準協會(CSA)UHPC工作小組正在編制 UHPC 設計指南。

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