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UHPC--超高性能混凝土有何特点?

发布时间:2020-09-02人气:177
  • 超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete),简称UHPC,国际上系指抗压强度在150MPa以上,并具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料的统称。其中,最具代表性的超高性能混凝土材料为活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete),最早由法国学者于1993年提出,主要由硅灰、水泥、减水剂、细骨料及钢纤维等材料组成,依照最大密实度原理构建,从而可使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减至最少。 

    UHPC材料组分内不包含粗骨料,颗粒粒径一般小于1mm,因高度的致密性而具有超高强度及优异的耐久性。研究表明,UHPC抗压强度可达200MPa以上,同时材料耐久性可达200年以上。此外,由于UHPC中分散的细钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展,从而使材料表现出超高的韧性和延性性能。图1显示了不同材料同等抗弯强度的尺寸对比。 


    图1 不同材料同等抗弯强度的尺寸对比 

    “超高性能混凝土”包含两个方面‘超高’——超高的力学性能和超高的耐久性,表1给出了UHPC与普通混凝土的主要力学和耐久性指标对比。 

    表1 UHPC与普通混凝土的主要力学和耐久性指标对比 


    UHPC是当今国际上最先进的水泥基土木工程材料,由于其优异的力学和耐久性能,在桥梁工程需求轻质高强、快速架设、经久耐用的背景下,UHPC在桥梁领域将具有广阔的应用前景。 

    各国技术规程及指南 

    为便于UHPC的结构设计及推广应用,过去10多年中,法国、日本、美国、瑞士、中国等相继已制定并颁布了UHPC材料及结构设计的技术规程及指南,如图2。 


    图2 各国UHPC材料及结构设计的技术规程或指南 

    (1)我国《活性粉末混凝土》国家标准 

    我国于2015年颁布了《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)国家标准,规定了活性粉末混凝土的术语和定义,分类、性能等级及标记,原材料,配合比设计,制备与运输,养护,试验方法,检验规则。 

    (2)法国标准 

    2002年法国土木工程协会(AFGC)与土木结构设计管理局(SETRA)率先颁布了UHPC暂行设计指南《Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete - Interim Recommendations》,成为最早相对完善的UHPC 结构设计依据;经过10年的应用,根据新研究进行和工程应用经验进行修订和完善,于2013年颁布了指南的修订版。该指南主要包括三部分:第一部分涉及UHPC力学特性、浇筑程序、建造与完工的检测验收方法,包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、徐变收缩特性和抗冲击特性,还给出了配合比设计、搅拌程序、浇筑方法及材性试验方法;第二部分阐述UHPC结构设计与分析方法,uhpc超高性能混凝土基于欧洲规范、法国预应力及普通混凝土设计规范,对构件正常使用极限状态、承载能力极限状态下抗弯、抗剪及抗扭设计等进行了规定;第三部分针对UHPC结构的耐久性设计,涉及孔隙率、氧气渗透、氯离子扩散、氢氧化钙含量、掺合料的稳定性、水化延迟、钢纤维腐蚀和聚合纤维的耐久性。 

    2016年4月,法国正式颁布了UHPC设计规范《National addition to Eurocode 2 —Design of Concretestructures: specific rules for Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete(UHPFRC)》(NF P 18-710)作为欧洲混凝土结构设计规范的补充规范。grc装饰混凝土该规范的框架结构与现行的欧洲规范完全一致,包括总则、设计基础、材料、耐久性和钢筋保护层、结构分析、承载能力极限状态、正常使用极限状态、钢筋和预应力筋构造要求、构件构造要求及特殊规定等九章内容,给出了更为详细而完备的UHPC结构的设计方法。2016年7月,法国还颁布了UHPC的材料技术标准《Concrete — Ultra-high performance fibre-reinforced concrete — Specifications, performance, production and conformity》(NF P 18-470),对UHPC分类、组分要求、配比要求、测试方法、生产控制以及检验验收等诸多方面做了系统详细的规定。 

    (3)日本UHPC技术规程 

    2004年日本土木工程学会(JSCE)颁布了《超高強度繊維補強コンクリートの設計施工指針(案)》(超高强纤维增强混凝土(UFC)结构设计施工指南(草案))。该规范给出了UHPC结构设计及建造的基本原则;材料设计参数包括了抗压强度、初裂强度、抗拉强度、应力应变关系、弹性模量、泊松比、热工参数、徐变、收缩、疲劳等相关参数。规范还包含了强度设计、正常使用设计、抗疲劳设计、构造细节、预应力混凝土、耐久性、施工方法等。该规范虽然在UHPC构件抗剪等内容方面参考借鉴了法国规范,但在许多方面都有不同程度的创新。 

    (4)美国UHPC华夫型桥面板设计指南 

    美国联邦公路管理局(FHWA)于2013年颁布了预制UHPC华夫型桥面板设计指南-《DesignGuide for Precast UHPC Waffle Deck Panel System, including Connections》,介绍了UHPC材料及华夫桥面板的构成和特点、设计方法、板间连接构造、施工技术等。 

    (5)瑞士UHPFRC规范 

    2016年,瑞士工程及建筑师学会(SIA)制定并颁布了关于超高性能纤维混凝土(UHPFRC)的SIA 2052技术规范—《Recommendation: Ultra-High Performance Fibre ReinforcedCement-based composites (UHPFRC) Construction material, dimensioning undapplication》(超高性能纤维混凝土指南—材料、设计及应用)。该规范主要针对受拉应变硬化的UHPC材料,主要包括对UHPFRC以下几方面内容的具体规定:基本设计原则、材料组成及性能、结构设计和分析、细部构造、施工方法以及材性标准试验方法。规范既可为UHPFRC新结构设计提供依据,也可为采用UHPFRC进行结构加固提供设计及计算方法的参考。 

    此外,多个国家相关机构推出的关于UHPC大型研究计划及技术报告,也为UHPC结构的设计和计算提供参考。德国钢筋混凝土协会(DAFSTB)UHPC进展报告《Sachstandsbericht – Ultrahochfester Beton》,2003/2008报告详细总结了 UHPC 材料性能、设计与施工方法,作为过渡性 UHPC 设计施工指南。目前,FIB(国际结构混凝土协会)的TG8.6工作组(Task Group)、美国混凝土协会(ACI)ACI239C委员会和加拿大标准协会(CSA)UHPC工作小组正在编制 UHPC 设计指南。

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