超高性能混凝土 (UHPC) 技術(shù)的最新進(jìn)展
上世紀(jì)90年代,UHPC作為一種先進(jìn)材料問世,但其應(yīng)用因價格昂貴、自收縮過大和缺乏專門設(shè)計與施工規(guī)范或規(guī)程而受限。人們不得不等到2000年才看到歐洲、美國和亞洲等地通過材料改進(jìn)克服了諸多不足。這些改進(jìn)可以實現(xiàn)材料降價,激發(fā)對施工規(guī)范或指南以及UHPC在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)研究。這也啟動了UHPC在實際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,并加快了技術(shù)發(fā)展的速度。
UHPC的最新進(jìn)展
研發(fā)現(xiàn)狀
“UHPC”自1994年首次出現(xiàn)并被定義成抗壓強度高于150MPa的混凝土以來,作為下一代混凝土,它引發(fā)了人們濃厚的興趣,并成為了研發(fā)的主題。UHPC現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建筑物、道路與人行橋以及其他結(jié)構(gòu)中。在法國、德國、捷克等歐洲國家,日本、中國、韓國等亞洲國家以及北美地區(qū),混凝土的研發(fā)工作正如火如荼地加以推進(jìn)。
上世紀(jì)70年代,在業(yè)界不斷努力攻克混凝土的不足(如抗拉強度極低、韌性低和能量吸收能力差)之后,通過添加鋼纖維使材料具有超高強度和高韌性,從而成功開發(fā)出超高性能混凝土。UHPC在數(shù)十年中得以發(fā)展。有實驗室采用特定制造工藝(如真空攪拌、高壓/熱固)開發(fā)出了抗壓強度為230MPa和510MPa的超高強度混凝土。但在當(dāng)時,由于制造方法復(fù)雜和技術(shù)限制等因素,這些混凝土并無市場可尋,但可稱為對UHPC開發(fā)的首次嘗試。* o- ]9 _6 M/ H3 K* L3 N’ A
上世紀(jì)80年代早期,聚合物的添加和極低水-粘料比的采用誕生了無宏觀缺陷(MDF)水泥,其抗壓強度超過200MPa。然而,由于制造過程復(fù)雜、材料成本高等緣故,MDF水泥的應(yīng)用情況并不樂觀。此后,UHPC研發(fā)中開始使用強塑劑、硅粉和鋼纖維,但由于無法找到合適的混合物成分解決流動性問題,研發(fā)工作無法延伸到施工現(xiàn)場。隨后又開發(fā)出了致密微(DSP),作為采用高二氧化硅(SiO2)含量的硅粉制造超高強度混凝土的新方法。在此之后,通過添加鋼纖維,提高混凝土的彎拉強度和抗拉強度,相繼開發(fā)出砂漿滲澆鋼纖維混凝土(SIFCON)和密筋混凝土(CRC)。
1994年,de Larrard首次引入術(shù)語“UHPC”。1995年,Pierer和Marcel開發(fā)出抗壓強度為200-800MPa的活性粉末混凝土(RPC)。如今被公認(rèn)為UHPC開發(fā)重大里程碑的RPC,采用了超高強度鋼纖維增強砂漿、熱固/高溫固化和基于最佳微填料理論的配合比設(shè)計,使得混凝土具有從前無法實現(xiàn)的出色流動性。/ s8 W# x- j: P7 t
上世紀(jì)90年代末,在RPC技術(shù)基礎(chǔ)之上,首款商業(yè)化超高性能混凝土Ductal 問世。隨后,埃法日集團聯(lián)合SIKA公司開發(fā)出了BSI/Ceracem?。盡管加拿大成功修建了Sherbrooke大橋(首個RPC結(jié)構(gòu),建于1997年),但由于材料成本較高并且要求高溫固化,RPC在實際結(jié)構(gòu)施工中的廣泛應(yīng)用仍受到了阻礙。
2000年,我們見證了全球各個國家UHPC開發(fā)的起步。礦物粘料和強塑劑的應(yīng)用所取得的進(jìn)步,使得UHPC的制造和生產(chǎn)都變得極為容易。從那之后,各個國家都在積極開展研究工作,改善材料性能(如抗壓強度、抗拉強度、收縮、蠕變等)和UHPC的耐久性。特別指出的是,為通過尋求材料成分(如:飛灰、礦渣、硅粉、鋼纖維等)優(yōu)化解決方案和固化方式來降低UHPC制造成本,進(jìn)行了各種嘗試。在UHPC材料特性方面,Stiel et al. 于2004年根據(jù)纖維取向,研究了力學(xué)性質(zhì)變化,Acker在2004年研究了混凝土的蠕變和收縮特性。到目前為止,法國、德國、日本、澳大利亞、美國和韓國還進(jìn)行了各種分析研究和實驗研究,弄清彎曲特性、抗拉性能、抗剪性能、粘結(jié)性能和扭轉(zhuǎn)特性等UHPC結(jié)構(gòu)性能。2001年,美國聯(lián)邦公路局(FHWA)
開始研究公路基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用UHPC的可行性,并且自2002年起,聯(lián)合運輸部開展深入調(diào)研。2002年,法國發(fā)布首條建議,包括UHPC的物理性質(zhì)、耐久性和在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中所需的設(shè)計指南。2006年,日本也發(fā)布了超高強度纖維增強型混凝土(UHFRC)設(shè)計與施工建議草案。2005~2012年,德國投入1200萬歐元(由德國科學(xué)基金會資助),用于由20家研究院牽頭的34個研究項目中,制定可靠的UHPC相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。而在韓國,自2002年起,KICT完成了“橋200”和“超級橋200”項目,并成功實現(xiàn)180-MPa級超級混凝土(K-UHPC)的商業(yè)化。作為后續(xù)項目,KICT將聯(lián)合學(xué)術(shù)界以及設(shè)計和建筑企業(yè),在2013到2018年間實施“2020超級結(jié)構(gòu)”項目,項目公募與私募基金為340億韓元,用于開發(fā)可現(xiàn)場澆筑和車間預(yù)制的、抗壓強度為80-180MPa的低成本、耐久、優(yōu)質(zhì)混凝土。 u9 E; U1 t0 r* s4 k. H
$ p9 u r/ ] o$ o( @
$ m7 C; v” q9 i# P9 S: H4 d
2010年之后,人們開始關(guān)注碳納米纖維、納米二氧化硅和石墨烯等納米材料。UHPC領(lǐng)域采用納米技術(shù),有望改善UHPC性能和進(jìn)一步解決材料收縮等問題。截至2016年3月,全球共建有88座UHPC橋(70座道路橋和18座人行橋),另外還有30座UHPC新橋正在建設(shè)中。如今,UHPC是國際公認(rèn)的下一代混凝土,并且在力圖實現(xiàn)耐久性和降低成本等性能改善的各種研發(fā)工作的支持下,應(yīng)用于各種施工現(xiàn)場。& [. Q( q, ~2 h) C’ x
規(guī)程現(xiàn)狀
上世紀(jì)90年代,自法國成功研發(fā)出UHPC之后,所有國家都在不斷努力制定必要的UHPC應(yīng)用設(shè)計規(guī)程。UHPC設(shè)計規(guī)程最鮮明的特征在于,利用常規(guī)混凝土中忽略的抗拉特性(圖2),突破僅利用抗壓強度高于150MPa這一局限。設(shè)計規(guī)程中聲明的抗拉特性不僅僅考慮采用鋼纖維,使UHPC抗拉強度超過8MPa,還得涉及UHPC的高韌性,使其在開裂后仍能承受一定的拉力。還要強調(diào)的是,根據(jù)鋼纖維含量,UHPC也可體現(xiàn)出硬化特性,而不僅僅是軟化特性。
設(shè)計中考慮拉力,在有效的UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮著決定性的作用??紤]UHPC抗拉強度的橫斷面不僅要變得纖細(xì),還需體現(xiàn)出抗拉鋼筋、抗剪鋼筋和抗扭鋼筋量的急劇減少。尤其是主要承受剪力的腹板甚至能在無抗剪鋼筋的情況下,體現(xiàn)其韌性。此時,保證其基礎(chǔ)保護層厚度則將變得無足輕重了。這樣不僅能夠使混凝土橫斷面變得纖細(xì),還能使施工變得簡單??紤]到混凝土橋面直接承受的是輪載,而且重量約為橋梁總重量的40%,橋面采用UHPC則可使其重量降低30%-40%,并且減少鋼筋用量,簡化施工過程。按此方法實現(xiàn)的上部結(jié)構(gòu)重量減輕反之也會減小地基的尺寸,或者能夠加長跨度。
UHPC設(shè)計規(guī)程制定的過程中,體現(xiàn)出的另一鮮明特征是,即使各國存在一定的差異,但其發(fā)展通常要經(jīng)歷兩個階段。具體而言,第一階段僅以小規(guī)模結(jié)構(gòu)和專項研發(fā)中材料應(yīng)用所提供的經(jīng)驗反饋為基礎(chǔ)。而第二階段是將UHPC用作一般建筑材料,添加應(yīng)用了國家混凝土設(shè)計規(guī)程中具有UHPC性能的配料。7 C& p7 ]2 U’ x
法國于2002年發(fā)布的《超高性能纖維增強型混凝土臨時建議》是首個設(shè)計規(guī)程,主要依據(jù)為Ductal 在小橋和其他結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用經(jīng)驗。在此之后,法國根據(jù)不斷的研究和在新型橋梁與建筑物中的現(xiàn)場應(yīng)用UHPC特性、耐火性、耐久性和可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的成分的調(diào)整,以及結(jié)合國家設(shè)計規(guī)程與歐洲規(guī)范,于2013年發(fā)布修訂版建議。! Y+ B& r+ I* [0 p/ Q2 o6 Y) L
2004年,在德國舉辦的第一屆UHPC研討會上介紹了大量的UHPC研究成果。此外,在德國科學(xué)基金會(DFG)的資助下,德國還在2008至2014年間系統(tǒng)地開展了一項稱之為“SSP 1182”的綜合項目。這項由卡塞爾大學(xué)牽頭的項目已成功開發(fā)出多種超高性能混凝土,并對其力學(xué)特性和在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用展開深入研究。據(jù)研究結(jié)果表明,德國當(dāng)前正在結(jié)合以前的設(shè)計規(guī)范和歐洲規(guī)范,編制UHPC設(shè)計規(guī)程。
由歐洲國家所領(lǐng)導(dǎo)的國際結(jié)構(gòu)與混凝土聯(lián)合會(FIB)還成立了4.2工作組,主要針對超高性能纖維增強型混凝土,現(xiàn)正在檢驗研究成果,制定設(shè)計規(guī)范。
在日本土木工程師學(xué)會的領(lǐng)導(dǎo)下,日本已經(jīng)展開對Ductal 力學(xué)特性的研究,并在2004年成功發(fā)布《UHPFRC設(shè)計與施工建議》(暫定)。這些建議成功地應(yīng)用到了羽田機場跑道的擴建工程中,這是迄今為止最大規(guī)模的UHPC應(yīng)用。
韓國則通過KICT,自2002年著手開發(fā)早期的UHPC,于2006年制成材料(K-UHPC)后,KICT根據(jù)系統(tǒng)的實驗研究和理論研究,在2008年制定了《K-UHPC設(shè)計指南》(暫定)。隨后通過K-UHPC橋梁的設(shè)計與修建,對指南規(guī)定進(jìn)行了增補,并在韓國混凝土協(xié)會(KCI)的協(xié)助下,于2012年發(fā)布《K-UHPC設(shè)計指南》。KICT運用《K-UHPC設(shè)計指南》完成了韓國、緬甸和美國愛荷華州7座K-UHPC橋的設(shè)計,其中6座已經(jīng)建成,另外1座還在修建中。位于韓國樂高樂園入口處、將于2017年竣工的第一座UHPC斜拉路橋的設(shè)計應(yīng)用也參照了這些指南。2 W E6 ?: @2 j& P$ R% Q( i: N1 t0 ]
自2000年開始,美國公路局就已開始研究Ductal 的應(yīng)用,如何修建小型橋或者加快橋梁連接件的構(gòu)筑。2015年,美國混凝土協(xié)會(ACI)成立了專注于UHPC的ACI239C委員會,負(fù)責(zé)編制《UHPC設(shè)計指南》。同時,制定與UHPC制造與材料測試相關(guān)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)的工作正在進(jìn)行之中。除此之外,美國還通過FHWA對可能應(yīng)用的各種超高性能混凝土展開性能評估研究。2015年,加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)也成立了UHPC工作組,負(fù)責(zé)編制設(shè)計規(guī)程。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)也已發(fā)布了《SIA 2052 UHPFRC瑞士標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計規(guī)范,其中包括國家設(shè)計規(guī)程中的UHPC研究成果。
上世紀(jì)90年代末,中國引入UHPC之后,也在不斷開展相關(guān)的研究工作并加以應(yīng)用,為2015年頒布《活性粉末混凝土》設(shè)計規(guī)程打下了基礎(chǔ)。該規(guī)程中明確了UHPC的定義、制造方法、測試方法和質(zhì)量控制?!?T( ?’ E4 e( J) ]0 } H5 h
上世紀(jì)90年代起,全球開始集中制定UHPC設(shè)計規(guī)程。除了聚焦抗壓強度的應(yīng)用外,制定好的UHPC設(shè)計規(guī)程還會使用傳統(tǒng)混凝土中被忽略的抗拉強度。初版UHPC設(shè)計規(guī)程是專為UHPC而制定的。此后在設(shè)計規(guī)程的制定過程中,將UHPC用作一般建筑材料,在國家混凝土設(shè)計規(guī)程中,添加允許使用UHPC性能的條款。通過這些努力,有望在不久的將來,將UHPC納入諸如歐洲規(guī)范和ACI的重要結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及混凝土設(shè)計規(guī)程中。如今,UHPC不再是無人問津的尚在開發(fā)中的建筑材料,而是已經(jīng)成為可以隨時使用的知名的建筑材料。0 _+ S9 J; G, s$ D4 f, G, T- D4 d
UHPC在橋梁中的應(yīng)用
: W1 i4 y2 I# ~5 T. m# q( D
歐洲
法國是第一個將UHPC成功商業(yè)化的國家,也是于2001年第一個修建UHPC路橋的國家。兩座簡支橋梁構(gòu)成了Bourg-Les-Valence跨線橋,采用長分別為20.5 m和22.5 m的π型梁。這些UHPC梁分5段預(yù)制而成,然后運至現(xiàn)場進(jìn)行安裝,橋面采用現(xiàn)場澆筑常規(guī)混凝土制作。此外,法國的橋梁數(shù)據(jù)庫中又新增了7座UHPC橋。% ?. g) w7 R+ s
德國在開展UHPC研究工作的同時,修建了5座UHPC橋。其中,2007年竣工的卡塞爾Gaertnerplatz 橋作為主跨長36m、總長132m的6跨連續(xù)桁架橋梁而聞名。橋梁采用UHPC-鋼混合結(jié)構(gòu),連接鋼制斜構(gòu)件和UHPC上弦桿。9 X5 K- |( w” U& D M
第一座采用UHPC 拱肋的路橋, 維爾德橋(Wild Bridge)于2010年在澳大利亞落成。拱肋總長69m,由5個長度小于16m的直構(gòu)件組成,橫斷面為矩形鏤空斷面,厚度為60mm,并采用體外預(yù)應(yīng)力加固。
elákovice人行橋,雙橋塔斜拉橋,主跨長156m,總長242m,于2014年在捷克落成。該人行橋?qū)?.0m,除行人荷載之外,還可承受35KN貨車負(fù)荷。橋梁采用當(dāng)?shù)夭牧?,并且?.5%的容積率摻入鋼纖維。鑒于所采用的材料,設(shè)計強度預(yù)計可以達(dá)到110MPa,但實際強度高達(dá)130MPa,略低于其他國家所用材料的強度。正因如此,修建這座人行橋的成本相對較低,只花費150萬歐元。除上述橋梁之外,將UHPC應(yīng)用于橋梁維修、加固或路面、橋面板等個別構(gòu)件也是將來增長的趨勢。特別是在路面采用UHPC,可以省略防水工程,因為UHPC路面不存在宏觀裂紋,能夠有效防止水和氯化物滲入。此外,鑒于材料產(chǎn)生的加固效果,UHPC也適用于現(xiàn)有路面的維護和維修。& K7 z7 d9 ?’ 5 f
4 F+ I7 }7 S. {3 k- [
4 Y! D/ e$ [3 y) k% M: g- ~1 y
北美
” M. v) , [/ G$ t
Sherbrooke大橋是全球第一座UHPC人行橋,于1997年在加拿大魁北克落成。該橋采用了法國開發(fā)的材料,寬3.3m,橋面厚度為30mm,跨長60m。橋面通過橫向預(yù)加應(yīng)力。六段10m長混凝土段的建造耗費了2個月,而橋梁僅在兩周內(nèi)就竣工了。- u) @, E5 Y& o8 k3 H% h, Q
北美地區(qū)直到2006年才建成第一座UHPC路橋。該橋便是美國愛荷華州的33.5m單跨的火星山橋(Mars Hill Bridge)。兩年后的2008年,愛荷華州又修建了Jakway公園橋。該橋采用與橋面融合在一起的π型梁,梁深838mm,跨長15.2m,寬7.6m。此外,來自愛荷華州立大學(xué)的一個研究團隊,在2011年開發(fā)出了UHPC華夫橋面,并在次年將其安裝在了瓦佩洛郡內(nèi)的一座替代橋梁上。需要注意的是,華夫橋面厚度僅為64mm。
除橋梁上部結(jié)構(gòu)之外,北美還存在許多在預(yù)制構(gòu)件連接件中應(yīng)用UHPC的例子,并且,使用UHPC來加快施工進(jìn)度也成為了日益增長的趨勢。* q+ A) m4 N, d6 `: E’ H
亞洲
3 J, E4 a9 H) `- u- ^ d, W. H” o; }
日本在2002年建成第一座UHPC橋, 即酒田-未來大橋之后,又修建了20多座橋。50m人行橋的腹板上設(shè)置了大徑鉆孔,用來減小恒定載荷、改善橋梁外觀。2005年建成的堀越公路C匝道橋是日本第一座UHPC公路橋。Kayogawa橋是第一座UHPC鐵路橋。該橋跨長必須加長1.65倍,但同時需要保留之前橋梁的垂直凈空,可在發(fā)生洪災(zāi)時控制水流截面。而采用UHPC則可解決該問題。1 v% o- @ W( I! `) q2 M” j& W% [
馬來西亞杜拉科技公司(Dura Technology)實現(xiàn)了UHPC的商業(yè)化,并且保持著50座竣工UHPC橋和30座在建橋梁的紀(jì)錄??⒐蛄褐?,有48座路橋,這些路橋中,有一座跨長100m的分段式箱梁橋,該分段式箱梁橋分40段,每段寬5.0m,梁深4.0m,梁長2.5m,為全球此類橋梁中最長者。
最近,中國修建了一座總長70.8m的三跨UHPC人行橋。鑒于拱肋采用UHPC,具有一定的優(yōu)勢,中國工程師也在嘗% [, P2 v6 R6 Y3 z/ O- o
試設(shè)計跨長160m、420m和600m的拱橋。據(jù)說420m的橋可以實現(xiàn)1∶5的矢跨比。3 _) } H: V7 p; e
2002年,在法國的幫助下,韓國建成和平橋(Peace Bridge),一座連接仙游島和首爾漢江南岸的人行橋。2008年,KICT采用自主開發(fā)的材料修建了一座人行橋。該橋的特殊之處在于,它是第一座UHPC斜拉橋。2012年還修建了兩座小型UHPC路橋。2015年,緬甸仰光-曼德勒高速公路擴建和愛荷華州的一座橋都采用了K-UHPC,并用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)品代替部分材料。同年,在通往樂高樂園主題公園的道路中,某個路段選用了一條UHPC斜拉橋,它位于韓國江原道,目前尚在建設(shè)之中(圖3)。該橋為單塔斜拉橋,總長200m,寬29.5m,預(yù)計于2017年竣工。一旦竣工,該橋?qū)⒊蔀槿虻谝蛔鵘HPC斜拉公路橋,也是最長UHPC公路橋。
, t- V: P0 l7 b% C( q- j
韓國UHPC斜拉橋
’ D5 p0 c e9 S5 D” F- I
“2020超級結(jié)構(gòu)”研究小組
( I6 Z) y6 z* N2 K9 S* g
“2020超級結(jié)構(gòu)”是一項綜合性研究計劃,從80-180MPa抗壓強度混凝土材料的開發(fā)、專用設(shè)計指南的編制,到應(yīng)用所謂先進(jìn)材料的技術(shù)開發(fā)。該計劃于2013年12月正式啟動,預(yù)計2018年8月結(jié)束,總資金額為2900萬美元,其中2000萬美元由政府資助。
該計劃分3個核心項目。第一個核心項目的重點是,開發(fā)可用于各種施工環(huán)境且經(jīng)濟有效的混凝土。這些混凝土包括:無鋼纖維高強度混凝土,其抗拉強度在80-120MPa之間,以及抗拉強度120-180MPa的鋼纖維(超)高強度混凝土。該計劃將這些混凝土統(tǒng)稱為超級混凝土。第二個核心項目旨在編制先進(jìn)材料設(shè)計規(guī)程。為此,需進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)性能試驗,推動經(jīng)濟有效的設(shè)計方法。這也意味著,制定設(shè)計規(guī)程是為了實現(xiàn)先進(jìn)材料的經(jīng)濟及有效的應(yīng)用。第三個核心項目旨在為第一個核心項目所開發(fā)材料的結(jié)構(gòu)性應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)的開發(fā)。設(shè)想結(jié)構(gòu)包括斜拉橋和長跨橋上部結(jié)構(gòu)、風(fēng)力渦輪塔架、浮動結(jié)構(gòu)以及建筑結(jié)構(gòu)與裝飾藝術(shù)品。項目的目標(biāo)是,相較于以前的結(jié)構(gòu),保證至少10%的經(jīng)濟效率。在計劃的現(xiàn)階段,部分目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)。
此項研究計劃同時還要開發(fā)材料以及其結(jié)構(gòu)性應(yīng)用技術(shù)。與以前的研發(fā)工作相比,該計劃的獨創(chuàng)性在于側(cè)重經(jīng)濟效率這一目標(biāo)。在分別開發(fā)材料及其結(jié)構(gòu)性應(yīng)用技術(shù)的傳統(tǒng)框架內(nèi),系統(tǒng)地實現(xiàn)這一目標(biāo)相當(dāng)困難。并且,該計劃選擇的當(dāng)前框架體系可使上述兩個方面(材料及其結(jié)構(gòu)性應(yīng)用技術(shù))提供互通,相信可以實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效率。
此項研究計劃將為UHPC的經(jīng)濟開發(fā)提供解決方案,并通過從根本上削減制造成本,促進(jìn)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中新的商業(yè)機會,進(jìn)一步擴大UHPC的應(yīng)用范圍。
不管迄今技術(shù)發(fā)展如何先進(jìn),仍然存在許多亟需解決的問題。例如,進(jìn)一步降低材料價格,同時保證材料性能不變,為材料成分、混合比、制造、施工、設(shè)計與維護等項建立可靠的規(guī)范和指南,以及探索在實際結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用并保證經(jīng)濟效率等等。不論國家經(jīng)濟發(fā)展水平如何,當(dāng)前與設(shè)施投標(biāo)相關(guān)的主要關(guān)鍵詞是耐久性高、壽命長、維修量小、美觀和施工進(jìn)度加快。毋庸置疑,UHPC正是滿足所有關(guān)鍵詞的建筑材料。UHPC既是現(xiàn)行技術(shù),也是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。
建筑資質(zhì)代辦咨詢熱線:13198516101