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超高性能混凝土,UHPC的诞生

最早将UHPC付诸实用的是在桥梁建造中

1997年加拿大魁北克省建成了第一座UHPC桥——Sherbrooke桥


UHPC术语全称为Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete,超高性能纤维增强混凝土。它的出现是数十年来混凝土技术的发展以及国际科学界和私人公司辛勤工作的结果。该术语包含了混凝土的属性和技术,这些属性和技术隐藏在每个单词字面意义的背后,因此需要根据具体的技术历史发展,对此进一步的阐述。

 

UHPC可以精确复制模具的表面和几何图案

并具有良好的抗弯曲性


这篇文章试图为UHPC诞生之后的连续过程提供一个广阔的视野,并对该术语的真正含义进行阐述。认识UHPC所需要的第一步,是从了解传统混凝土演变成UHPC的过程开始。

 

即使混凝土的历史可以追溯到罗马帝国的时代,但考虑到现代混凝土的主要材料是水泥、砾石、沙子和水的混合物,因此也可以认为混凝土的现代历史始于1824年,约瑟夫·阿斯普丁(Joseph Aspdin)发明波特兰水泥。到19世纪中叶,约瑟夫·莫尼尔(Joseph Monier)发明了钢筋混凝土,并运用钢筋混凝土的优点开发出一系列建造梁、管、桩和楼板的专利施工方法。建筑技术革命的发展就此拉开序幕,而约瑟夫·莫尼尔的钢筋混凝土系列技术为其奠定了重要基础。钢筋混凝土得以不断发展,并成为20世纪最卓越的建筑材料之一。


随着整个20世纪混凝土技术和设计规范的改进和发展,混凝土的基体性能也在不断提高,而其不断发展的重点是解决钢筋混凝土材料的主要问题:

 

a. 材料过重; 

b. 抗拉强度和抗压强度低; 

c. 过高的重量和强度比; 

d. 体积稳定性差; 

e. 韧性差; 

f. 耐久性差。

 

科学家和工程师设法通过以下途径,来至少解决上述的部分问题:


* 增加抗压强度

* 将纤维添加到混凝土材料中

* 优化混凝土中颗粒堆积的方式和密度



与传统混凝土相比,UHPC在结构上更像钢

在外墙中使用时,可降低总体结构重量并降低运输和安装成本


提高混凝土抗压强度的竞赛始于20世纪中叶,同时它还提高了其他性能,例如抗张强度、剪切强度或粘结强度。在1980年代,人们知道了生产高强度混凝土的方法:通过选择不同级别的特殊骨料颗粒和减水剂的配方,达到较低的水灰比率(水灰比率:混凝土中水的用量与水泥用量的重量比值),可以有效提高混凝土的强度。

 

世界范围的研究人员因这个发现,创造了HSCHigh-Strength ConcreteHPCHigh-Performance Concrete术语,分别表示高强度混凝土和高性能混凝土。在当时,强度等级达到或超过具有50MPa的混凝土,即被认为高强度混凝土。术语高强度混凝土是指具有50120 MPa的特征抗压强度的混凝土。而高性能混凝土则包含那些改善过后具有耐久性能的HSC

 

但是,随着混凝土的抗压强度越高,它的基质也会变得越脆。这在混凝土的使用中是不希望有的效果,而这个问题可以通过在混合物中添加纤维来解决。1970年代初期,术语纤维增强混凝土FRCFibre-Reinforced Concrete,最初是指具有任何类型纤维增强作用的混凝土,无论使用何种纤维形状、不同的长宽比、数量或材料,都统称为FRC。从那时起,对纤维增强混凝土的研究从未停止过,通过研究不同类型的纤维(形状,长宽比,材料类型)和数量,得出使用纤维可以显著提高混凝土的抗拉强度、延展性、刚度、抗裂性、耐久性,以及抗疲劳和冲击性能。


添加进混凝土内的不同纤维材质


超高性能混凝土UHPCUltra-High-Performance Concrete一词于1994年首次使用,是指经过优化的颗粒填充材料,使用了特殊的细颗粒和超细颗粒,从而降低孔隙率,达到混凝土的高耐久性和自密实性。优化的颗粒堆积也可以提高混凝土的抗压强度(120 MPa以上),称之为超高强度混凝土UHSCUltra-High-Strength Concrete,同时也提高混凝土的耐久性能。这就是1980年代创造的HPC这个术语在1990年代演变成UHPC的原因。

 

1995年,上述三种技术的结合研发出了活性粉末混凝土(RPCReactive Powder Concrete ,一种由非常细的粉末(水泥,沙子,石英粉和硅粉组成,不包含粗骨料和砾石),钢纤维组成的致密颗粒填充混合物,高效减水剂和极低的水与粘合剂比率。到21世纪,RPC术语已在全球范围内逐渐被超高性能纤维增强混凝土UHPFRCUltra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete取代,保留了混凝土技术发展中使用的历史性术语。由于假定超高强度混凝土需要最少数量的纤维才能提供一定程度的延展性,因此使用术语UHPC来指代超高性能纤维增强混凝土更为频繁(且更简单)。



因此,UHPC这个词目前代表:


* 抗压强度超过120 MPa的超高强度混凝土。

* 采用特殊的细颗粒和超细颗粒的超高性能混凝土,具有优化的颗粒堆积, 低孔隙率和高耐久性。

* 使用最少含量的纤维以确保最低程度的基质延展性。

 


UHPC的高堆积密度可形成出色的弯曲和抗冲击强度


现在我们知道UHPC,但不要忘记UHPC依然是混凝土,它也可以与钢筋或钢绞线结合(或不结合)。由于我们社会对于建筑建造的更高要求,UHPC随着混凝土的自然演变而诞生。而在未来的几年中,保持混凝土作为建筑材料的卓越性依然是必要的。

 

 

图文资料来源/参考

rdconcrete.com

taktl-llc.com