超高性能混凝土 (UHPC) 技術的最新進展
2017-03-13
上世紀90年代，UHPC作為一種先進材料問世，但其應用因價格昂貴、自收縮過大和缺乏專門設計與施工規(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克服了諸多不足。這些改進可以實現(xiàn)材料降價，激發(fā)對施工規(guī)范或指南以及UHPC在結構中應用相關的技術研究。這也啟動了UHPC在實際結構中的應用，并加快了技術發(fā)展的速度。
UHPC的最新進展
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)已廣泛應用于建筑物、道路與人行橋以及其他結構中。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。
上世紀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。但在當時，由于制造方法復雜和技術限制等因素，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，由于制造過程復雜、材料成本高等緣故，MDF水泥的應用情況并不樂觀。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90年代末，在RPC技術基礎之上，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結構，建于1997年），但由于材料成本較高并且要求高溫固化，RPC在實際結構施工中的廣泛應用仍受到了阻礙。
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用所取得的進步，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，研究了力學性質變化，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、粘結性能和扭轉特性等UHPC結構性能。2001年，美國聯(lián)邦公路局（FHWA）
開始研究公路基礎設施中應用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、耐久性和在結構應用中所需的設計指南。2006年，日本也發(fā)布了超高強度纖維增強型混凝土（UHFRC）設計與施工建議草案。2005～2012年，德國投入1200萬歐元（由德國科學基金會資助），用于由20家研究院牽頭的34個研究項目中，制定可靠的UHPC相關規(guī)范和標準。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)合學術界以及設計和建筑企業(yè)，在2013到2018年間實施“2020超級結構”項目，項目公募與私募基金為340億韓元，用于開發(fā)可現(xiàn)場澆筑和車間預制的、抗壓強度為80-180MPa的低成本、耐久、優(yōu)質混凝土。 u9 E; U1 t0 r* s4 k. H
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2010年之后，人們開始關注碳納米纖維、納米二氧化硅和石墨烯等納米材料。UHPC領域采用納米技術，有望改善UHPC性能和進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新橋正在建設中。如今，UHPC是國際公認的下一代混凝土，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，應用于各種施工現(xiàn)場。& [. Q( q, ~2 h) C’ x
規(guī)程現(xiàn)狀
上世紀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應用設計規(guī)程。UHPC設計規(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。
設計中考慮拉力，在有效的UHPC結構設計中發(fā)揮著決定性的作用。考慮UHPC抗拉強度的橫斷面不僅要變得纖細，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，還能使施工變得簡單。考慮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)的上部結構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)模結構和專項研發(fā)中材料應用所提供的經(jīng)驗反饋為基礎。而第二階段是將UHPC用作一般建筑材料，添加應用了國家混凝土設計規(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》是首個設計規(guī)程，主要依據(jù)為Ductal 在小橋和其他結構中的應用經(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)場應用UHPC特性、耐火性、耐久性和可持續(xù)發(fā)展相關的成分的調(diào)整，以及結合國家設計規(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，并對其力學特性和在結構中的應用展開深入研究。據(jù)研究結果表明，德國當前正在結合以前的設計規(guī)范和歐洲規(guī)范，編制UHPC設計規(guī)程。
由歐洲國家所領導的國際結構與混凝土聯(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，制定設計規(guī)范。
在日本土木工程師學會的領導下，日本已經(jīng)展開對Ductal 力學特性的研究，并在2004年成功發(fā)布《UHPFRC設計與施工建議》（暫定）。這些建議成功地應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設計指南》（暫定）。隨后通過K-UHPC橋梁的設計與修建，對指南規(guī)定進行了增補，并在韓國混凝土協(xié)會（KCI）的協(xié)助下，于2012年發(fā)布《K-UHPC設計指南》。KICT運用《K-UHPC設計指南》完成了韓國、緬甸和美國愛荷華州7座K-UHPC橋的設計，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斜拉路橋的設計應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 的應用，如何修建小型橋或者加快橋梁連接件的構筑。2015年，美國混凝土協(xié)會（ACI）成立了專注于UHPC的ACI239C委員會，負責編制《UHPC設計指南》。同時，制定與UHPC制造與材料測試相關的ASTM標準的工作正在進行之中。除此之外，美國還通過FHWA對可能應用的各種超高性能混凝土展開性能評估研究。2015年，加拿大標準協(xié)會（CSA）也成立了UHPC工作組，負責編制設計規(guī)程。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）也已發(fā)布了《SIA 2052 UHPFRC瑞士標準》設計規(guī)范，其中包括國家設計規(guī)程中的UHPC研究成果。
上世紀90年代末，中國引入UHPC之后，也在不斷開展相關的研究工作并加以應用，為2015年頒布《活性粉末混凝土》設計規(guī)程打下了基礎。該規(guī)程中明確了UHPC的定義、制造方法、測試方法和質量控制?！?T( ?’ E4 e( J) ]0 } H5 h
上世紀90年代起，全球開始集中制定UHPC設計規(guī)程。除了聚焦抗壓強度的應用外，制定好的UHPC設計規(guī)程還會使用傳統(tǒng)混凝土中被忽略的抗拉強度。初版UHPC設計規(guī)程是專為UHPC而制定的。此后在設計規(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的重要結構設計規(guī)范及混凝土設計規(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在橋梁中的應用
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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段預制而成，然后運至現(xiàn)場進行安裝，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-鋼混合結構，連接鋼制斜構件和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的直構件組成，橫斷面為矩形鏤空斷面，厚度為60mm，并采用體外預應力加固。
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。該人行橋寬3.0m，除行人荷載之外，還可承受35KN貨車負荷。橋梁采用當?shù)夭牧?，并且?.5%的容積率摻入鋼纖維。鑒于所采用的材料，設計強度預計可以達到110MPa，但實際強度高達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應用于橋梁維修、加固或路面、橋面板等個別構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
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北美
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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。橋面通過橫向預加應力。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。
除橋梁上部結構之外，北美還存在許多在預制構件連接件中應用UHPC的例子，并且，使用UHPC來加快施工進度也成為了日益增長的趨勢。* q+ A) m4 N, d6 `: E’ H
亞洲
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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?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，目前尚在建設之中（圖3）。該橋為單塔斜拉橋，總長200m，寬29.5m，預計于2017年竣工。一旦竣工，該橋將成為全球第一座UHPC斜拉公路橋，也是最長UHPC公路橋。
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韓國UHPC斜拉橋
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“2020超級結構”研究小組
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“2020超級結構”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)、專用設計指南的編制，到應用所謂先進材料的技術開發(fā)。該計劃于2013年12月正式啟動，預計2018年8月結束，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材料設計規(guī)程。為此，需進行材料和結構性能試驗，推動經(jīng)濟有效的設計方法。這也意味著，制定設計規(guī)程是為了實現(xiàn)先進材料的經(jīng)濟及有效的應用。第三個核心項目旨在為第一個核心項目所開發(fā)材料的結構性應用進行技術的開發(fā)。設想結構包括斜拉橋和長跨橋上部結構、風力渦輪塔架、浮動結構以及建筑結構與裝飾藝術品。項目的目標是，相較于以前的結構，保證至少10%的經(jīng)濟效率。在計劃的現(xiàn)階段，部分目標已經(jīng)實現(xiàn)。
此項研究計劃同時還要開發(fā)材料以及其結構性應用技術。與以前的研發(fā)工作相比，該計劃的獨創(chuàng)性在于側重經(jīng)濟效率這一目標。在分別開發(fā)材料及其結構性應用技術的傳統(tǒng)框架內(nèi)，系統(tǒng)地實現(xiàn)這一目標相當困難。并且，該計劃選擇的當前框架體系可使上述兩個方面（材料及其結構性應用技術）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，促進廣泛的應用領域中新的商業(yè)機會，進一步擴大UHPC的應用范圍。
不管迄今技術發(fā)展如何先進，仍然存在許多亟需解決的問題。例如，進一步降低材料價格，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，以及探索在實際結構中的廣泛應用并保證經(jīng)濟效率等等。不論國家經(jīng)濟發(fā)展水平如何，當前與設施投標相關的主要關鍵詞是耐久性高、壽命長、維修量小、美觀和施工進度加快。毋庸置疑，UHPC正是滿足所有關鍵詞的建筑材料。UHPC既是現(xiàn)行技術，也是未來技術發(fā)展的趨勢。
