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UHPC:混凝土也可以變得辣么輕盈

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UHPC國外研究現狀

1986年~1993年,法國政府組織了政府研究機構、高等院校和建筑公司等單位,承擔了高性能混凝土的研究項目“高性能混凝土2000”,投入研究經費550萬美元。挪威皇家科技研究院和工程研究基金持續資助高強混凝土和高性能混凝土的研究。日本建設省于1993年~1998年進行了一項綜合開發計劃“鋼筋混凝土結構建筑物的超輕質、超高層化技術的開發”(簡稱“新RC計劃”)。為實施該項研究計劃,共成立了五個分科會,其中高強混凝土材料分會由水泥協會、建筑協會建設省研究所、建材實驗中心、化學外加劑協會等機構和多所高等院校以及有關公司參加。1994年,美國聯邦政府16個機構聯合提出了一個在基礎設施工程建設中應用高性能混凝土的建議,并決定在10年內投資2億美元進行研究和開發。瑞典在1991年~1997年由政府和企業聯合出資5200萬法郎,實施高性能混凝土研究的國家計劃。

挪威在使用和研究高強混凝土和超高強混凝土方面更是走在世界前列,他們在北海油田的海上鉆井平臺上,曾進行了立方體抗壓強度超過100MPa的超高強混凝土施工,并于1989年就制訂和實施了抗壓強度高達105MPa的SHPC結構設計標準;前面提到的英國帝國公司與牛津大學合作研制成功的無宏觀缺陷(MDF)水泥,其抗壓強度300MPa,抗折強度達50MPa-200MPa。近些年來,國際上又出現了活性粉末混凝土(RPC),其抗壓強度已達800MPa。二十世紀末,法國的Lafarge公司研究成功了一種超高強、低脆性和優異耐久性的新型混凝土——活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,簡稱RPC)。RPC由石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效減水劑和鋼纖維組成,成型工藝與普通混凝土相似,其抗壓強度可與鋼材相媲美。RPC制作的結構自重與鋼結構相當,而造價僅為鋼結構的三分之一,應用前景十分廣泛。

UHPC國外應用現狀

當前,超高性能混凝土除了在實驗室進行研究外,也逐步在工程實踐中得到應用。90年代,美國、加拿大、日本、挪威、前蘇聯各國、德國、澳大利亞等,成為應用UHPC最多的國家。美國的芝加哥、西雅圖、紐約、休斯敦,加拿大的多倫多,德國的法蘭克福等均有多幢UHPC建筑;日本不僅應用UHPC建造高層住宅,而且用其制造預應力混凝土橋梁、預應力混凝土樁、桁架、管、電桿等。目前應用UHPC最好的國家是挪威,其已有C105級超高強混凝土結構設計規范,此為目前世界上強度等級第二高的混凝土結構設計規范(德國現行的混凝土結構設計規范已達C110級,強度等級為當今世晃之最)。

超高性能混凝土在工程實踐中已經得到了應用,有代表性的為:法蘭克福BFG行政大樓建造并應用了C115的UHPC;1993年美國聯邦公路管理局發起了在全國公路橋梁建設中推廣應用高性能混凝土的計劃,1996年美國公路與運輸協會和美國聯邦公路管理局聯合立了高性能混凝土工作小組,以實施HPC在公路工程中的應用。美國制備了130MPa的高性能混凝土并已應用于高層建筑,美國的P.Mendis還介紹了強度達150MPa的高性能混凝土。以下為UHPC在國外應用的部分經典實例:

伊利諾斯州屋蓋和Two Union squar大廈

美國于2001年在伊利諾斯州用RPC材料建成了18m直徑的圓形屋蓋,該屋蓋未采用任何鋼筋,設計中考慮了RPC的延性,直接承受拉、彎應力及初裂應力?,F場拼裝用時11d, 若采用鋼結構,現場拼裝則需要35d,因此大大縮短了施工工期。該屋蓋因其先進的建筑材料和結構形式獲得2003年Nova獎提名。

美國西雅圖市的Two Union squar大廈應用了強度高達135MPa的超高強混凝土。該建筑58層,高230.15m,其主要特點是采用了超高強混凝土的鋼管混凝土柱子。由于采用了超高強混凝土,整個工程降低結構造價30%,此工程已成為超高性能混凝土用于超高層建筑的范例。


首爾橋

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在韓國的首爾,一座采用RPC、跨度為120m的拱橋已建成。該橋由6段拼裝而成,每段長20m,高113m,薄壁箱梁截面,壁厚只有30mm,不使用普通鋼筋。這種尺寸采用普通混凝土是實現不了的。該橋不僅只用了其材料強度的一半(抗壓強度:230MPa,抗彎強度;50MPa),而且其高耐久性使其在運營中可節省大量的維修費用。


加拿大Sherbrooke步行橋

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使用RPC的第一個大型建筑結構是長60.1m,橋面寬4.2m,橫跨Mougog河的單跨步行橋。這座橋位于加拿大Quebec省Sherbrooke市,是由美國、加拿大、瑞士、法國共同進行RPC開發的一項試點工程,于1997年11月27日正式開通。當地氣候條件惡劣,濕度大,冬季嚴寒,最低溫度達-40℃,雪天須經常灑鹽水化冰,對結構的耐久性要求很高,因而使用RPC200進行結構設計。橋的構造由RPC預制梁、預制板和鋼管約束RPC組合而成。設計者采用三維空間桁架的設計思想,由預加應力抵抗桁架桿件的主拉應力及上承支撐的撓曲應力;而其他由剪應力和次撓曲產生的拉應力直接由RPC承擔。預應力RPC在極大地減輕結構自重的同時,保證了結構的整體剛度。各基本構件均按常規混凝土工藝預制,只有施加預應力所使用的小型錨具是為這項工程特別設計的。該橋建成后至今使用狀態良好。這一工程最突出的特點是完全用RPC制造,而未使用傳統的受力鋼筋,經預制用起重機現場安裝。這一設計使得RPC基于密實的微觀結構,所具有的優越力學性能得到充分的發揮,從而為RPC提供了廣闊的發展空間。


法國馬賽歐洲與地中海文明博物館

在UHPC的誕生地法國,拉法基利用UHPC抗彎性極佳的特性打造了上述馬賽地中海博物館的外立面,并用UHPC橋將博物館與對岸的圣讓堡(Fort St Jean)連接了起來,實現了普通混凝土無法實現的效果。

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這座造型獨特的建筑,外表皮采用了精致繁復的設計手法,這些華麗優雅的花紋并不是什么高分子合成材料形成的,采用的就是UHPC:一種非常獨特的超高強混凝土,輕盈通透,在夜色和燈光的映襯下,熠熠閃光。

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