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UHPC:混凝土也可以变得辣么轻盈

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UHPC国外研究现状

1986年~1993年,法国政府组织了政府研究机构、高等院校和建筑公司等单位,承担了高性能混凝土的研究项目“高性能混凝土2000”,投入研究经费550万美元。挪威皇家科技研究院和工程研究基金持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。日本建设省于1993年~1998年进行了一项综合开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质、超高层化技术的开发”(简称“新RC计划”)。为实施该项研究计划,共成立了五个分科会,其中高强混凝土材料分会由水泥协会、建筑协会建设省研究所、建材实验中心、化学外加剂协会等机构和多所高等院校以及有关公司参加。1994年,美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议,并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发。瑞典在1991年~1997年由政府和企业联合出资5200万法郎,实施高性能混凝土研究的国家计划。

挪威在使用和研究高强混凝土和超高强混凝土方面更是走在世界前列,他们在北海油田的海上钻井平台上,曾进行了立方体抗压强度超过100MPa的超高强混凝土施工,并于1989年就制订和实施了抗压强度高达105MPa的SHPC结构设计标准;前面提到的英国帝国公司与牛津大学合作研制成功的无宏观缺陷(MDF)水泥,其抗压强度300MPa,抗折强度达50MPa-200MPa。近些年来,国际上又出现了活性粉末混凝土(RPC),其抗压强度已达800MPa。二十世纪末,法国的Lafarge公司研究成功了一种超高强、低脆性和优异耐久性的新型混凝土——活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)。RPC由石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效减水剂和钢纤维组成,成型工艺与普通混凝土相似,其抗压强度可与钢材相媲美。RPC制作的结构自重与钢结构相当,而造价仅为钢结构的三分之一,应用前景十分广泛。

UHPC国外应用现状

当前,超高性能混凝土除了在实验室进行研究外,也逐步在工程实践中得到应用。90年代,美国、加拿大、日本、挪威、前苏联各国、德国、澳大利亚等,成为应用UHPC最多的国家。美国的芝加哥、西雅图、纽约、休斯敦,加拿大的多伦多,德国的法兰克福等均有多幢UHPC建筑;日本不仅应用UHPC建造高层住宅,而且用其制造预应力混凝土桥梁、预应力混凝土桩、桁架、管、电杆等。目前应用UHPC最好的国家是挪威,其已有C105级超高强混凝土结构设计规范,此为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范(德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级,强度等级为当今世晃之最)。

超高性能混凝土在工程实践中已经得到了应用,有代表性的为:法兰克福BFG行政大楼建造并应用了C115的UHPC;1993年美国联邦公路管理局发起了在全国公路桥梁建设中推广应用高性能混凝土的计划,1996年美国公路与运输协会和美国联邦公路管理局联合立了高性能混凝土工作小组,以实施HPC在公路工程中的应用。美国制备了130MPa的高性能混凝土并已应用于高层建筑,美国的P.Mendis还介绍了强度达150MPa的高性能混凝土。以下为UHPC在国外应用的部分经典实例:

伊利诺斯州屋盖和Two Union squar大厦

美国于2001年在伊利诺斯州用RPC材料建成了18m直径的圆形屋盖,该屋盖未采用任何钢筋,设计中考虑了RPC的延性,直接承受拉、弯应力及初裂应力。现场拼装用时11d, 若采用钢结构,现场拼装则需要35d,因此大大缩短了施工工期。该屋盖因其先进的建筑材料和结构形式获得2003年Nova奖提名。

美国西雅图市的Two Union squar大厦应用了强度高达135MPa的超高强混凝土。该建筑58层,高230.15m,其主要特点是采用了超高强混凝土的钢管混凝土柱子。由于采用了超高强混凝土,整个工程降低结构造价30%,此工程已成为超高性能混凝土用于超高层建筑的范例。


首尔桥

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在韩国的首尔,一座采用RPC、跨度为120m的拱桥已建成。该桥由6段拼装而成,每段长20m,高113m,薄壁箱梁截面,壁厚只有30mm,不使用普通钢筋。这种尺寸采用普通混凝土是实现不了的。该桥不仅只用了其材料强度的一半(抗压强度:230MPa,抗弯强度;50MPa),而且其高耐久性使其在运营中可节省大量的维修费用。


加拿大Sherbrooke步行桥

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使用RPC的第一个大型建筑结构是长60.1m,桥面宽4.2m,横跨Mougog河的单跨步行桥。这座桥位于加拿大Quebec省Sherbrooke市,是由美国、加拿大、瑞士、法国共同进行RPC开发的一项试点工程,于1997年11月27日正式开通。当地气候条件恶劣,湿度大,冬季严寒,最低温度达-40℃,雪天须经常洒盐水化冰,对结构的耐久性要求很高,因而使用RPC200进行结构设计。桥的构造由RPC预制梁、预制板和钢管约束RPC组合而成。设计者采用三维空间桁架的设计思想,由预加应力抵抗桁架杆件的主拉应力及上承支撑的挠曲应力;而其他由剪应力和次挠曲产生的拉应力直接由RPC承担。预应力RPC在极大地减轻结构自重的同时,保证了结构的整体刚度。各基本构件均按常规混凝土工艺预制,只有施加预应力所使用的小型锚具是为这项工程特别设计的。该桥建成后至今使用状态良好。这一工程最突出的特点是完全用RPC制造,而未使用传统的受力钢筋,经预制用起重机现场安装。这一设计使得RPC基于密实的微观结构,所具有的优越力学性能得到充分的发挥,从而为RPC提供了广阔的发展空间。


法国马赛欧洲与地中海文明博物馆

在UHPC的诞生地法国,拉法基利用UHPC抗弯性极佳的特性打造了上述马赛地中海博物馆的外立面,并用UHPC桥将博物馆与对岸的圣让堡(Fort St Jean)连接了起来,实现了普通混凝土无法实现的效果。

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这座造型独特的建筑,外表皮采用了精致繁复的设计手法,这些华丽优雅的花纹并不是什么高分子合成材料形成的,采用的就是UHPC:一种非常独特的超高强混凝土,轻盈通透,在夜色和灯光的映衬下,熠熠闪光。

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