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2022.01.13
我国土木工程建设正处在大规模建设向建养并重转移阶段,超高性能混凝土(UHPC)已经在新建高性能结构和既有结构加固改造中得到了应用。在水泥基材料及其应用领域,UHPC作为先进水泥基材料,为宜业尚品、轻量化与耐久耐用工程结构提供了创新的源泉和空间;低碳、绿色环保、可持续和高质量发展的要求,推动了UHPC在工程建设中的应用。
2021年,我国UHPC呈现出快速发展趋势。UHPC领域的研究成果、标准规范编制进展、产业发展、新的工程应用都有长足的进步。
技术研究
据专家2021年2月统计了2007年至2020年的资料显示,自然科学基金资助的UHPC相关研究项目数量、科学基金支持的研究项目都有较大增长,从一个侧面反映UHPC研究活动越来越活跃。还有很多结合工程项目具体需求而开展的专项试验研究,为工程应用方案优化设计提供依据。在中国知网上,以“超高性能混凝土+UHPC”“活性粉末混凝土+RPC”和“超高韧性混凝土+STC”(在我国使用的三个名称)为主题词,分别查询过去20年(2001-2020)每年在中文期刊发表的研究论文和各类文章数量均在增长。此外,还有相当数量的研究论文发表在国外刊物。近几年我国UHPC的应用快速增长,得益于越来越多的UHPC相关研究,加快了UHPC技术进步与积累,为工程应用、创新和产业发展提供了有力的支撑。
材料研究
标准《超高性能混凝土基本性能与试验方法》(T/CBMF37/T/CCPA-7-2018)规定了UHPC材料的基本性能和要求,《超高性能混凝土预混料》(T/CBMF96/T/CCPA20-2020)则扩展到常用的、主要的新拌性能和硬化性能。这些性能是UHPC材料目前发展阶段可以标准化分级与要求的性能。除这些性能外,在实际工程应用中,可能会对UHPC提出更多方面的性能要求,如快凝快硬、高早强、低收缩或无收缩、高弹性模量、良好耐高温性能、高耐磨性能,以及更高抗拉性能或更低制备成本等等。因此,材料性能的提升与发展进步,会长期是UHPC材料研究的主题。
应用研究
桥梁应用研究在UHPC桥梁发展领域,2021年8月底贯通的广东英德北江四桥非常值得关注,其中保利长大承建的大站镇岸跨堤引桥是国内首座大跨径UHPC公路梁桥,由4幅102m跨径UHPC简支箱梁组成。
广东英德北江四桥
该UHPC梁桥采用了湖南大学邵旭东团队研发的单向预应力UHPC薄壁连续箱梁新结构。在2017年前,针对大跨预应力混凝土连续箱梁桥自重过大、主跨过度下挠和梁体开裂等难题,邵旭东团队提出了UHPC (RPC) 箱梁解决方案,并为此开展了大量试验研究优化箱梁结构和结构连接。在此基础上,中交第二公路勘察设计研究院、湖南大学和广东省交通规划设计研究院联合编制了《节段预制拼装预应力超高性能混凝土箱梁桥专用技术规程》,用于指导UHPC 箱梁桥的设计与施工。英德北江四桥首次将全新构造的密集横隔板UHPC薄壁箱梁结构应用于实桥,是桥梁建设和UHPC梁桥发展的一次重大突破。该技术方案有望综合解决大跨径混凝土箱梁桥开裂和主跨过度下挠两大难题,并将简支梁桥的跨越能力扩展至100m,未来还有可能将预应力混凝土(UHPC) 连续箱梁的跨径提高至400m级。
英德北江四桥102m跨径UHPC箱梁节段预制与桥梁架设
2021年5 月,中电建路桥、苏交科、广东省公路学会和中路杜拉联合在广东江门组织了“中开高速公路项目30 米U型UHPC组合梁抗弯承载能力足尺试验观摩会”。已开工建设的中开高速公路,需要将桥梁标准宽度从33m增加到35m (桥梁两侧各加宽1m),桥梁的边梁需要为此重新设计和更换。从梁重量、结构性能、经济性、耐久性,以及对已建成下部结构影响等方面比选,确定UHPC-RC梁(无腹筋预应力U型UHPC梁与C50钢筋混凝土桥面板组合梁)为最优方案。为确保该技术方案安全可靠,开展了大量分析计算和试验,并通过30 米U型UHPC-RC组合梁抗弯承载能力足尺试验验证设计计算的准确性、检验实际预制组合梁生产的质量和性能。这种针对实际工程需求进行的试验研究、足尺梁试验,也为UHPC材料本构关系、桥梁结构设计、标准规范提供了试验数据支撑。
30米U型UHPC-RC组合梁抗弯承载能力足尺试验
由浙江舟山北向大通道公司、同济大学等单位完成的浙江省交通运输厅重点科技项目《超高性能混凝土提升跨海桥梁工程性能的应用研究》,在2021年7 月进行了成果鉴定。该项目成果之一是设计、预制UHPC预制T型梁。每片梁UHPC用量约17.6 m3,折合桥面0.27m3 /m2。单榀梁最重约48t,两辆汽车吊就能轻松完成安装,大幅降低施工难度和安装成本。测算表明,UHPC T梁桥的综合成本与普通混凝土梁桥大体持平,非常适合建造高耐久桥梁,特别是在海洋等腐蚀性环境中使用的桥梁。
30m 长UHPC T型梁预制和架设
2021年8 月,广东省公路学会组织专家对中路杜拉公司完成的《中小跨径预应力无腹筋超高性能混凝土梁桥在旧桥改造中的应用研究》项目成果进行评价,充分肯定了预应力无腹筋UHPC中小跨径梁桥结构型式和UHPC梁体-普通钢筋混凝土桥面板组合梁的创新性,以及设计的可靠性。
《中国公路学报》2021年第8期为 “UHPC材料及其在桥梁工程中的应用专刊”,在专刊导语中指出“UHPC在新建结构和既有结构加固改造中的应用,有望从源头上解决传统混凝土结构自重大、易开裂、耐久性不足、维护费用高等共性难题,驱动桥梁工程的高质量展。UHPC材料及其在桥梁工程中应用的基础理论、关键技术和结构创新,是实现我国桥梁工程高性能化的重要支撑。可以预期,随着研究的系统深入、标准规范体系的建立完善,在桥梁工程向大跨、轻型、耐久耐用方向发展过程中,以及在既有桥梁加固改造中,UHPC 将发挥越来越重要的作用。
建筑应用研究华东建筑设计院张桦、白杨在论文《建筑外围护系统的工业化集成探索实践——基于超高性能混凝土围护体系的研究》,以华建集团装配式建筑集成技术试验楼中所采用的单元式集成混凝土外挂墙板为研究对象,深度剖析外围护体系的集成设计与建造。从抗腐蚀、防污染、防水等方面考虑,选用UHPC制作单元集成混凝土外挂墙板,并将墙板重量降至同等尺寸传统预制夹芯保温混凝土墙板的三分之一。在欧洲,轻量化楼梯是UHPC重要的建筑应用之一。中建西部建设研究院、同济大学等多个单位,也设计研制了UHPC楼梯,将同样尺寸和功能楼梯的重量减小50%~70% (与钢筋混凝土楼梯对比)。
华建集团装配式建筑集成技术试验楼
上海理工大学和上海建工二建,开展了“UHPC连接的节点预制-构件预制装配式框架抗震性能试验研究”,证明UHPC连接的预制装配式框架结构有可靠的抗震性能。之后,该团队又进行了“基于超高性能混凝土连接的装配式剪力墙抗震性能试验研究” ,表明UHPC连接的剪力墙能够有效地传递钢筋应力,位移延性、耗能能力基本与整浇试件处于同一水平,极限位移角满足现行规范要求。
我国的建筑产业生产建造方式正处于转型升级阶段,建设部在推动发展工厂化预制生产、全新装配式集成部品部件和装配技术体系。UHPC有助于建筑部品、构件实现轻量化、高品质、高效率和低资源消耗,还可用于构件节点连接提高结构可靠性和抗震性。因此,在建筑领域,UHPC有良好的应用技术发展潜力与市场发展空间。
近年来,中国混凝土与水泥制品协会、UHPC分会在推动超高性能混凝土技术进步方面做了大量工作。3月31日,在2021-2022中国混凝土展上,将举办“第二届全国UHPC设计定制大赛”,有全国众多混凝土企业及大专院校组队前来参加。