2019年中國(guó)超高性能混凝土(UHPC) 技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展報(bào)告(上)
中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)在2018年12月成立了超高性能水泥基材料與工程技術(shù)分會(huì)(簡(jiǎn)稱CCPA-UHPC分會(huì)),旨在促進(jìn)中國(guó)UHPC技術(shù)進(jìn)步、知識(shí)普及、應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在2019年6月30日南昌召開(kāi)首屆CCPA-UHPC論壇的開(kāi)幕式上,CCPA徐永模會(huì)長(zhǎng)指出:UHPC突破了水泥基材料性能和應(yīng)用領(lǐng)域的很多極限。無(wú)論是結(jié)構(gòu)材料組分的復(fù)合,水泥基材料本身的性能、與纖維增強(qiáng)材料的復(fù)合、還是與其他結(jié)構(gòu)材料的“組合”,應(yīng)該說(shuō)都打開(kāi)了許多發(fā)展空間,為我們創(chuàng)新者提供許多想象空間。目前UHPC在各種工程上的應(yīng)用還只是開(kāi)始,一旦UHPC的性能和優(yōu)勢(shì)被認(rèn)識(shí),將很快形成UHPC的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高潮。希望UHPC的發(fā)展起始于國(guó)外,成長(zhǎng)在中國(guó),成就在中國(guó)!
從2019年開(kāi)始,CCPA-UHPC分會(huì)將每年撰寫(xiě)“中國(guó)UHPC技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展報(bào)告”,回顧、記錄和總結(jié)UHPC在中國(guó)的發(fā)展進(jìn)步。本報(bào)告是這一系列年度報(bào)告的開(kāi)篇,包含了過(guò)去和今年開(kāi)展的工作。
一、UHPC的發(fā)展回顧
國(guó)際上和中國(guó)UHPC技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展,至今的大事年表如下圖所示。UHPC發(fā)明的標(biāo)志是丹麥Hans Henrik Bache 先生1979年申請(qǐng)第一個(gè)專利以及他建立DSP理論,至今年正好是40年。在上世紀(jì)八十年代,丹麥開(kāi)展了UHPC材料與應(yīng)用研究。當(dāng)時(shí)UHPC被稱作Ny Beton(新型混凝土)、CRC(Compact Reinforced Composite密實(shí)增強(qiáng)復(fù)合材料,即R-UHPC或纖維和鋼筋增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料),以及Densit?商標(biāo)的商業(yè)化UHPC預(yù)混料產(chǎn)品。上世紀(jì)九十年代,法國(guó)是UHPC研究發(fā)展最活躍的國(guó)家。其中,法國(guó)多個(gè)企業(yè)參加的“活性粉末混凝土” (Reactive Powder Concrete,簡(jiǎn)稱RPC)研究項(xiàng)目,發(fā)表了系列研究論文使RPC或UHPC在世界范圍獲得重視和研究發(fā)展。法國(guó)最早開(kāi)展UHPC的標(biāo)準(zhǔn)化工作,到2018年頒布了完整系列的UHPC材料、設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)。
UHPC(超高性能混凝土)名稱是1994年法國(guó)學(xué)者建議的,因能更好表達(dá)這種超高性能水泥基纖維增強(qiáng)材料的優(yōu)越性能,逐步被廣泛接受和采用。法國(guó)、瑞士和德國(guó)自己語(yǔ)言的名稱是“超高性能纖維增強(qiáng)混凝土”(法語(yǔ)簡(jiǎn)稱為BFUP、德語(yǔ)為UHFB,等同英語(yǔ)簡(jiǎn)稱UHPFRC— Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete)。瑞士定義UHPFRC中的“C”代表“水泥基復(fù)合材料”(Cement-based composite),認(rèn)為UHPFRC克服了混凝土(Concrete)的諸多缺點(diǎn),已經(jīng)不是混凝土了。盡管如此,國(guó)際上交流,UHPC是通用的名稱。
在“知網(wǎng)”上查詢中國(guó)關(guān)于UHPC技術(shù)方面的中文文章,最早為1998年俞瑞堂編譯文章“活性粉末混凝土的理論與實(shí)踐“(發(fā)表在《國(guó)外橋梁》雜志1998年第1期),以及覃維祖、曹峰的文章“一種超高性能混凝土 —— 活性粉末混凝土”(發(fā)表在《工業(yè)建筑》1999年第4期)。這兩篇文章都介紹了法國(guó)研究的“活性粉末混凝土”,是中國(guó)UHPC技術(shù)的啟蒙,早期中國(guó)的相關(guān)研究應(yīng)用也多采用RPC名稱,至今RPC名稱在中國(guó)還有使用。法國(guó)如今已經(jīng)不再使用RPC名稱,使用BFUP或直接使用各企業(yè)商標(biāo)名稱如Ductal?、BSI?等,與UHPC含義相同。
中國(guó)UHPC的研究探索始于上世紀(jì)末,最早的規(guī)模化應(yīng)用是客運(yùn)專線的電纜溝蓋板(RPC蓋板),開(kāi)端性的橋梁應(yīng)用包括:2006年建造遷曹鐵路灤柏干渠大橋低高度RPC預(yù)應(yīng)力T型梁鐵路橋,2011年肇慶馬房大橋的一跨鋼橋面鋪裝試驗(yàn)段(當(dāng)時(shí)使用的名稱為超高韌性混凝土,簡(jiǎn)稱STC),2015年建造福州大學(xué)校園內(nèi)UHPC拱橋(10m跨徑)和京港澳高速石安段UHPC箱梁公路橋,2016年建造的長(zhǎng)沙北辰虹橋(預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力UHPC箱梁橋)和上海裝配式高架橋UHPC濕接縫;之后橋梁和建筑創(chuàng)新應(yīng)用呈明顯增長(zhǎng)勢(shì)頭。UHPC如今是中國(guó)水泥基材料研究、應(yīng)用、創(chuàng)新、發(fā)展最具活力的領(lǐng)域,伴隨工程應(yīng)用的增長(zhǎng),UHPC業(yè)已成為可工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化供應(yīng)的工程材料,產(chǎn)品類型和應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展。UHPC的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在中國(guó)全面展開(kāi),進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體系的建立階段。
UHPC的專題技術(shù)交流始于德國(guó)Kassel大學(xué)在2004年舉辦的第一屆UHPC國(guó)際研討會(huì)(每4年一屆,英語(yǔ)交流)。2004年后的15年間,國(guó)際上包括中國(guó)的UHPC技術(shù)發(fā)展速度明顯加快,大量企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的科研人員加入U(xiǎn)HPC研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的行列,UHPC交流的平臺(tái)也不斷增加,如法國(guó)土木工程協(xié)會(huì)從2009年開(kāi)始舉辦國(guó)際研討會(huì)(英語(yǔ)和法語(yǔ)交流),也是4年一屆;美國(guó)2016年舉辦UHPC互動(dòng)國(guó)際研討會(huì)(英語(yǔ)交流),今年剛舉辦了第二屆;RILEM(國(guó)際材料和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)合會(huì))的中國(guó)系列UHPC國(guó)際研討會(huì)(英語(yǔ)交流),2016年和2018年分別在長(zhǎng)沙和福州舉辦了兩屆,2020年將在南京舉辦第三屆。
2019年CCPA-UHPC分會(huì)也搭建起UHPC中文交流的本土化平臺(tái)——CCPA-UHPC論壇。首屆CCPA-UHPC論壇為期1天,于2019年6月30日在南昌舉辦(與預(yù)拌混凝土行業(yè)第六屆“井岡山論壇”同期舉辦,2019年29-30日),論壇主旨為:分享UHPC知識(shí)與經(jīng)驗(yàn),啟發(fā)創(chuàng)意與創(chuàng)新,討論技術(shù)空白點(diǎn)與努力方向。2019年湖南省硅酸鹽學(xué)會(huì)、湖南大學(xué)等單位也在長(zhǎng)沙組織召開(kāi)了“全國(guó)首屆超高性能混凝土材料與結(jié)構(gòu)研討會(huì)”(2019年10月17-20日)。第二屆CCPA-UHPC論壇將在CCPA的南京年會(huì)期間召開(kāi)(2019年12月6-8日),同期還將舉辦由CCPA和中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)發(fā)起、以UHPC為專題的“第二屆混凝土大講堂”,邀請(qǐng)國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)UHPC技術(shù)發(fā)展有重大貢獻(xiàn)的專家學(xué)者講課。除UHPC專題會(huì)議外,近年來(lái)召開(kāi)的水泥基材料和UHPC應(yīng)用相關(guān)行業(yè)會(huì)議、論壇等,UHPC主題的報(bào)告數(shù)量明顯增多,從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了中國(guó)UHPC研究應(yīng)用的勃勃生機(jī)。
二、中國(guó)UHPC 研究與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展
經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展,在中國(guó)一些高校、企業(yè)已經(jīng)造就出一批專注于UHPC的研發(fā)團(tuán)隊(duì),成為中國(guó)UHPC技術(shù)進(jìn)步和推廣應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力。鑒于中國(guó)之大、開(kāi)展的研發(fā)活動(dòng)之多,難以收集完整全面的信息資料,本報(bào)告從首屆CCPA-UHPC論壇、發(fā)表論文及新聞報(bào)道等獲得的信息,介紹部分團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的部分UHPC研究應(yīng)用工作,從中一窺中國(guó)的UHPC技術(shù)進(jìn)展。
湖南大學(xué)
湖南大學(xué)黃政宇、邵旭東和方志教授等的團(tuán)隊(duì),在中國(guó)最早開(kāi)展UHPC材料和結(jié)構(gòu)性能研究、橋梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究以及工程實(shí)踐。邵旭東教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展的鋼-UHPC復(fù)合橋面結(jié)構(gòu)很好地解決了困擾鋼橋的兩大難題——橋面鋪裝壽命短和鋼結(jié)構(gòu)易疲勞損傷;設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究了多種UHPC結(jié)構(gòu)、鋼-UHPC復(fù)合結(jié)構(gòu)橋梁。其中,鋼-UHPC復(fù)合橋面在中國(guó)已進(jìn)入規(guī)?;瘧?yīng)用,其它橋型正在走入工程應(yīng)用。
方志教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論研究,編制湖南省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ43/T325-2017《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 》,以及一些開(kāi)創(chuàng)性UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐,如主持設(shè)計(jì)了長(zhǎng)沙北辰三角洲跨街天橋(可通行消防車(chē)輛)—— 中國(guó)首座節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力UHPC連續(xù)箱梁橋;設(shè)計(jì)將UHPC(RPC)用于混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段,并分別在云南六庫(kù)怒江二橋 (2014)、湖北石首長(zhǎng)江大橋(2018)和湖北嘉魚(yú)長(zhǎng)江大橋(2018)上成功應(yīng)用;設(shè)計(jì)和實(shí)施用UHPC加固預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋主梁(混凝土強(qiáng)度不足的新建橋梁);為法國(guó)設(shè)計(jì)的24m、27m跨大跨預(yù)應(yīng)力UHPC (RPC)屋面梁進(jìn)行審核優(yōu)化等。
同濟(jì)大學(xué)
同濟(jì)大學(xué)王俊顏研究員團(tuán)隊(duì)著重于研究和提升UHPC“應(yīng)變強(qiáng)化”(應(yīng)變硬化)性能,使UHPC材料“又剛又韌”,具備更好的裂縫控制能力,與鋼筋一起受拉更好的協(xié)同性。該團(tuán)隊(duì)采用軸拉試驗(yàn)、氣體滲透性、顯微鏡觀察等方法研究UHPC裂縫自愈合,所獲得的結(jié)果更進(jìn)一步明晰了UHPC裂縫自愈合的特性特征。采用聲發(fā)射分析研究UHPC軸拉加載損傷發(fā)生與發(fā)展以及損傷對(duì)滲透性影響,采用圓環(huán)約束試驗(yàn)分析UHPC收縮特征;與結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)展UHPC梁結(jié)構(gòu)性能、裝配式混凝土框架UHPC連接節(jié)點(diǎn)抗震性試驗(yàn)研究等,取得了豐碩研究成果。與UHPC生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程施工企業(yè)合作,該團(tuán)隊(duì)的UHPC工程應(yīng)用案例已達(dá)40余項(xiàng),包括橋梁結(jié)構(gòu)維修加固、結(jié)構(gòu)連接、新型橋梁結(jié)構(gòu)等。依托先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2019年4月王俊顏倡導(dǎo)成立了同濟(jì)大學(xué)UHPC創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),成員來(lái)自同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、土木工程學(xué)院和上海市政工程設(shè)計(jì)院,后續(xù)還將引入更多成員擴(kuò)大團(tuán)隊(duì)規(guī)模和范圍,形成“材料 - 結(jié)構(gòu) - 應(yīng)用”一體化團(tuán)隊(duì)協(xié)同創(chuàng)新,更好地發(fā)展UHPC技術(shù)體系、拓展工程應(yīng)用。
長(zhǎng)安大學(xué)
針對(duì)我國(guó)大量公路橋梁需要維修加固的重大需求,長(zhǎng)安大學(xué)王春生教授團(tuán)隊(duì)對(duì)鋼-混凝土組合加固技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)、理論與應(yīng)用研究,開(kāi)展了從模型梁、足尺梁到實(shí)橋的系列跨尺度試驗(yàn)研究,形成完整的組合加固技術(shù)體系,并成功實(shí)施了多座混凝土橋梁的組合加固工程,取得良好技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。在現(xiàn)有加固技術(shù)基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)借鑒瑞士加固技術(shù),王春生團(tuán)隊(duì)研究使用UHPFRC材料進(jìn)一步改進(jìn)提升組合加固的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性試驗(yàn)研究,包括足尺混凝土板、T梁加固的承載力試驗(yàn),不同組合加固方法對(duì)比,數(shù)值與理論分析,以及工程實(shí)踐,表明UHPFRC組合加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制、全截面(原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu))共同工作與承載、減小加固結(jié)構(gòu)自重(減幅達(dá)50%)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)還能再提升加固效果。該技術(shù)體系的應(yīng)用,可參考長(zhǎng)安大學(xué)編制的陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)SDBXM39-2019《超高性能纖維混凝土組合加固橋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》。
福州大學(xué)
福州大學(xué)陳寶春團(tuán)隊(duì)的UHPC(RPC)研究始于2001年,已對(duì)UHPC材料和結(jié)構(gòu)性能開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究,如利用福建地方低成本、循環(huán)使用材料制備UHPC,研究粗骨料、纖維(摻量、形狀、尺寸及混雜)對(duì)UHPC材性影響,研究分析抗壓強(qiáng)度的試件尺寸效應(yīng)和優(yōu)化獲得狗骨抗拉試件形狀與尺寸,成為多個(gè)團(tuán)體和地方標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法依據(jù);開(kāi)展鋼筋UHPC、預(yù)應(yīng)力UHPC受彎、受剪、受壓等構(gòu)件的研究,提出相應(yīng)的計(jì)算公式,為UHPC結(jié)構(gòu)應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。提出將UHPC用于海洋環(huán)境鋼筋混凝土橋墩外層設(shè)想,相應(yīng)試設(shè)計(jì)和分析表明具備高可行性;開(kāi)展了系列UHPC 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究,如鋼筋UHPC拱、素UHPC拱的試驗(yàn)研究和跨徑160m~600m UHPC拱橋的試設(shè)計(jì),UHPC應(yīng)用于整體橋、無(wú)縫橋的基礎(chǔ)研究,鋼管UHPC柱和高強(qiáng)鋼管UHPC柱以及新型復(fù)合柱的研究等。設(shè)計(jì)了2015年建造的福州大學(xué)校園UHPC拱橋,該橋跨徑10m、UHPC拱圈寬2m、厚10cm;設(shè)計(jì)了2015年建造的國(guó)內(nèi)第一座公路UHPC橋,該橋位于京港澳高速公路石安段改擴(kuò)建工程K34+690處,跨徑布置為4×30m連續(xù)小箱梁,全長(zhǎng)120m,橋?qū)挒?m,斜交角為45度,并進(jìn)行了一片30m箱梁的足尺破壞試驗(yàn)。
武漢理工大學(xué)
武漢理工大學(xué)水中和教授、余睿研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了高水平的UHPC基礎(chǔ)理論研究與工程應(yīng)用實(shí)踐。基礎(chǔ)性研究包括UHPC材料低環(huán)境負(fù)荷制備、功能設(shè)計(jì)與調(diào)控,提出了生態(tài)型UHPC材料的設(shè)計(jì)理念,并建立起科學(xué)智能的配制方法,其中多項(xiàng)研究,如利用工業(yè)尾礦降低水泥用量、利用纖維運(yùn)動(dòng)模式改善纖維分布和提高纖維效率、利用天然多孔材料作為UHPC內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料減少收縮等,均取得很好效果。該團(tuán)隊(duì)參與建造了我國(guó)第一個(gè)UHPC-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的海洋漂浮平臺(tái)。利用UHPC材料的抗腐蝕性與抗沖擊性能,良好的解決了漂浮平臺(tái)的服役壽命與安全性。正在開(kāi)展的研究項(xiàng)目包括用UHPC建造國(guó)防工程的防護(hù)掩體及工事,深遠(yuǎn)海建筑材料耐久性暴露試驗(yàn)等。
東南大學(xué)
在已故孫偉院士帶領(lǐng)下,東南大學(xué)很早開(kāi)始開(kāi)展RPC的研究,發(fā)展生態(tài)型RPC,并在軍事工程領(lǐng)域應(yīng)用。王景全、劉加平教授等團(tuán)隊(duì)開(kāi)展UHPC材料與結(jié)構(gòu)性能研究,致力于構(gòu)建UHPC材料性能——設(shè)計(jì)理論——結(jié)構(gòu)體系,研究粗骨料尺寸、含量對(duì)UHPC抗彎、抗拉性能影響等。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者鄭文忠教授團(tuán)隊(duì)較早開(kāi)展了RPC制備與應(yīng)用技術(shù)研究,研發(fā)出立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)250MPa的RPC,提出RPC力學(xué)指標(biāo)取值方法和建立高溫下/后RPC單軸受壓本構(gòu)關(guān)系計(jì)算模型。吳香國(guó)教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于纖維參數(shù)的UHPC單軸受力應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達(dá),研究提出了鋼筋UHPC構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力(先張/后張)UHPC構(gòu)件、預(yù)制預(yù)應(yīng)力UHPC疊合板組合梁彎剪設(shè)計(jì)方法,開(kāi)展UHPC免拆模殼復(fù)合構(gòu)件設(shè)計(jì)方法研究。相關(guān)成果在國(guó)內(nèi)外人行橋、公路橋梁、油田管線跨越橋等多項(xiàng)工程以及材料性能改性設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。研究提出UHPC復(fù)合外墻掛板,實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久、裝飾、保溫一體化設(shè)計(jì)目標(biāo),并在既有建筑墻體節(jié)能改造等工程中得到了應(yīng)用。研究提出的疊合板用UHPC-RC復(fù)合底板顯著提高了結(jié)構(gòu)耐久性,在某大型體育場(chǎng)館疊合板工程中得到了應(yīng)用。研究提出的仿石材UHPC制備技術(shù),目前已經(jīng)進(jìn)入工程小試階段,為裝飾石材UHPC替代技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。2017年,由哈爾濱工業(yè)大學(xué)主持編制中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)和CCPA標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》,目前已進(jìn)入征求意見(jiàn)階段。
北京交通大學(xué)
北京交通大學(xué)朋改非教授團(tuán)隊(duì)自2007年開(kāi)始UHPC的研究工作,深入研究了含粗骨料UHPC、普通UHPC和RPC的高溫?fù)p傷特征、抗火性特征及其抗火性改善方法與機(jī)理,研制了新型UHPC,提出了高溫爆裂的主要機(jī)理及其改善方法與機(jī)理等,為制備高抗火、耐高溫UHPC建立理論和技術(shù)基礎(chǔ)。創(chuàng)新研究成果之一為組合養(yǎng)護(hù)技術(shù),提出了一種熱水養(yǎng)護(hù)與干熱養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的新方法,無(wú)需采用蒸壓釜進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)而可以達(dá)到蒸壓養(yǎng)護(hù)的效果,為優(yōu)化UHPC性能、簡(jiǎn)化制備設(shè)備與工藝奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)UHPC的組合養(yǎng)護(hù),開(kāi)展了深入的微觀試驗(yàn)研究,與宏觀性能研究相印證,建立了組合養(yǎng)護(hù)優(yōu)化UHPC性能的機(jī)理理論,相關(guān)研究論文發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Cement & Concrete Research》,研究成果獲發(fā)明專利授權(quán)一項(xiàng)。在常規(guī)采用纖維的方法之外,提出了解決UHPC高溫爆裂問(wèn)題的組合養(yǎng)護(hù)新方法。目前,正在開(kāi)展組合養(yǎng)護(hù)與內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑優(yōu)化UHPC性能以及組合養(yǎng)護(hù)技術(shù)實(shí)用化等研究。
南京理工大學(xué)
南京理工大學(xué)賴建中教授團(tuán)隊(duì)專注于抗爆、抗侵徹超高性能水泥基復(fù)合材料(UHPCC)的研究與開(kāi)發(fā)。通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬,提出了新型超高性能水泥基復(fù)合材料抗多次沖擊優(yōu)化設(shè)計(jì)及制備的關(guān)鍵技術(shù),成功制備具有抗多次沖擊能力的UHPCC。采用不同尺度、不同品種的纖維和高強(qiáng)骨料混雜增強(qiáng)技術(shù),制備出了抗侵徹UHPCC,并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了UHPCC多次侵徹深度計(jì)算方程,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常接近。采用有限元模擬技術(shù)研究了侵徹沖擊下彈靶作用全過(guò)程,結(jié)果表明靶體強(qiáng)度、骨料間距、彈頭形狀和侵徹速度對(duì)靶體侵徹破壞形態(tài)、應(yīng)力波傳播、損傷分布有顯著影響。通過(guò)選擇合適的骨料間距和混凝土本構(gòu)參數(shù),計(jì)算模擬的侵徹深度和彈坑直徑與采用攪拌-灌注復(fù)合工藝制備的雙層和三層UHPCC靶體的實(shí)測(cè)結(jié)果十分吻合。研究成果在國(guó)防和人防工程、核電站防護(hù)、核廢料固封、反恐抗爆工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
清華大學(xué)
清華大學(xué)覃維祖教授在1999年撰文介紹RPC和指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展相關(guān)材料研發(fā),此后清華建材團(tuán)隊(duì)一直活躍在UHPC研究應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化工作領(lǐng)域。閆培渝教授主持編制了首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015);路新瀛教授主持編制了中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)和CCPA團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》(T/CBMF 37-2018),組織了中國(guó)第一次UHPC材料性能的多實(shí)驗(yàn)室平行試驗(yàn),以此為基礎(chǔ)確定了科學(xué)簡(jiǎn)潔先進(jìn)的UHPC基本性能要求與分級(jí),并建立起先進(jìn)的適合于UHPC抗?jié)B與抗拉性能測(cè)試的試驗(yàn)方法。
三、中國(guó)UHPC的標(biāo)準(zhǔn)化工作
1、中國(guó)UHPC(或RPC)標(biāo)準(zhǔn)化概況
中國(guó)UHPC的標(biāo)準(zhǔn)化工作起始于2006年,即鐵道部技術(shù)文件《客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC)材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》。2015年編制頒布了國(guó)標(biāo)《活性粉末混凝土》(GB/T 31387),以及廣東省交通運(yùn)輸行業(yè)地方標(biāo)準(zhǔn)《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(GDJTG/T A01—2015)。
從2016年開(kāi)始,中國(guó)UHPC相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的編制工作密集展開(kāi),中國(guó)進(jìn)入U(xiǎn)HPC團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)體系建立快速發(fā)展階段,阻礙UHPC工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范“瓶頸”不久將會(huì)消失,促進(jìn)UHPC應(yīng)用和行業(yè)發(fā)展。已編制完成、頒布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)有(不完全統(tǒng)計(jì)):
——湖南省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 》(DBJ43/T325-2017)
——中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)和CCPA標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》(T/CBMF 37-2018)
——陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《超高性能纖維混凝土組合加固橋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》(SDBXM39-2019)
——河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土制備與工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 (DB13/T 2946-2019)
在編的或尚未發(fā)布的團(tuán)體、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有(不完全統(tǒng)計(jì)):
——中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工技術(shù)規(guī)程》、《預(yù)制超高性能混凝土構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》和《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》
——福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土制備與工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和《超高性能混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》
——中國(guó)公路學(xué)會(huì)《超高性能混凝土加固橋梁技術(shù)指南》
——中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土(UHPC)技術(shù)要求》、《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》、《建筑及道路工程超高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和《公路超高性能混凝土(UHPC)橋梁技術(shù)規(guī)程》
——交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵超高性能混凝土應(yīng)用規(guī)范》
——廣東省公路學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力(無(wú)腹筋)超高性能混凝土梁技術(shù)規(guī)程》,等。
2、中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)CBMF/CCPA的UHPC團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)
CCPA正在組織編制和建立通用性的UHPC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,2018年完成并發(fā)布了《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》(T/CBMF 37、T/CCPA 7-2018),設(shè)計(jì)、預(yù)制和現(xiàn)澆施工規(guī)范完成了征求意見(jiàn)稿,待編制UHPC預(yù)混料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)完成,就建立起了基本的UHPC團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)體系。
《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》(T/CBMF 37-2018)定義了UHPC,即:“超高性能混凝土是指兼具超高抗?jié)B性能和力學(xué)性能的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料”。該定義雖然是描述性的,但對(duì)UHPC材料的性能要求是定量化的,體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)中各等級(jí)UHPC需要滿足的技術(shù)要求。該標(biāo)準(zhǔn)編制,貫徹的原則是“簡(jiǎn)潔實(shí)用、國(guó)際先進(jìn)和不限制創(chuàng)新”,基于對(duì)UHPC性能分析、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研、開(kāi)展多試驗(yàn)室平行試驗(yàn)與結(jié)果分析,以及廣泛征求意見(jiàn),最終完成。為配合該標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施,CCPA-UHPC分會(huì)與中國(guó)建材工業(yè)出版社合作出版了新書(shū)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》,該書(shū)匯集了編制同名標(biāo)準(zhǔn)(T/CBMF 37-2018)的基礎(chǔ)性和支撐性材料,可作為該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用導(dǎo)讀。
四、中國(guó)UHPC產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
CCPA-UHPC分會(huì)成立至今,共有會(huì)員單位58個(gè),其中科研單位5個(gè)、高校5個(gè)、企業(yè)46個(gè)、行業(yè)組織1家。企業(yè)會(huì)員主要是UHPC材料、制品、構(gòu)件研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè),工程施工企業(yè),原材料(纖維、外加劑、白水泥)生產(chǎn)供應(yīng)企業(yè),是中國(guó)UHPC技術(shù)進(jìn)步、推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生力軍。以下簡(jiǎn)要介紹部分CCPA-UHPC會(huì)員企業(yè)的工作。
中交二航局
中交二航局技術(shù)中心和武漢港灣研究院,在UHPC材料和新結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)、施工技術(shù)與裝備方面開(kāi)展了大量研究和工程應(yīng)用實(shí)踐,填補(bǔ)了一些施工技術(shù)中的空白,如依托南京五橋預(yù)制UHPC橋面板項(xiàng)目研究發(fā)展了含粗骨料UHPC攪拌制備、布料、振搗密實(shí)、養(yǎng)護(hù)等關(guān)鍵技術(shù),探索優(yōu)化主要工序的技術(shù)參數(shù)、確定質(zhì)量控制要點(diǎn)和方法,建立起完整可行的UHPC構(gòu)件工廠化預(yù)制工藝、生產(chǎn)線裝備以及質(zhì)量保證體系;依托馬爾代夫中馬友誼大橋,建立起鋼橋面UHPC鋪裝施工、養(yǎng)護(hù)的技術(shù)體系,完成總面積近2500m2的鋪裝工程;良好完成了龐公大橋索塔鋼-混結(jié)合段UHPC澆筑施工和重慶白居寺長(zhǎng)江大橋基礎(chǔ)-塔柱過(guò)渡區(qū)“夾心”UHPC澆筑施工。在新型橋梁的研究開(kāi)發(fā)中,將UHPC應(yīng)用于中小跨徑裝配式梁橋中,包括鋼混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板、UHPC主梁、預(yù)制混凝土橋面板縱橫向接縫;此外,開(kāi)發(fā)了UHPC護(hù)筒、UHPC棧橋面板等臨時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,并成功應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。目前正研發(fā)UHPC大直徑管樁、UHPC墩柱外殼(兼做永久模板)、UHPC套箱等多種薄壁薄殼構(gòu)件,用于提升結(jié)構(gòu)在海洋腐蝕環(huán)境中的使用壽命和承載能力。
南京倍立達(dá)新材料系統(tǒng)工程股份有限公司
研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UHPC材料和制品構(gòu)件,發(fā)展構(gòu)件成型技術(shù),在復(fù)雜形狀和曲面構(gòu)件的數(shù)字化模型制造、UHPC構(gòu)件成型生產(chǎn)、構(gòu)件安裝以及BIM工程管理等方面技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,高水平高質(zhì)量完成了深圳悅彩城展示中心、余杭文化藝術(shù)中心、上海音樂(lè)學(xué)院歌劇院等UHPC建筑幕墻項(xiàng)目。
上海復(fù)培新材料科技有限公司
研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UHPC材料和構(gòu)件、發(fā)展施工技術(shù),先后為多個(gè)工程供應(yīng)UHPC材料和完成施工,如南通鋼拱架橋預(yù)制和現(xiàn)澆UHPC橋面板、蘇州混凝土箱梁橋面UHPC鋪裝、上海高架橋橋墩和蓋梁UHPC加固、寧波機(jī)場(chǎng)路南延線預(yù)制箱梁之間和梁柱之間的UHPC濕接縫連接(部分標(biāo)段)、烏魯木齊高架路裝配式橋梁各種預(yù)制構(gòu)件之間的UHPC濕接縫連接等。
廣州市玖塘材料科技有限公司
研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UHPC材料和制品、構(gòu)件,發(fā)展構(gòu)件成型與安裝技術(shù),積極在建筑領(lǐng)域推廣裝飾與結(jié)構(gòu)一體化、輕質(zhì)裝飾構(gòu)件等UHPC應(yīng)用。
廣東蓋特奇新材料科技有限公司
研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UHPC材料和制品、構(gòu)件,為電力電信開(kāi)發(fā)了多種預(yù)制UHPC構(gòu)件產(chǎn)品;研發(fā)了易施工、長(zhǎng)壽命的高抗沖磨UHPC材料,試驗(yàn)證實(shí)UHPC抗沖磨性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)使用的鋼纖維混凝土和高強(qiáng)混凝土,并在兩個(gè)水工工程中應(yīng)用。
江蘇蘇博特新材料股份有限公司
研究開(kāi)發(fā)UHPC材料、外加劑和纖維,發(fā)展施工技術(shù),通過(guò)UHPC流變調(diào)控研究,開(kāi)發(fā)出適合UHPC的外加劑;為南京五橋UHPC橋面板項(xiàng)目研發(fā)高彎拉、高彈模、低收縮的含粗骨料UHPC;為上海松浦大橋鋼橋面UHPC鋪裝和寧波機(jī)場(chǎng)路南延線預(yù)制箱梁的濕接縫連接(部分標(biāo)段)供應(yīng)UHPC材料和完成施工。
江西貝融超高性能混凝土技術(shù)有限公司
江西貝融循環(huán)材料股份有限公司與江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院合作設(shè)立的江西省UHPC工程技術(shù)中心,研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UHPC材料和制品、構(gòu)件,發(fā)展施工技術(shù),產(chǎn)品應(yīng)用于市政橋梁和道路維修、現(xiàn)澆建筑構(gòu)件、透水道路鋪裝等,為鋼橋面鋪裝供應(yīng)材料和完成施工。
華新新型建材(武漢)有限公司 / 拉法基豪瑞建材(中國(guó))有限公司
華新新型建材(武漢)有限公司是華新水泥與拉法基豪瑞建材集團(tuán)合資公司,在工業(yè)和基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用Ductal?或超可隆?品牌UHPC產(chǎn)品,在工業(yè)建筑預(yù)制大跨度預(yù)應(yīng)力UHPC梁、水泥廠鋼煙囪防腐改造、耐磨防腐抗沖擊地坪成功應(yīng)用。拉法基豪瑞建材(中國(guó))有限公司則致力于在建筑領(lǐng)域推廣Ductal?產(chǎn)品,已在中國(guó)用于多個(gè)建筑幕墻或外立面項(xiàng)目。
阿爾博波特蘭(安慶)有限公司
在中國(guó)供應(yīng)兩款白色UHPC預(yù)混料產(chǎn)品:AALBORG EXTREME? Light120和AALBORG EXCEL?。
上海史瑞坦環(huán)保科技有限公司
較早開(kāi)始UHPC在橋梁方面應(yīng)用推廣和工程施工,完成的工程包括上海昌平路跨蘇州河新橋、浦東機(jī)場(chǎng)停車(chē)庫(kù)連接匝道、蘭州東崗立交橋、上海北虹立交橋等的UHPC鋪裝,上海北橫通道防撞墻、寧波機(jī)場(chǎng)路縣江大橋的UHPC濕接縫連接,上海百曲港大橋鉸縫維修以及立交橋邊梁UHPC加固等。
砼創(chuàng)(上海)新材料科技股份有限公司
研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UHPC材料和構(gòu)件成型技術(shù),為建筑項(xiàng)目生產(chǎn)和安裝UHPC構(gòu)件,完成了寧波市奉化區(qū)未來(lái)城科普中心項(xiàng)目的UHPC建筑外立面。
未完待續(xù)!
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