超高性能混凝土(UHPC)已迅速成為預制混凝土結(jié)構(gòu)的主要材料。20世紀90年代初，當它**進入這個行業(yè)時，它也被稱為活性粉末混凝土ReactivePowdercrete、RPC，是一種繼高強度、高性能混凝土之后，具有**的機械性能和耐久性的新型建筑材料，近十年來在美國橋梁行業(yè)得到了廣泛的應用。

UHPC已用于在美國、法國、日本、馬來西亞建造公路橋梁；人行橋已用于加拿大、委內(nèi)瑞拉等國。UHPC已用于在弗吉尼亞和愛荷華州建造橋梁；在紐約和特拉華州鋪設(shè)橋梁；在其他20多個州現(xiàn)場澆筑預制橋梁構(gòu)件。聯(lián)邦和各州的交通機構(gòu)、**工業(yè)組織、私營企業(yè)開發(fā)商和制造商都在積極開展UHPC的性能研究，因此開展了大量基于實驗室的實驗和實際項目。

UHPC是什么？

與普通混凝土相比，超高性能混凝土對原材料、配合比和施工性能的要求有很大的不同。例如，UHPC制備中使用的水泥強度等級高，水泥量大，水膠比低。一般采用硅灰等超細輔料，石英砂等高強度細骨料不使用粗骨料，纖維（鋼纖維或復合有機纖維）混合降低混凝土脆性。此外，還根據(jù)不同的需要添加各種外加劑，如膠凝材料（SCM）。

UHPC混合物的膠結(jié)材料總含量一般可超過1500lbs/cud/cudd，是大多數(shù)常規(guī)混凝土混合物的兩倍以上。但由于使用了專用的高范圍減水劑，水與粘合劑的比例(w/b)通常為0.20或更低。致密顆粒堆積與超低w/b相結(jié)合，在混凝土中產(chǎn)生高度精煉的微觀結(jié)構(gòu)，提供了**的強度和耐久性。因此，即使在惡劣的外部環(huán)境中，如海洋和凍融環(huán)境，UHPC元件的預期壽命也可以達到200年或更長。

雖然UHPC的定義尚未統(tǒng)一，但典型的UHPC抗壓強度超過1.7萬psi，很多甚至可以達到3萬psi以上。與傳統(tǒng)的高性能混凝土相比，UHPC的抗壓強度可以提高3-5倍。但其***重要的性能不是抗壓強度，而是拉伸性能(尤其是在預制構(gòu)件中)。這些特性是由于其精細的微觀結(jié)構(gòu)和高強度鋼纖維的結(jié)合而產(chǎn)生的，鋼纖維的混合比約為1%~3%(按體積計算)(約78~233kg/m3)。

通過設(shè)計調(diào)整，UHPC混合物可以設(shè)計成能夠承受1000psi以上拉伸強度和2500psi以上撓度強度的結(jié)構(gòu)。此外，設(shè)計良好的UHPC混合物可以表現(xiàn)出開裂后的延展性和應變硬化，提高殘余結(jié)構(gòu)的撓度強度。

其次，UHPC的高延展性使材料具有巨大的韌性。即使沒有鋼筋的幫助，它也提高了吸收能量的能力，即材料的能耗。

第三，高抗拉強度提高了材料的抗剪強度，并可能**放棄梁設(shè)計中的抗剪部件。通過消除箍筋，可以簡化設(shè)計和生產(chǎn)過程，降低構(gòu)件腹板（桿）的寬度，大大降低材料的體積和重量，提供與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件相同的承載力。

UHPC在預制預應力混凝土潛力巨大。

為了使UHPC廣泛應用于預制預應力混凝土行業(yè)，需要滿足兩個條件：

首先，高質(zhì)量、低成本。生產(chǎn)**UHPC，原材料總成本不足1000美元/立方米（2020年標準），預裝袋材料成本為每立方米2000至3000美元。

第二，從實驗到規(guī)范。設(shè)計從強度轉(zhuǎn)向耐久性（或所需性能）。制定新的標準和規(guī)范，使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計能夠利用UHPC的獨特性能特征。從微觀到宏觀的研究，從定性到定量的發(fā)展，仍有許多復雜而詳細的工作需要進行。

美國預制預應力混凝土研究所(PCI)開發(fā)了一項旨在開發(fā)整個北美預制設(shè)備從低成本UHPC混合物中受益的方法，開發(fā)設(shè)計標準和創(chuàng)新，優(yōu)化建筑和橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

到目前為止，項目組已經(jīng)制定了在預制預應力混凝土生產(chǎn)設(shè)施中設(shè)計和實施UHPC混合物的標準和建議，并通過了美國的五個這樣的設(shè)施，并驗證了這些程序。

圖1UHPC的注入位置顯示了其自合并的特點。

UHPC具有提高預制預應力混凝土性能的巨大潛力。使相關(guān)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保持可接受的強度和適用性，延長跨度，減輕構(gòu)件重量，減少鋼筋工作。此外，由于該材料具有很高的耐久性，它可以用于惡劣的海洋或寒冷的氣候。可以預見，雖然UHPC材料的初始成本非常高，但優(yōu)化的設(shè)計和減少的構(gòu)件截面將使UHPC產(chǎn)品能夠與傳統(tǒng)的混凝土和鋼替代品競爭。

優(yōu)化UHPC成員。

UHPC可設(shè)計60英尺×60英尺無柱隔間的辦公樓地板，大大提高了空間使用的靈活性。在可接受的運輸安裝限制范圍內(nèi)，還可以開發(fā)250英尺的橋梁和墩柱，無需現(xiàn)場支撐或拼接。

圖2橋梁應用箱式平板。

左圖:常規(guī)混凝土箱板顯示鋼筋。

(模板安裝前)

右圖：優(yōu)化UHPC箱式平板。

(已放置模板并形成泡沫間隙的封堵)

圖2顯示了橋梁快速施工（ABC）應用中40至60英尺跨度的常規(guī)混凝土平板梁。該圖還顯示了UHPC空心箱板的優(yōu)化，具有相同的深度、寬度和承載能力。與類似的傳統(tǒng)混凝土梁相比，UHPC產(chǎn)品含有約52%的混凝土和不到4%的鋼筋。佛羅里達DOT結(jié)構(gòu)實驗室的綜合試驗表明，該梁的設(shè)計具有比橋梁所需的更高的彎曲、剪切、沖剪和橫向承載能力。單元設(shè)計的進一步優(yōu)化可以反映減少使用的股線數(shù)量，與演示中的常規(guī)混凝土產(chǎn)品相同。

UHPC具有創(chuàng)新預制預應力混凝土行業(yè)的潛力，特別是在大型應用中，有利于大跨度或增強耐久性。UHPC可以在低成本的基礎(chǔ)上與傳統(tǒng)混凝土和鋼材替代產(chǎn)品競爭，并在**生命周期的基礎(chǔ)上提供附加值。通過利用UHPC的特性、大跨度預制件、預應力橋梁和建筑構(gòu)件，通過更**地利用材料，提高空間利用率，提高**性能，**改變行業(yè)。