超高性能混凝土(UHPC)發(fā)展史
1973年:DSP理論,丹麥
Hans Henrik Bache于1973年提出DSP理論,但在高效減水劑問世前未能在實驗上實現(xiàn)。
1978年:USHC和UHPC/UHPFRC突破,丹麥
丹麥阿爾博波特蘭公司的Hans Henrik Bache先生基于其DSP理論,成功實驗制備出超高強度混凝土(USHC,抗壓強度124~268MPa),開創(chuàng)了實現(xiàn)漿體顆粒堆積密實度達(dá)到0.70~0.80的新方法。此突破性方法僅通過攪拌混合,借助高效減水劑充分分散水泥、超細(xì)顆粒(原狀硅灰)和骨料,就能獲得非常密實的砂漿或混凝土,而不需要通過高壓壓實,是一種非常簡單實用的USHC和UHPC或 UHPFRC(新型建筑材料)生產(chǎn)方法。
1979年:第一項UHPC專利,丹麥
丹麥阿爾博波特蘭公司申請了第一項UHPC專利(歐洲專利):Shaped article and composite material and method for producing same(有形產(chǎn)品與復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法)(發(fā)明人:Hans Henrik Bache,版號:0010777A1,申請?zhí)枺?9104321.9,申請日期:05.11.79)。該內(nèi)容豐富的專利文件介紹了DSP理論、系列配比和復(fù)合材料的示例及性能,包括具備直拉和抗彎應(yīng)變硬化行為的水泥基復(fù)合材料,采用聚丙烯 (pp) 纖維增強。
1981年:第一篇UHPC論文/創(chuàng)新應(yīng)用—耐磨喂料鏟,丹麥
第一篇UHPC論文:Densified cement / ultra-fine particle-based materials(基于密實化水泥/超細(xì)顆粒的材料)(H. H. Bache先生撰寫),在1981年6月10-12日于加拿大安大略省渥太華召開的“第二屆混凝土中超塑化劑國際會議”上發(fā)表和報告。在這次會議上,H.H. Bache公開了他的發(fā)明和制備UHPC材料的基本原理,并討論了應(yīng)用的可能性。
創(chuàng)新的水泥磨喂料鏟,由R-UHPC制成,采用堅固耐磨骨料(燒結(jié)鋁礬土)、3%體積鋼纖維,抗壓強度約225MPa。丹麥阿爾博波特蘭公司Knud Lund Eriksen先生設(shè)計。UHPC 制成的耐磨鏟板使用壽命為5至10年,比以前的鑄鋼鏟板壽命長十倍。
1982年:新結(jié)構(gòu)—UHSC中空預(yù)應(yīng)力柱,丹麥
用于輕軌懸鏈線支撐的中空預(yù)應(yīng)力柱(截面尺寸200x300mm,長寬方向壁厚分別為30和40mm,長度10m)由150MPa 混凝土(不含鋼纖維的Densit?,dmax= 5mm天然骨料)和?5mm預(yù)應(yīng)力鋼筋制成,Dansk Spendbeton, Lind(丹麥)預(yù)制生產(chǎn)。1994年,Bache評價這種柱——由150MPa混凝土制造的結(jié)構(gòu):“運行10年后(1993年)檢驗證明其具有優(yōu)異的性能。…在新設(shè)計中,我會考慮使用1~2% 體積鋼纖維(這通常會使斷裂能和材料延性增加10-20倍),并且可能減少壁厚。”哥本哈根北部的這些懸鏈線柱,如果現(xiàn)在仍在使用就站立了40多年,應(yīng)該是耐久性研究的寶貴樣本——特別是預(yù)應(yīng)力鋼筋的保護層薄至12.5mm,是否良好地保護鋼筋免于銹蝕,值得關(guān)注。
1983年:第一個UHPC品牌商標(biāo)和預(yù)混料工廠,丹麥
丹麥阿爾博波特蘭公司建立了第一家UHPC預(yù)混料生產(chǎn)工廠,并申請了Densit?商標(biāo)。
1985年:新施工方法—噴射UHPC
噴射施工UHPC用于維修/加固混凝土結(jié)構(gòu)(橋梁、隧道、工業(yè)設(shè)施等)。
1986~1987年:CRC理論和實驗驗證,丹麥
基于斷裂力學(xué)方法,H.H. Bache提出了CRC理論,CRC(密實增強復(fù)合材料)結(jié)構(gòu)可具備抗壓強度150~400 MPa,抗彎強度100~300 MPa,彈性模量40~80GPa,良好的耐火性和無可比擬的耐久性,以及優(yōu)異的抗爆和抗侵徹性能。1986年,丹麥阿爾博波特蘭公司申請了專利:CRC。
1988年:里程碑論文
1989年:創(chuàng)新應(yīng)用—水工結(jié)構(gòu)維修,荷蘭
UHPC在荷蘭水工結(jié)構(gòu)的多種維修中應(yīng)用——沖磨損壞的船閘和水閘。
1990年:新施工方法—水下澆筑/樁加固和保護
采用水下澆筑UHPC修復(fù)海底一段26m長的天然氣管道的保護結(jié)構(gòu)——該管道的原混凝土保護層已破壞。在水下無振動澆筑10cm厚R-UHPC層。UHPC(Densit?,dmax= 5mm骨料,0.75%體積鋼纖維)通過直徑50cm的軟管泵入底部入口,UHPC流入并填充在天然氣管道和外模板之間的空間,同時水從頂部出口強制排出。
1990~1993年,UHPC在委內(nèi)瑞拉應(yīng)用于加固樁和海上平臺(后來在該領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用)。
1992年:多國研究項目—DUREPSYS (1992~1995年),丹麥/德國/荷蘭
歐盟資助的多國研究項目(Brite/EuRam2) —— Low Cost Durable Cement-based Repair and Rehabilitation Systems(低成本耐久水泥基維修和修復(fù)系統(tǒng))(DUREPSYS,1992~1995年)啟動。協(xié)調(diào)單位:Densit A/S(丹麥)。參與單位:阿爾博波特蘭公司(丹麥)、波鴻魯爾大學(xué)(德國)、E. Heitkamp Rohrbau GMBH(德國)、Van Hattum en Blankevoort BV(荷蘭)
1993年:多國研究項目—MINISTRUCT (1993~1996)/中國突破
1994年:出現(xiàn)UHPC名稱/里程碑論文/創(chuàng)新應(yīng)用—CRC板替代鑄鐵板,丹麥
F. de Larrard和 T. Sedran撰寫的論文Optimization of Ultra-High Performance Concrete by the Use of a Packing Model(運用堆積模型優(yōu)化超高性能混凝土)在Cement and Concrete Research上發(fā)表 (V24, No.6, 1994)。這篇論文使用了超高性能混凝土 (UHPC)名稱,但文中實際指的是超高強混凝土 (UHSC,沒有纖維增強)。目前,美國、中國等部分國家以及本文語境中,UHPC指的是纖維增強混凝土或復(fù)合材料,即等同于UHPFRC。
H.H. Bache的論文Design for Ductility (延性設(shè)計)發(fā)表在Concrete Technology: New Trends, Industrial Applications 《混凝土技術(shù):工業(yè)應(yīng)用新趨勢》書中(Taylor & Francis出版,第8章,1994年)。這篇論文介紹了基于斷裂力學(xué)的設(shè)計原理,H.H. Bache在逾15年的超高強度水泥基材料(DSP材料和CRC)相關(guān)研究設(shè)計中使用了這些原理。
CRC (R-UHPC) 板用作菲英島-希蘭島鐵路隧道底部的承重排水溝蓋板(大貝爾特海峽通道項目,丹麥)。用CRC預(yù)制43,000個排水溝蓋板(40mm 厚),采用DSP膠凝材料 (Densit?)、天然骨料、6% 體積鋼纖維以及8mm直徑鋼筋。相對于先前使用的鑄鐵板,CRC板解決方案價格更低且電氣性能更好。這些承受火車各種荷載并暴露在海水中CRC板,設(shè)計使用壽命為100年,目前已使用近30年。建議檢查這些CRC板的現(xiàn)狀,里面包含了UHPC結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中寶貴的耐久性信息。
UHPC/CRC用于預(yù)制混凝土構(gòu)件的接縫連接——1995~1996年奧爾堡大學(xué)兩棟新建筑 (14,000m2) 的鋼筋混凝土預(yù)制板采用CRC連接(UHPC濕接縫連接)。
P. Richard和M.Cheyrezy撰寫的論文Composition of Reactive Powder Concretes(活性粉末混凝土的組成)在Cement and Concrete Research (V25, No.7, 1995)上發(fā)表。這篇論文得到廣泛傳播和閱讀,并使很多人誤認(rèn)為UHPC始于1995年的活性粉末混凝土(RPC)。
1996年:開始長期耐久性試驗,美國
第一批RPC/UHPC試件被放置在美國緬因州特里特島潮汐區(qū)的海洋暴露試驗站,進(jìn)行長期耐久性試驗。
1997年:新結(jié)構(gòu)—CRC陽臺/人行天橋/預(yù)應(yīng)力梁
一些新設(shè)計和應(yīng)用的UHPC結(jié)構(gòu):
第一個輕薄 CRC (R-UHPC) 陽臺在丹麥生產(chǎn)和安裝
第一座采用UHPC桁架梁和橋面板的人行橋在加拿大Sherbrooke建成
法國Cattenom發(fā)電廠冷卻塔采用預(yù)應(yīng)力UHPC(RPC)梁替換銹蝕鋼梁
1999年:維修加固理論,瑞士
瑞士洛桑理工(EPFL)的Brühwiler教授于1999年提出運用UHPFRC維修加固或修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的理論。
2000年:Hi-Con工廠建立,丹麥
Hi-Con在丹麥建立了第一家專門生產(chǎn)預(yù)制CRC/UHPC構(gòu)件的工廠,生產(chǎn)各種優(yōu)雅、細(xì)長、輕量化的CRC結(jié)構(gòu)——陽臺、樓梯、鏤空幕墻、橋梁等。
2001年:世界第一座公路橋,法國
法國建成兩座UHPC公路橋梁——Bourg-lès-Valence OA4和OA6跨線橋,采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力π形UHPC梁,梁間的縱、橫縫均采用UHPC濕接縫連接(BSI?,dmax= 6mm骨料和3% 體積鋼纖維)。
2002年:第1個UHPC指南,法國/新結(jié)構(gòu)—韓國和日本的人行橋,荷蘭 Kaag 橋的CRC板
第一個UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工指南:《超高性能纖維增強混凝土-暫行指南》(法文和英文版),由法國AFGC和SETRA組織制定。
韓國仙游人行橋、日本Sakata-Mirai人行橋建成。Sakata Mirai人行橋還用于UHPC在海洋環(huán)境長期耐久性的暴露試驗。荷蘭薩森海姆Kaag大橋采用CRC(R-UHPC) 橋面板進(jìn)行修復(fù)。
2003年:創(chuàng)新應(yīng)用—Caland橋OSD加固,荷蘭
2003年,采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)R-UHPC層加固荷蘭Caland橋正交異性鋼橋面板(OSD),此后荷蘭多座橋梁又先后采用這一方案進(jìn)行加固。
2004年:世界首屆UHPC國際研討會/創(chuàng)新應(yīng)用/日本指南
世界首屆UHPC國際研討會于2004年9月13-15日在德國卡塞爾大學(xué)舉行。
UHPC罩面層用于修復(fù)、拓寬和保護瑞士錫永近郊拉莫爾日河上的一座公路橋。
2004年,法國采用UHPC修復(fù)阿爾卑斯山區(qū)一個渡槽底板,經(jīng)歷百年一遇的洪水證明,專用UHPC可同時具備高耐磨和高抗沖擊性能。
2004年,日本土木工程學(xué)會于發(fā)布了日文版《超高強纖維增強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工指南(草案)》,并于2006年翻譯成英文Recommendations for Design and Construction of Ultra High Strength Fiber Reinforced Concrete Structures (Draft)。
2005年:新結(jié)構(gòu)—開發(fā)出UHPC箱形、工字梁/研究計劃—UHPC可持續(xù)建筑 (2005~2011)
設(shè)計并建造了各類UHPC梁的公路橋:
法國PS34跨線橋采用UHPC箱梁
法國St Pierre La Cour橋和澳大利亞Shepherds Creek Road橋采用UHPC工字梁和傳統(tǒng) 鋼筋混凝土橋面板
日本堀越公路 C匝道福岡大橋組合工字梁,等
由Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG,德國研究基金會)資助的德國優(yōu)先計劃SPP1182“UHPC可持續(xù)建筑”啟動,26所大學(xué)和工業(yè)研究機構(gòu)參與了33個項目/課題研究(2005~2011年)。
2006年:新結(jié)構(gòu)—中國UHPC T梁、美國第一座UHPC公路橋、加拿大UHP接縫連接結(jié)構(gòu)
遷曹鐵路建成了中國首座UHPC(RPC)T梁橋。自2006年以來,中國高鐵大量使用UHPC(RPC)制成的電纜溝蓋板。
美國第一座UHPC公路橋——采用UHPC Bulb-T梁的Mars Hill橋在愛荷華州瓦佩洛縣建成。
在加拿大,安大略省雷尼湖跨越CN鐵路的11號公路橋,UHPC用于預(yù)制板與剪力連接板之間的接縫連接。
2007年:新結(jié)構(gòu)/研究計劃—Super Bridge 200 (2007~2012)
采用UHPC預(yù)制板的新G?rtnerplatz人行橋在德國卡塞爾建成。
韓國啟動“Super Bridge 200”研究計劃(2007~2012),目標(biāo)是將橋梁建造和維護成本降低20%,關(guān)鍵構(gòu)件使用壽命達(dá)到200年。
2008年:第二屆UHPC國際研討會
第二屆UHPC國際研討會在德國卡塞爾大學(xué)舉辦,從此成為每四年舉辦一次的重要UHPC交流討論平臺。
2009年:法國系列UHPC研討會/羽田機場第四跑道預(yù)制UHPC板
2009年11月,第一屆RILEM-fib-AFGC UHPFRC國際研討會在法國馬賽舉行。
日本羽田機場第四跑道采用雙向預(yù)應(yīng)力UHPC預(yù)制板建造,共采用6,900塊帶肋UHPC板,尺寸為7.8mx3.6m。
在美國紐約州奧尼昂塔Otego Creek河23號國道橋,UHPC用于預(yù)制全深度橋面板之間的接縫連接。
2010年:新結(jié)構(gòu)—馬來西亞第一座UHPC公路橋、第一座UHPC拱橋—奧地利Wild橋
馬來西亞建成第一座UHPC梁公路橋(Kampung Linsum橋),此后,馬來西亞各類UHPC梁的橋梁數(shù)量迅速增長。
世界上第一座UHPC公路拱橋——Wild橋在奧地利建成。
2011年:創(chuàng)新應(yīng)用—馬房大橋修復(fù),中國/UHPC華夫板橋面板應(yīng)用,美國
中國廣東肇慶馬坊公路大橋采用鋼-UHPC(又名STC,超韌混凝土)復(fù)合橋面板進(jìn)行修復(fù),并證實是防止鋼橋面板及橋面鋪裝層過早損壞的優(yōu)良解決方案;之后在中國新橋建設(shè)和舊橋修復(fù)中的應(yīng)用快速增長。
美國將UHPC華夫橋面板(雙向肋板、模塊化橋面板)用于公路橋梁——愛荷華州瓦佩洛縣的Little Cedar Creek橋。橋面板之間、橋面板與梁之間的所有接縫均采用現(xiàn)場澆筑UHPC連續(xù)連接。
2013年:法國和美國指南/新結(jié)構(gòu)—MUCEM
法國AFGC發(fā)布第一個暫行指南的修訂正式版《超高性能纖維增強混凝土–指南》(法文和英文),2013年6月。
美國FHWA發(fā)布指南:《預(yù)制UHPC華夫橋面板系統(tǒng)設(shè)計指南,包括連接》 (FHWA-HIF-13-032),2013年6月
MUCEM(法國馬賽歐洲和地中海文明博物館)——樹狀柱、大鏤空率幕墻和屋頂、115m和69m長人行天橋均用UHPC制造。
2014年:現(xiàn)澆UHPC接縫指南/中國首座UHPC箱梁公路橋
美國FHWA發(fā)布指南:《現(xiàn)場澆筑UHPC接縫設(shè)計和施工》(FHWA-HRT-14-084),2019 年發(fā)布第2版。
河北省建成第一座中國UHPC箱梁公路橋。
2015年:中國標(biāo)準(zhǔn)/馬來西亞100m跨徑UHPC箱梁橋/捷克UHPC梁人行斜拉橋
發(fā)布中國國標(biāo):《活性粉末混凝土》 (GB/T31387-2015)。
發(fā)布中國廣東省地方標(biāo)準(zhǔn):《超高性能輕型復(fù)合橋面板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GDJTG/TA01—2015)。
馬來西亞建造了100m跨徑的UHPC箱梁橋(Batu 6)。
捷克共和國建造了156m跨徑的UHPC人行斜拉橋--Celakovice橋。
中國福州建成10m跨徑的UHPC拱形人行橋。
2016年:瑞士和法國標(biāo)準(zhǔn)/新應(yīng)用
發(fā)布瑞士標(biāo)準(zhǔn):SIA 2052《指南:超高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料 (UHPFRC)-建筑材料、尺寸和應(yīng)用》(法文和德文)
發(fā)布兩個法國標(biāo)準(zhǔn):NF P 18-470 《混凝土-超高性能纖維增強混凝土-規(guī)格、性能、生產(chǎn)和合規(guī)性;NF P18-710歐洲規(guī)范2的國家補充-混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計:超高性能纖維增強混凝土的具體規(guī)則 (UHPFRC)》(法文和英文)
在中國,UHPC用于上海S3高速公路預(yù)制高架橋梁間的接縫連接;長沙建成UHPC箱梁人行橋。
美國召開“第一屆UHPC國際互動研討會”,中國召開“第一屆UHPC材料與結(jié)構(gòu)國際會議”。
2017年:美國和中國標(biāo)準(zhǔn)/創(chuàng)新結(jié)構(gòu)—韓國斜拉公路橋UHPC梁、法國TGV站屋頂
美國ASTM發(fā)布標(biāo)準(zhǔn):C1856/C1856M-17 《超高性能混凝土試樣的制造和測試標(biāo)準(zhǔn)實施規(guī)程》
發(fā)布中國湖南省地方標(biāo)準(zhǔn):《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ43/T325-2017)
世界首座公路UHPC梁斜拉橋——韓國樂高主題公園大橋建成。
第一座中國UHPC π梁橋在上海建成。
法國蒙彼利埃南部高鐵(TGV)站——其屋頂由預(yù)制雙曲面、有窗口的自支撐 UHPC 構(gòu)件組成。
2018年:法國標(biāo)準(zhǔn)和中國國標(biāo)/新應(yīng)用
發(fā)布法國標(biāo)準(zhǔn):NF P 18-451《混凝土-混凝土結(jié)構(gòu)施工-針對UHPRFC的特定規(guī)則》(法和英)。
CBMF(中國建筑材料聯(lián)合會)和CCPA(中國混凝土與水泥制品協(xié)會)發(fā)布團體標(biāo)準(zhǔn):《超高性能混凝土的基本特性及試驗方法》 (T/CBMF 37, T/CCPA 7-2018)
第一座中國UHPC工字梁公路橋在廣州建成。
中國開始在建筑中使用UHPC外墻/幕墻。
2019年:加拿大UHPC材料標(biāo)準(zhǔn)
加拿大標(biāo)準(zhǔn)修訂:CSA A23.1:19 《混凝土材料和混凝土施工方法-附錄U 超高性能混凝土 (UHPC)》。
2020年:中國標(biāo)準(zhǔn)/創(chuàng)新結(jié)構(gòu)—鋼-UHPC組合梁、水工結(jié)構(gòu)抗沖磨修復(fù),中國
發(fā)布中國CBMF/CCPA團體標(biāo)準(zhǔn):《超高性能混凝土預(yù)混料》(T/CBMF 96, T/CCPA 20-2020)。
南京長江五橋(斜拉橋)和益陽青龍洲大橋(懸索橋)采用了鋼-UHPC組合梁(鋼箱梁 + UHPC預(yù)制板)。
具備高抗沖磨性能UHPC用于柘溪水電站對挑流鼻坎結(jié)構(gòu)修復(fù)。
2021年:更多中國標(biāo)準(zhǔn)/102m跨徑UHPC梁,中國
發(fā)布中國CBMF/CCPA 團體標(biāo)準(zhǔn):《超高性能混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》(T/CBMF 127/T/CCPA 22-2021)和《超高性能混凝土現(xiàn)場澆筑施工技術(shù)規(guī)程》(T/CBMF 128/T/CCPA 23-2021)。
在中國廣東省英德建成102m跨徑UHPC箱梁橋。
2022年:更多標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布/105m跨徑UHPC梁/馬來西亞、瑞士和中國應(yīng)用
發(fā)布中國CBMF/CCPA標(biāo)準(zhǔn):《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(T/CBMF 185、T/CCPA 35-2022)。
美國PCI 發(fā)布指南:TR-9-22《超高性能混凝土 (UHPC) 的預(yù)制和預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用指南》
美國FHWA發(fā)布指南:《UHPC橋梁保護和修復(fù)解決方案設(shè)計和施工》(FHWA-HRT-22-065)
美國AASHTO 發(fā)布標(biāo)準(zhǔn):AASHTO T397 《超高性能混凝土標(biāo)準(zhǔn)單軸拉伸試驗方法》
馬來西亞和中國廣東省中山市建成105m跨徑的UHPC箱梁橋。
截至2022年底,Dura在馬來西亞建造了187座UHPC橋梁,總橋面面積達(dá)134,300 m2。
2003年至2022年間,瑞士有350項UHPFRC工程應(yīng)用,總用量15,041m3。
2022年,中國超高性能混凝土用量超過82,000m3,其中48%用于橋梁,23%用于建筑,29%用于電力市政工程、維修加固等。
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