超高性能混凝土國外研究及應(yīng)用狀況

1、國外研究現(xiàn)狀

1986年～1993年，法國政府組織了政府研究機構(gòu)、高等院校和建筑公司等單位，承擔(dān)了高性能混凝土的研究項目“高性能混凝土2000”，投入研究經(jīng)費550萬美元。挪威皇家科技研究院和工程研究基金持續(xù)資助高強混凝土和高性能混凝土的研究。日本建設(shè)省于1993年～1998年進行了一項綜合開發(fā)計劃“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的超輕質(zhì)、超高層化技術(shù)的開發(fā)”(簡稱“新RC計劃”)。為實施該項研究計劃，共成立了五個分科會，其中高強混凝土材料分會由水泥協(xié)會、建筑協(xié)會建設(shè)省研究所、建材實驗中心、化學(xué)外加劑協(xié)會等機構(gòu)和多所高等院校以及有關(guān)公司參加。1994年，美國聯(lián)邦政府16個機構(gòu)聯(lián)合提出了一個在基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中應(yīng)用高性能混凝土的建議，并決定在10年內(nèi)投資2億美元進行研究和開發(fā)。瑞典在1991年～1997年由政府和企業(yè)聯(lián)合出資5200萬法郎，實施高性能混凝土研究的國家計劃。

挪威在使用和研究高強混凝土和超高強混凝土方面更是走在世界前列，他們在北海油田的海上鉆井平臺上，曾進行了立方體抗壓強度超過100MPa的超高強混凝土施工，并于1989年就制訂和實施了抗壓強度高達105MPa的SHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計標準；前面提到的英國帝國公司與牛津大學(xué)合作研制成功的無宏觀缺陷(MDF)水泥，其抗壓強度300MPa，抗折強度達50MPa-200MPa。近些年來，國際上又出現(xiàn)了活性粉末混凝土(RPC)，其抗壓強度已達800MPa。

二十世紀末，法國的Lafarge公司研究成功了一種超高強、低脆性和優(yōu)異耐久性的新型混凝土——活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)。RPC由石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效減水劑和鋼纖維組成，成型工藝與普通混凝土相似，其抗壓強度可與鋼材相媲美。RPC制作的結(jié)構(gòu)自重與鋼結(jié)構(gòu)相當(dāng)，而造價僅為鋼結(jié)構(gòu)的三分之一，應(yīng)用前景十分廣泛。

2、國外應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，超高性能混凝土除了在實驗室進行研究外，也逐步在工程實踐中得到應(yīng)用。90年代，美國、加拿大、日本、挪威、前蘇聯(lián)各國、德國、澳大利亞等，成為應(yīng)用UHPC最多的國家。美國的芝加哥、西雅圖、紐約、休斯敦，加拿大的多倫多，德國的法蘭克福等均有多幢UHPC建筑；日本不僅應(yīng)用UHPC建造高層住宅，而且用其制造預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁、桁架、管、電桿等。目前應(yīng)用UHPC最好的國家是挪威，其已有C105級超高強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，此為目前世界上強度等級第二高的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(德國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已達C110級，強度等級為當(dāng)今世晃之最)。超高性能混凝土在工程實踐中已經(jīng)得到了應(yīng)用，有代表性的為：法蘭克福BFG行政大樓建造并應(yīng)用了C115的UHPC；1993年美國聯(lián)邦公路管理局發(fā)起了在全國公路橋梁建設(shè)中推廣應(yīng)用高性能混凝土的計劃，1996年美國公路與運輸協(xié)會和美國聯(lián)邦公路管理局聯(lián)合立了高性能混凝土工作小組，以實施HPC在公路工程中的應(yīng)用。美國制備了130MPa的高性能混凝土并已應(yīng)用于高層建筑，美國的P.Mendis還介紹了強度達150MPa的高性能混凝土。以下為UHPC在國外應(yīng)用的部分經(jīng)典實例：

伊利諾斯州屋蓋和Two unio squar大廈

美國于2001年在伊利諾斯州用RPC材料建成了18m直徑的圓形屋蓋，該屋蓋未采用任何鋼筋，設(shè)計中考慮了RPC的延性，直接承受拉、彎應(yīng)力及初裂應(yīng)力。現(xiàn)場拼裝用時11d，若采用鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場拼裝則需要35d，因此大大縮短了施工工期。該屋蓋因其先進的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式獲得2003年Nova獎提名。

美國西雅圖市的Two unio squar大廈應(yīng)用了強度高達135MPa的超高強混凝土。該建筑58層，高230.15m，其主要特點是采用了超高強混凝土的鋼管混凝土柱子。由于采用了超高強混凝土，整個工程降低結(jié)構(gòu)造價30%，此工程已成為超高性能混凝土用于超高層建筑的范例。

首爾橋

在韓國的首爾，一座采用RPC、跨度為120m的拱橋已建成。該橋由6段拼裝而成，每段長20m，高113m，薄壁箱梁截面，壁厚只有30mm，不使用普通鋼筋。這種尺寸采用普通混凝土是實現(xiàn)不了的。該橋不僅只用了其材料強度的一半(抗壓強度：230MPa，抗彎強度；50MPa)，而且其高耐久性使其在運營中可節(jié)省大量的維修費用。

加拿大Sherbrooke步行橋

使用RPC的第一個大型建筑結(jié)構(gòu)是長60.1m，橋面寬4.2m，橫跨Mougog河的單跨步行橋。這座橋位于加拿大Quebec省Sherbrooke市，是由美國、加拿大、瑞士、法國共同進行RPC開發(fā)的一項試點工程，于1997年11月27日正式開通。當(dāng)?shù)貧夂驐l件惡劣，濕度大，冬季嚴寒，最低溫度達-40℃，雪天須經(jīng)常灑鹽水化冰，對結(jié)構(gòu)的耐久性要求很高，因而使用RPC200進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。橋的構(gòu)造由RPC預(yù)制梁、預(yù)制板和鋼管約束RPC組合而成。設(shè)計者采用三維空間桁架的設(shè)計思想，由預(yù)加應(yīng)力抵抗桁架桿件的主拉應(yīng)力及上承支撐的撓曲應(yīng)力；而其他由剪應(yīng)力和次撓曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力直接由RPC承擔(dān)。預(yù)應(yīng)力RPC在極大地減輕結(jié)構(gòu)自重的同時，保證了結(jié)構(gòu)的整體剛度。各基本構(gòu)件均按常規(guī)混凝土工藝預(yù)制，只有施加預(yù)應(yīng)力所使用的小型錨具是為這項工程特別設(shè)計的。該橋建成后至今使用狀態(tài)良好。這一工程最突出的特點是完全用RPC制造，而未使用傳統(tǒng)的受力鋼筋，經(jīng)預(yù)制用起重機現(xiàn)場安裝。這一設(shè)計使得RPC基于密實的微觀結(jié)構(gòu)，所具有的優(yōu)越力學(xué)性能得到充分的發(fā)揮，從而為RPC提供了廣闊的發(fā)展空間。