超高性能混凝土（UHPC）已迅速成為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)物的主要材料。在90年代初期，當(dāng)它首次進(jìn)入行業(yè)，也被稱作“活性粉末混凝土ReactivePowderConcrete，RPC”，是一種繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，出現(xiàn)的力學(xué)性能、耐久性能都非常優(yōu)越的新型建筑材料,近十年來被美國橋梁行業(yè)廣泛應(yīng)用。

 

　　在美國、法國、日本、馬來西亞，UHPC已用于建造公路橋梁；在加拿大和委內(nèi)瑞拉等國已用于人行橋。在美國各州中，UHPC已被用于在弗吉尼亞州和愛荷華州的橋梁梁體建造；在紐約和特拉華州用于橋面鋪裝；在其他20多個(gè)州用于現(xiàn)場(chǎng)澆筑的預(yù)制橋梁構(gòu)件。美國聯(lián)邦和各州交通運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、國家工業(yè)組織、私企開發(fā)商和生產(chǎn)商都在積極地進(jìn)行UHPC的性能研究，為此開展了大量基于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)和實(shí)際工程。

 

　　與普通混凝土相比，超高性能混凝土在原材料、配合比和施工性等方面的要求有較大的不同。例如，UHPC配制所用水泥強(qiáng)度等級(jí)高，水泥用量大，水膠比低，一般使用硅灰等超細(xì)輔料，不使用粗骨料而使用石英砂等高強(qiáng)細(xì)骨料，同時(shí)摻加纖維(鋼纖維或復(fù)合有機(jī)纖維)來降低混凝土的脆性。此外還根據(jù)不同需要加入多種外加劑，如膠凝材料（SCM）。

 

　　UHPC混合料的膠結(jié)材料總含量通?？梢猿^1,500lbs/cud/cudd，這是大多數(shù)常規(guī)混凝土混合料的膠結(jié)材料含量的兩倍以上。然而，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。致密的顆粒堆積與超低的w/b相結(jié)合，在混凝土中產(chǎn)生了高度精煉的微觀結(jié)構(gòu)，從而提供了出色的強(qiáng)度和耐久性。因此，即使在苛刻的外部環(huán)境中，例如海洋和凍融環(huán)境下，UHPC元件的預(yù)期壽命也可以達(dá)到200年或更長。

 

　　盡管尚未就UHPC的定義達(dá)成統(tǒng)一，但典型的UHPC抗壓強(qiáng)度超過17,000psi，許多甚至可以達(dá)到30,000psi以上的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的高性能混凝土相比，UHPC的抗壓強(qiáng)度可提高3至5倍。然而，其最重要的性能不是抗壓強(qiáng)度，而是拉伸性能（在預(yù)制構(gòu)件中的應(yīng)用尤其明顯），這些特性是由于其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度的鋼纖維結(jié)合而產(chǎn)生，鋼纖維的摻入比約為1％～3％（按體積計(jì)）（約合78～233千克/立方米）。

 

　　通過設(shè)計(jì)調(diào)整，可將UHPC混合物設(shè)計(jì)為可承受1000psi以上拉伸強(qiáng)度和2500psi以上撓曲強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)物。此外，設(shè)計(jì)良好的UHPC混合物可表現(xiàn)出開裂后的延展性和應(yīng)變硬化，提高殘余結(jié)構(gòu)的撓曲強(qiáng)度。

 

　　其次，UHPC的高延展性使材料產(chǎn)生巨大的韌性，即使沒有鋼筋的幫助，它也提高了吸收能量的能力，即材料的耗能性。

 

　　第三，高抗拉強(qiáng)度提高了材料的抗剪強(qiáng)度，并有可能在梁設(shè)計(jì)中完全摒棄抗剪零件。通過消除箍筋，可以簡化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程，并可以減小構(gòu)件腹板（桿）的寬度，使材料的體積和重量大大減少，同時(shí)提供與常規(guī)鋼筋混凝土構(gòu)件相同的承載力。

 

　　UHPC置身預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的巨大潛力

 

　　為了使UHPC在預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，需要滿足兩個(gè)條件：

 

　　第一，高質(zhì)量低成本。生產(chǎn)高質(zhì)量的UHPC，且原材料成本總計(jì)不到1,000美元/立方米（2020年標(biāo)準(zhǔn)），預(yù)裝袋材料的成本為每立方米2,000至3,000美元。

 

　　第二，從實(shí)驗(yàn)到規(guī)范。設(shè)計(jì)從以強(qiáng)度為主向以耐久性(或以所要求性能)為主的轉(zhuǎn)變。制定新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠利用UHPC的獨(dú)特性能特征。從微觀到宏觀的研究，從定性到定量的發(fā)展，仍有大量復(fù)雜且細(xì)致的工作有待開展。

 

　　美國的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土研究所（PCI）啟動(dòng)了一項(xiàng)研究，旨在開發(fā)一種方法，使整個(gè)北美地區(qū)的預(yù)制設(shè)備都能從低成本的UHPC混合料中獲益，并開發(fā)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和創(chuàng)新性，優(yōu)化建筑物和橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

 

　　迄今為止，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了在預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土生產(chǎn)設(shè)施中設(shè)計(jì)和實(shí)施UHPC混合物的準(zhǔn)則和建議，已通過在美國的五家此類設(shè)施進(jìn)行生產(chǎn)，并對(duì)這些程序進(jìn)行了驗(yàn)證。