超高性能混凝土(UHPC)发展史
1973年:DSP理论,丹麦
Hans Henrik Bache于1973年提出DSP理论,但在高效减水剂问世前未能在实验上实现。
1978年:USHC和UHPC/UHPFRC突破,丹麦
丹麦阿尔博波特兰公司的Hans Henrik Bache先生基于其DSP理论,成功实验制备出超高强度混凝土(USHC,抗压强度124~268MPa),开创了实现浆体颗粒堆积密实度达到0.70~0.80的新方法。此突破性方法仅通过搅拌混合,借助高效减水剂充分分散水泥、超细颗粒(原状硅灰)和骨料,就能获得非常密实的砂浆或混凝土,而不需要通过高压压实,是一种非常简单实用的USHC和UHPC或 UHPFRC(新型建筑材料)生产方法。
1979年:第一项UHPC专利,丹麦
丹麦阿尔博波特兰公司申请了第一项UHPC专利(欧洲专利):Shaped article and composite material and method for producing same(有形产品与复合材料及其生产方法)(发明人:Hans Henrik Bache,版号:0010777A1,申请号:79104321.9,申请日期:05.11.79)。该内容丰富的专利文件介绍了DSP理论、系列配比和复合材料的示例及性能,包括具备直拉和抗弯应变硬化行为的水泥基复合材料,采用聚丙烯 (pp) 纤维增强。
1981年:第一篇UHPC论文/创新应用—耐磨喂料铲,丹麦
第一篇UHPC论文:Densified cement / ultra-fine particle-based materials(基于密实化水泥/超细颗粒的材料)(H. H. Bache先生撰写),在1981年6月10-12日于加拿大安大略省渥太华召开的“第二届混凝土中超塑化剂国际会议”上发表和报告。在这次会议上,H.H. Bache公开了他的发明和制备UHPC材料的基本原理,并讨论了应用的可能性。
创新的水泥磨喂料铲,由R-UHPC制成,采用坚固耐磨骨料(烧结铝矾土)、3%体积钢纤维,抗压强度约225MPa。丹麦阿尔博波特兰公司Knud Lund Eriksen先生设计。UHPC 制成的耐磨铲板使用寿命为5至10年,比以前的铸钢铲板寿命长十倍。
1982年:新结构—UHSC中空预应力柱,丹麦
用于轻轨悬链线支撑的中空预应力柱(截面尺寸200x300mm,长宽方向壁厚分别为30和40mm,长度10m)由150MPa 混凝土(不含钢纤维的Densit®,dmax= 5mm天然骨料)和Ø5mm预应力钢筋制成,Dansk Spendbeton, Lind(丹麦)预制生产。1994年,Bache评价这种柱——由150MPa混凝土制造的结构:“运行10年后(1993年)检验证明其具有优异的性能。…在新设计中,我会考虑使用1~2% 体积钢纤维(这通常会使断裂能和材料延性增加10-20倍),并且可能减少壁厚。”哥本哈根北部的这些悬链线柱,如果现在仍在使用就站立了40多年,应该是耐久性研究的宝贵样本——特别是预应力钢筋的保护层薄至12.5mm,是否良好地保护钢筋免于锈蚀,值得关注。
1983年:第一个UHPC品牌商标和预混料工厂,丹麦
丹麦阿尔博波特兰公司建立了第一家UHPC预混料生产工厂,并申请了Densit®商标。
1985年:新施工方法—喷射UHPC
喷射施工UHPC用于维修/加固混凝土结构(桥梁、隧道、工业设施等)。
1986~1987年:CRC理论和实验验证,丹麦
基于断裂力学方法,H.H. Bache提出了CRC理论,CRC(密实增强复合材料)结构可具备抗压强度150~400 MPa,抗弯强度100~300 MPa,弹性模量40~80GPa,良好的耐火性和无可比拟的耐久性,以及优异的抗爆和抗侵彻性能。1986年,丹麦阿尔博波特兰公司申请了专利:CRC。
1988年:里程碑论文
1989年:创新应用—水工结构维修,荷兰
UHPC在荷兰水工结构的多种维修中应用——冲磨损坏的船闸和水闸。
1990年:新施工方法—水下浇筑/桩加固和保护
采用水下浇筑UHPC修复海底一段26m长的天然气管道的保护结构——该管道的原混凝土保护层已破坏。在水下无振动浇筑10cm厚R-UHPC层。UHPC(Densit®,dmax= 5mm骨料,0.75%体积钢纤维)通过直径50cm的软管泵入底部入口,UHPC流入并填充在天然气管道和外模板之间的空间,同时水从顶部出口强制排出。
1990~1993年,UHPC在委内瑞拉应用于加固桩和海上平台(后来在该领域得到大规模应用)。
1992年:多国研究项目—DUREPSYS (1992~1995年),丹麦/德国/荷兰
欧盟资助的多国研究项目(Brite/EuRam2) —— Low Cost Durable Cement-based Repair and Rehabilitation Systems(低成本耐久水泥基维修和修复系统)(DUREPSYS,1992~1995年)启动。协调单位:Densit A/S(丹麦)。参与单位:阿尔博波特兰公司(丹麦)、波鸿鲁尔大学(德国)、E. Heitkamp Rohrbau GMBH(德国)、Van Hattum en Blankevoort BV(荷兰)
1993年:多国研究项目—MINISTRUCT (1993~1996)/中国突破
1994年:出现UHPC名称/里程碑论文/创新应用—CRC板替代铸铁板,丹麦
F. de Larrard和 T. Sedran撰写的论文Optimization of Ultra-High Performance Concrete by the Use of a Packing Model(运用堆积模型优化超高性能混凝土)在Cement and Concrete Research上发表 (V24, No.6, 1994)。这篇论文使用了超高性能混凝土 (UHPC)名称,但文中实际指的是超高强混凝土 (UHSC,没有纤维增强)。目前,美国、中国等部分国家以及本文语境中,UHPC指的是纤维增强混凝土或复合材料,即等同于UHPFRC。
H.H. Bache的论文Design for Ductility (延性设计)发表在Concrete Technology: New Trends, Industrial Applications 《混凝土技术:工业应用新趋势》书中(Taylor & Francis出版,第8章,1994年)。这篇论文介绍了基于断裂力学的设计原理,H.H. Bache在逾15年的超高强度水泥基材料(DSP材料和CRC)相关研究设计中使用了这些原理。
CRC (R-UHPC) 板用作菲英岛-希兰岛铁路隧道底部的承重排水沟盖板(大贝尔特海峡通道项目,丹麦)。用CRC预制43,000个排水沟盖板(40mm 厚),采用DSP胶凝材料 (Densit®)、天然骨料、6% 体积钢纤维以及8mm直径钢筋。相对于先前使用的铸铁板,CRC板解决方案价格更低且电气性能更好。这些承受火车各种荷载并暴露在海水中CRC板,设计使用寿命为100年,目前已使用近30年。建议检查这些CRC板的现状,里面包含了UHPC结构在海洋环境中宝贵的耐久性信息。
UHPC/CRC用于预制混凝土构件的接缝连接——1995~1996年奥尔堡大学两栋新建筑 (14,000m2) 的钢筋混凝土预制板采用CRC连接(UHPC湿接缝连接)。
P. Richard和M.Cheyrezy撰写的论文Composition of Reactive Powder Concretes(活性粉末混凝土的组成)在Cement and Concrete Research (V25, No.7, 1995)上发表。这篇论文得到广泛传播和阅读,并使很多人误认为UHPC始于1995年的活性粉末混凝土(RPC)。
1996年:开始长期耐久性试验,美国
第一批RPC/UHPC试件被放置在美国缅因州特里特岛潮汐区的海洋暴露试验站,进行长期耐久性试验。
1997年:新结构—CRC阳台/人行天桥/预应力梁
一些新设计和应用的UHPC结构:
第一个轻薄 CRC (R-UHPC) 阳台在丹麦生产和安装
第一座采用UHPC桁架梁和桥面板的人行桥在加拿大Sherbrooke建成
法国Cattenom发电厂冷却塔采用预应力UHPC(RPC)梁替换锈蚀钢梁
1999年:维修加固理论,瑞士
瑞士洛桑理工(EPFL)的Brühwiler教授于1999年提出运用UHPFRC维修加固或修复钢筋混凝土结构的理论。
2000年:Hi-Con工厂建立,丹麦
Hi-Con在丹麦建立了第一家专门生产预制CRC/UHPC构件的工厂,生产各种优雅、细长、轻量化的CRC结构——阳台、楼梯、镂空幕墙、桥梁等。
2001年:世界第一座公路桥,法国
法国建成两座UHPC公路桥梁——Bourg-lès-Valence OA4和OA6跨线桥,采用预制预应力π形UHPC梁,梁间的纵、横缝均采用UHPC湿接缝连接(BSI®,dmax= 6mm骨料和3% 体积钢纤维)。
2002年:第1个UHPC指南,法国/新结构—韩国和日本的人行桥,荷兰 Kaag 桥的CRC板
第一个UHPC结构设计与施工指南:《超高性能纤维增强混凝土-暂行指南》(法文和英文版),由法国AFGC和SETRA组织制定。
韩国仙游人行桥、日本Sakata-Mirai人行桥建成。Sakata Mirai人行桥还用于UHPC在海洋环境长期耐久性的暴露试验。荷兰萨森海姆Kaag大桥采用CRC(R-UHPC) 桥面板进行修复。
2003年:创新应用—Caland桥OSD加固,荷兰
2003年,采用环氧树脂粘结R-UHPC层加固荷兰Caland桥正交异性钢桥面板(OSD),此后荷兰多座桥梁又先后采用这一方案进行加固。
2004年:世界首届UHPC国际研讨会/创新应用/日本指南
世界首届UHPC国际研讨会于2004年9月13-15日在德国卡塞尔大学举行。
UHPC罩面层用于修复、拓宽和保护瑞士锡永近郊拉莫尔日河上的一座公路桥。
2004年,法国采用UHPC修复阿尔卑斯山区一个渡槽底板,经历百年一遇的洪水证明,专用UHPC可同时具备高耐磨和高抗冲击性能。
2004年,日本土木工程学会于发布了日文版《超高强纤维增强混凝土结构设计与施工指南(草案)》,并于2006年翻译成英文Recommendations for Design and Construction of Ultra High Strength Fiber Reinforced Concrete Structures (Draft)。
2005年:新结构—开发出UHPC箱形、工字梁/研究计划—UHPC可持续建筑 (2005~2011)
设计并建造了各类UHPC梁的公路桥:
法国PS34跨线桥采用UHPC箱梁
法国St Pierre La Cour桥和澳大利亚Shepherds Creek Road桥采用UHPC工字梁和传统 钢筋混凝土桥面板
日本堀越公路 C匝道福冈大桥组合工字梁,等
由Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG,德国研究基金会)资助的德国优先计划SPP1182“UHPC可持续建筑”启动,26所大学和工业研究机构参与了33个项目/课题研究(2005~2011年)。
2006年:新结构—中国UHPC T梁、美国第一座UHPC公路桥、加拿大UHP接缝连接结构
迁曹铁路建成了中国首座UHPC(RPC)T梁桥。自2006年以来,中国高铁大量使用UHPC(RPC)制成的电缆沟盖板。
美国第一座UHPC公路桥——采用UHPC Bulb-T梁的Mars Hill桥在爱荷华州瓦佩洛县建成。
在加拿大,安大略省雷尼湖跨越CN铁路的11号公路桥,UHPC用于预制板与剪力连接板之间的接缝连接。
2007年:新结构/研究计划—Super Bridge 200 (2007~2012)
采用UHPC预制板的新Gärtnerplatz人行桥在德国卡塞尔建成。
韩国启动“Super Bridge 200”研究计划(2007~2012),目标是将桥梁建造和维护成本降低20%,关键构件使用寿命达到200年。
2008年:第二届UHPC国际研讨会
第二届UHPC国际研讨会在德国卡塞尔大学举办,从此成为每四年举办一次的重要UHPC交流讨论平台。
2009年:法国系列UHPC研讨会/羽田机场第四跑道预制UHPC板
2009年11月,第一届RILEM-fib-AFGC UHPFRC国际研讨会在法国马赛举行。
日本羽田机场第四跑道采用双向预应力UHPC预制板建造,共采用6,900块带肋UHPC板,尺寸为7.8mx3.6m。
在美国纽约州奥尼昂塔Otego Creek河23号国道桥,UHPC用于预制全深度桥面板之间的接缝连接。
2010年:新结构—马来西亚第一座UHPC公路桥、第一座UHPC拱桥—奥地利Wild桥
马来西亚建成第一座UHPC梁公路桥(Kampung Linsum桥),此后,马来西亚各类UHPC梁的桥梁数量迅速增长。
世界上第一座UHPC公路拱桥——Wild桥在奥地利建成。
2011年:创新应用—马房大桥修复,中国/UHPC华夫板桥面板应用,美国
中国广东肇庆马坊公路大桥采用钢-UHPC(又名STC,超韧混凝土)复合桥面板进行修复,并证实是防止钢桥面板及桥面铺装层过早损坏的优良解决方案;之后在中国新桥建设和旧桥修复中的应用快速增长。
美国将UHPC华夫桥面板(双向肋板、模块化桥面板)用于公路桥梁——爱荷华州瓦佩洛县的Little Cedar Creek桥。桥面板之间、桥面板与梁之间的所有接缝均采用现场浇筑UHPC连续连接。
2013年:法国和美国指南/新结构—MUCEM
法国AFGC发布第一个暂行指南的修订正式版《超高性能纤维增强混凝土–指南》(法文和英文),2013年6月。
美国FHWA发布指南:《预制UHPC华夫桥面板系统设计指南,包括连接》 (FHWA-HIF-13-032),2013年6月
MUCEM(法国马赛欧洲和地中海文明博物馆)——树状柱、大镂空率幕墙和屋顶、115m和69m长人行天桥均用UHPC制造。
2014年:现浇UHPC接缝指南/中国首座UHPC箱梁公路桥
美国FHWA发布指南:《现场浇筑UHPC接缝设计和施工》(FHWA-HRT-14-084),2019 年发布第2版。
河北省建成第一座中国UHPC箱梁公路桥。
2015年:中国标准/马来西亚100m跨径UHPC箱梁桥/捷克UHPC梁人行斜拉桥
发布中国国标:《活性粉末混凝土》 (GB/T31387-2015)。
发布中国广东省地方标准:《超高性能轻型复合桥面板结构技术规范》(GDJTG/TA01—2015)。
马来西亚建造了100m跨径的UHPC箱梁桥(Batu 6)。
捷克共和国建造了156m跨径的UHPC人行斜拉桥--Celakovice桥。
中国福州建成10m跨径的UHPC拱形人行桥。
2016年:瑞士和法国标准/新应用
发布瑞士标准:SIA 2052《指南:超高性能纤维增强水泥基复合材料 (UHPFRC)-建筑材料、尺寸和应用》(法文和德文)
发布两个法国标准:NF P 18-470 《混凝土-超高性能纤维增强混凝土-规格、性能、生产和合规性;NF P18-710欧洲规范2的国家补充-混凝土结构设计:超高性能纤维增强混凝土的具体规则 (UHPFRC)》(法文和英文)
在中国,UHPC用于上海S3高速公路预制高架桥梁间的接缝连接;长沙建成UHPC箱梁人行桥。
美国召开“第一届UHPC国际互动研讨会”,中国召开“第一届UHPC材料与结构国际会议”。
2017年:美国和中国标准/创新结构—韩国斜拉公路桥UHPC梁、法国TGV站屋顶
美国ASTM发布标准:C1856/C1856M-17 《超高性能混凝土试样的制造和测试标准实施规程》
发布中国湖南省地方标准:《活性粉末混凝土结构技术规程》(DBJ43/T325-2017)
世界首座公路UHPC梁斜拉桥——韩国乐高主题公园大桥建成。
第一座中国UHPC π梁桥在上海建成。
法国蒙彼利埃南部高铁(TGV)站——其屋顶由预制双曲面、有窗口的自支撑 UHPC 构件组成。
2018年:法国标准和中国国标/新应用
发布法国标准:NF P 18-451《混凝土-混凝土结构施工-针对UHPRFC的特定规则》(法和英)。
CBMF(中国建筑材料联合会)和CCPA(中国混凝土与水泥制品协会)发布团体标准:《超高性能混凝土的基本特性及试验方法》 (T/CBMF 37, T/CCPA 7-2018)
第一座中国UHPC工字梁公路桥在广州建成。
中国开始在建筑中使用UHPC外墙/幕墙。
2019年:加拿大UHPC材料标准
加拿大标准修订:CSA A23.1:19 《混凝土材料和混凝土施工方法-附录U 超高性能混凝土 (UHPC)》。
2020年:中国标准/创新结构—钢-UHPC组合梁、水工结构抗冲磨修复,中国
发布中国CBMF/CCPA团体标准:《超高性能混凝土预混料》(T/CBMF 96, T/CCPA 20-2020)。
南京长江五桥(斜拉桥)和益阳青龙洲大桥(悬索桥)采用了钢-UHPC组合梁(钢箱梁 + UHPC预制板)。
具备高抗冲磨性能UHPC用于柘溪水电站对挑流鼻坎结构修复。
2021年:更多中国标准/102m跨径UHPC梁,中国
发布中国CBMF/CCPA 团体标准:《超高性能混凝土预制构件生产技术规程》(T/CBMF 127/T/CCPA 22-2021)和《超高性能混凝土现场浇筑施工技术规程》(T/CBMF 128/T/CCPA 23-2021)。
在中国广东省英德建成102m跨径UHPC箱梁桥。
2022年:更多标准发布/105m跨径UHPC梁/马来西亚、瑞士和中国应用
发布中国CBMF/CCPA标准:《超高性能混凝土结构设计规程》(T/CBMF 185、T/CCPA 35-2022)。
美国PCI 发布指南:TR-9-22《超高性能混凝土 (UHPC) 的预制和预应力混凝土应用指南》
美国FHWA发布指南:《UHPC桥梁保护和修复解决方案设计和施工》(FHWA-HRT-22-065)
美国AASHTO 发布标准:AASHTO T397 《超高性能混凝土标准单轴拉伸试验方法》
马来西亚和中国广东省中山市建成105m跨径的UHPC箱梁桥。
截至2022年底,Dura在马来西亚建造了187座UHPC桥梁,总桥面面积达134,300 m2。
2003年至2022年间,瑞士有350项UHPFRC工程应用,总用量15,041m3。
2022年,中国超高性能混凝土用量超过82,000m3,其中48%用于桥梁,23%用于建筑,29%用于电力市政工程、维修加固等。
英文版本网址:https://www.white-hub.com/innovation-sustainability/chronological-developments-uhpc-technology-applications-and-standards