El "superdeportivo de primer nivel" del mundo del hormigón: el hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC)

Investigación sobre el rendimiento y aplicación del hormigón de ultra alto rendimiento

En el ámbito de la ingeniería de infraestructuras, el hormigón es el material básico más utilizado. Sin embargo, el hormigón ordinario tradicional tiene deficiencias como resistencia limitada, alta porosidad, susceptibilidad al agrietamiento y poca durabilidad, lo que dificulta satisfacer las necesidades de construcción de edificios de gran altura, puentes de gran luz, edificios de formas irregulares y proyectos centenarios. El hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC), como nueva generación de material de construcción compuesto a base de cemento, ha superado por completo los límites de rendimiento del hormigón tradicional. Con su resistencia ultraalta, porosidad ultrabaja, durabilidad ultrafuerte y alta tenacidad/resistencia a las grietas, se le conoce en la industria como el "techo de rendimiento" del hormigón.

01 · Alta densidad No contiene disolventes volátiles; no se encoge cuando se endurece.

02 · Fuerte resistencia a los álcalis y resistencia a la corrosión. Se utiliza para fabricar contenedores integrales para el almacenamiento de residuos nucleares de baja actividad radiactiva.

03 · Alta resistencia y buena resistencia al impacto. Utilizado en campos militares y de seguridad; resistente a explosiones y a impactos.

01 · Principios de preparación y composición del material UHPC

Composición de materiales

Compuesto por cuatro categorías de materias primas (materiales cementantes, agregados finos, fibras endurecedoras y aditivos de alta eficiencia) sin ningún agregado de grava gruesa:

Materiales cementosos: principalmente cemento de alta calidad, mezclado con polvos activos ultrafinos como humo de sílice, escoria y cenizas volantes.
Agregado: Arena de cuarzo fina multigradada de alta pureza.
Fibras: Fibras de acero recubiertas de cobre con una fracción de volumen del 2% al 3%, con una pequeña cantidad de fibra de PP para evitar el desconchado a alta temperatura.
Aditivos: Reductor de agua de alta eficiencia de policarboxilato, con una adición de agua estándar del 8% al 10% del peso total del polvo seco.

Principios de preparación

Basado principalmente en la teoría del empaquetamiento de partículas más cercano, con tres lógicas subyacentes centrales:

Llenado de polvo de varios niveles: El humo de sílice, el polvo mineral y la arena fina rellenan los huecos en niveles sucesivos, reduciendo en gran medida la porosidad.
Baja relación agua-aglutinante para el control de los poros: El contenido de agua extremadamente bajo reduce los poros interconectados dañinos formados por la evaporación del agua.
Puenteo y endurecimiento de fisuras de fibras: las fibras de acero se distribuyen aleatoriamente en tres dimensiones, uniendo microfisuras y abordando la fragilidad de la matriz de ultra alta resistencia; complementado con curado estándar/vapor para promover la hidratación secundaria de las mezclas minerales, densificando aún más la microestructura.

02 · Desempeño e indicadores básicos de UHPC

Resistencia a la compresión: ≥100MPa; Los productos convencionales producidos en masa pueden alcanzar los 150 MPa, mientras que las formulaciones modificadas logran una penetración máxima de 250 MPa.
Resistencia a la tracción: ≥3,5 MPa, más de 3 veces mayor que el hormigón ordinario de alta resistencia C60.
Coeficiente de permeabilidad: ≤2,0×10⁻¹³ m²/s, casi completamente impermeable; La resistencia a la penetración de iones cloruro, corrosión por sulfatos y carbonatación supera con creces la del hormigón ordinario.

Grados de resistencia a la compresión/flexión UHPC
Grado	Resistencia a la compresión (MPa)		Resistencia a la flexión (MPa)		Módulo elástico (GPa)ᵃ
Grado	Acero / Fibra Mixta	Fibra no metálica	Acero / Fibra Mixta	Fibra no metálica	Módulo elástico (GPa)ᵃ
UC100	–	100	–	≥12	≥40
UC120	120	120	≥17	≥15	≥40
UC140	140	140	≥20	≥18	≥40
UC160	160	160	≥24	≥20	≥45
UC180	180	–	≥27	–	≥45
UC200	200	–	≥30	–	≥45

ᵃ Para cualquier grado de resistencia a la compresión de UHPC, los requisitos correspondientes de resistencia a la flexión y módulo elástico también deben cumplirse simultáneamente.

Grados de resistencia a la tracción UHPC
Grado	Valor estándar de resistencia a la tracción elástica f _tek (MPa)	Resistencia a la tracción f _{tu, k} (MPa)	Deformación de tracción en f _{tu, k} ε _{tu, k} (%)
UT5	5	≥3,5	0.15
UT7L	7	≥7,0	0.15
UT7H	7	≥7,7	0.15
UT9L	9	≥9.0	0.15
UT9H	9	≥10,8	0.2
UT11H	11	≥13,2	0.2

03 · Campos de aplicación convencionales de UHPC

1. Ingeniería de puentes

Calidades C120/C135/C150 dedicadas para pavimentación de plataformas de puentes de gran luz, juntas húmedas de puentes, refuerzo de pilares, reparación de defectos en puentes antiguos y puentes peatonales livianos de UHPC. Resuelve los puntos débiles de la industria, como la filtración y descamación tradicional del agua de la cubierta, el agrietamiento de las juntas y las reparaciones repetidas. Proyectos nacionales clave, como el puente Yuanjiahe, lo han aplicado a escala.

2. Decoración arquitectónica de alta gama

Muros cortina irregulares de UHPC, paneles de revestimiento de hormigón visto, esculturas artísticas, componentes paisajísticos y materiales de construcción huecos tallados. Combina resistencia ultraalta con plasticidad, lo que permite formas irregulares ultrafinas, ultraligeras y complejas, reemplazando la piedra y los paneles de muro cortina comunes.

3. Ingeniería Municipal y de Transporte

Vía sin lastre para ferrocarriles de alta velocidad, traviesas de ferrocarril, barandillas anticolisión de alta velocidad, revestimientos de túneles y estructuras de túneles subterráneos de servicios públicos, adecuadas para ingeniería municipal especializada con cargas de alta frecuencia y requisitos de alta durabilidad.

4. Refuerzo y Renovación Estructural

Refuerzo de capa delgada de alta resistencia y reparación de edificios, fábricas y carreteras/puentes antiguos: delgada, liviana y de alta resistencia, sin dañar la estructura original; El efecto de refuerzo supera con creces el del mortero de reparación ordinario.

5. Campos emergentes de frontera

Componentes arquitectónicos impresos en 3D, materiales de construcción ensamblados prefabricados livianos, ingeniería marina anticorrosión y estructuras militares de protección especial.

04 · Ventajas principales de UHPC

Característica 1: alta resistencia a la compresión

La resistencia a la compresión del UHPC es de 150 a 200 MPa, muy superior a la del hormigón convencional. Con la misma capacidad de carga, el espesor de los componentes se puede reducir a la mitad, lo que reduce significativamente el peso propio, lo que es adecuado para estructuras ligeras y de gran luz.

Característica 2: excelente tenacidad a la flexión-tracción

Las fibras internas de acero forman una red tridimensional, con una resistencia a la tracción ≥7 MPa. Sólo se forman grietas menores bajo carga, sin fracturas frágiles repentinas; Excelente resistencia a la fatiga y al impacto.

Característica 3: buena durabilidad

Resistente a la congelación y descongelación, la penetración de iones cloruro, la carbonatación y la corrosión ácida/álcalina; Funciona de manera estable a largo plazo en ambientes fríos, costeros y salino-alcalinos.

Característica 4: alto grado de libertad de formación

La mezcla autonivelante se puede moldear en componentes irregulares ultrafinos, curvos y huecos tallados, lo que permite formas arquitectónicas artísticas complejas y al mismo tiempo equilibra la estética y la seguridad estructural.

Característica 5: Compatible con diversos equipos de construcción

Admite la prefabricación de fábricas, el bombeo in situ, la reparación de capas finas, la impresión 3D y otros procesos; Puede cumplir con los estándares de curado a temperatura ambiente, compatible con todo tipo de equipos de construcción.

Característica 6: Bajo costo general durante todo el ciclo de vida

Los costos iniciales de las materias primas son relativamente altos, pero las secciones transversales de los componentes son más pequeñas y tienen menos refuerzo; La durabilidad a nivel de siglo reduce en gran medida los costos posteriores de reparación y reemplazo, lo que resulta en un menor costo general a largo plazo.

Viga de hormigón ordinaria Haz UHPC

Comparación de emisiones de carbono acumuladas durante la vida útil (kg CO₂)

Característica 7: Bajas emisiones de carbono y respetuosas con el medio ambiente

Incorpora grandes cantidades de residuos sólidos industriales como humo de sílice, escorias y cenizas volantes, reduciendo el uso de cemento; El bajo consumo de material y la larga vida útil reducen los residuos de construcción y las emisiones de carbono.