UHPC超高性能混凝土的制作過程和UHPC在裝配式建筑中的應(yīng)用

      UHPC凝固前流體良好的流動(dòng)性，為的塑形提供了工藝支持，現(xiàn)代數(shù)字加工技術(shù)為模種制作創(chuàng)造提供了支撐。彈性高分子材料為模具制作，造型還原提供了工業(yè)化生產(chǎn)保證。從UHPC的分類出發(fā)，分析UHPC在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景，在此基礎(chǔ)上提出裝配式建筑用UHPC的質(zhì)量控制指標(biāo)體系，以期推動(dòng)UHPC在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

      一、UHPC分類

      根據(jù)對(duì)UHPC應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研，UHPC的主要應(yīng)用工程類別及部位如下：

      1、橋梁工程，包括現(xiàn)澆橋面鋪裝、橋梁濕接縫、預(yù)制橋面板、橋面鋪裝、預(yù)制箱梁；

      2、建筑工程，包括建筑外墻裝飾板、小型預(yù)制構(gòu)件（樓梯、陽臺(tái)）、裝配式預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接；

      3、市政工程，包括預(yù)制蓋板、預(yù)制綜合管廊、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)加固等。

      二、UHPC在裝配式建筑中的應(yīng)用

      1、建筑外墻裝飾

      UHPC用于建筑外墻裝飾是UHPC最重要也是最為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域之一，包括鏤空幕墻、遮陽板、三明治保溫墻板、干掛或濕貼裝飾面板等。UHPC以其超高強(qiáng)度、超高韌性和超高耐久性，使其能夠在滿足結(jié)構(gòu)承載力的要求下，減少結(jié)構(gòu)橫截面的尺寸，做到輕質(zhì)薄壁，讓建筑設(shè)計(jì)師可以突破材料的束縛，設(shè)計(jì)出輕盈優(yōu)美的結(jié)構(gòu)外形。以法國馬塞Marseille圣讓港的歐洲和地中海文化博物館（以下簡(jiǎn)稱MuCEM）為例，其鏤空圍護(hù)幕墻由UHPC建造而成，制作精美。精致華麗的花紋體現(xiàn)了地中海文化和手工藝的悠久傳統(tǒng)，同時(shí)也突出展現(xiàn)了超高性能材料在建筑裝飾領(lǐng)域優(yōu)越的綜合性能和巨大的應(yīng)用潛力。

      雖然目前建筑外墻裝飾類UHPC更多地用于標(biāo)志性和創(chuàng)意性建筑中以體現(xiàn)其藝術(shù)價(jià)值，但未來也可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)各種類型的UHPC標(biāo)準(zhǔn)板，拓展其在裝配式建筑里的應(yīng)用，發(fā)揮UHPC輕薄、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)。

      2、裝配式漿錨搭接

      對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，其核心是可靠的鋼筋連接技術(shù)。目前，除鋼筋套筒灌漿連接外，濕接縫連接的應(yīng)用也比較多，而漿錨搭接是濕縫連接的一種，鋼筋漿錨搭接是指在預(yù)制混凝土構(gòu)件中預(yù)留孔道，在孔道中插入需搭接的鋼筋，并灌注水泥基材料進(jìn)行錨固的搭接方式。傳統(tǒng)的鋼筋漿錨搭接連接由于錨固材料強(qiáng)度的局限性以及與鋼筋間的握裹力不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中鋼筋搭接過長，施工過程中易出現(xiàn)灌注不飽滿的問題，進(jìn)而給裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安全性帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。UHPC具有超高的抗壓強(qiáng)度（通?！?20 MPa），與傳統(tǒng)的水泥基灌漿材料相比，強(qiáng)度提升50%以上，與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度提升40%~80%，并可有效降低搭接長度，降低灌注不飽滿的風(fēng)險(xiǎn)。此外，采用UHPC作為鋼筋漿錨搭接連接的錨固材料能大幅提高預(yù)制構(gòu)件連接處的承載能力，包括抗疲勞、抗震、抗裂性能以及耐久性，符合裝配式建筑“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念。

      3、裝配式預(yù)制構(gòu)件

      UHPC制作的裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件是UHPC在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的另外一個(gè)重要方向，目前主要的裝配式UHPC預(yù)制構(gòu)件包括各種風(fēng)格形態(tài)的薄板薄壁預(yù)制陽臺(tái)、走道、樓梯等。國外也有部分標(biāo)志性建筑探索了UHPC預(yù)制結(jié)構(gòu)柱和結(jié)構(gòu)梁的應(yīng)用，如MuCEM歐洲地中海博物館中大量使用UHPC立柱作為結(jié)構(gòu)支撐，立柱采用了三種形式：直立柱、Y型柱、N型柱。柱子的直徑（25~40 cm）與高度（2.89~8.79 m）都不同，最終形成80種不同的組合。但在裝配式建筑中采用UHPC預(yù)制構(gòu)造柱還有成本過高的問題，若想發(fā)揮UHPC超高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)對(duì)構(gòu)造柱進(jìn)行截面尺寸削減可能會(huì)帶來結(jié)構(gòu)剛度不足的風(fēng)險(xiǎn)。因此，UHPC預(yù)制柱和預(yù)制梁在裝配式建筑中的應(yīng)用有待UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究成果來做基礎(chǔ)。

      三、裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制技術(shù)指標(biāo)

      為了保證裝配式建筑用UHPC的質(zhì)量，從拌和物性能、力學(xué)性能、收縮和抗氯離子滲透性能四個(gè)方面對(duì)裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制指標(biāo)進(jìn)行了分析。

      1、拌和物性能指標(biāo)

      UHPC拌和物的流動(dòng)性和黏性對(duì)其在工程中的施工性能具有較大的影響[7]。不同UHPC的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)UHPC擴(kuò)展度低于550mm時(shí)，拌和物狀態(tài)偏黏稠，拌和物成型時(shí)無法自密實(shí)，需要振動(dòng)；當(dāng)UHPC的擴(kuò)展度在750~850mm時(shí)，拌和物流動(dòng)性較好；而UHPC擴(kuò)展度高于850mm時(shí)，拌和物狀態(tài)較稀，鋼纖維容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。因此，對(duì)于裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接用的UHPC，擴(kuò)展度建議在750~850mm范圍內(nèi)，而外墻裝飾和裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)用的UHPC，擴(kuò)展度也不宜低于650mm。

      對(duì)于含鋼纖維的UHPC，目前沒有有效的方法表征流變性，現(xiàn)有的流變儀測(cè)試裝置所測(cè)得的黏度系數(shù)并不準(zhǔn)確。擴(kuò)展時(shí)間則在一定程度上表征了其黏性。不同UHPC的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：在滿足650~850mm擴(kuò)展度要求的條件下，擴(kuò)展時(shí)間宜控制在3~10s；當(dāng)擴(kuò)展時(shí)間大于10s時(shí)，漿體黏性過大，不利于澆筑密實(shí)。擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失的時(shí)間間隔可以根據(jù)實(shí)際工程確定，擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失不宜大于100mm，經(jīng)時(shí)損失過大的UHPC表面容易結(jié)皮，不利于施工。

      2、力學(xué)性能指標(biāo)

      UHPC的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度以及抗拉性能。裝配式建筑中結(jié)構(gòu)類UHPC的用途與橋梁等工程中相近，技術(shù)指標(biāo)要求一致，裝飾類UHPC的力學(xué)性能指標(biāo)要求總體稍低。

      3、抗壓強(qiáng)度

      調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上UHPC的抗壓強(qiáng)度多分布在100~160MPa范圍內(nèi)，其中以120~150 MPa的產(chǎn)品居多，也有少部分UHPC的抗壓強(qiáng)度大于180MPa。裝飾類UHPC由于通常使用合成纖維代替鋼纖維，整體力學(xué)性能有所下降，通常在100~120MPa范圍內(nèi)。因此，建議裝配式建筑用結(jié)構(gòu)類的UHPC的抗壓強(qiáng)度不低于120MPa。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，120MPa的抗壓強(qiáng)度完全滿足建筑要求，強(qiáng)度過高會(huì)增加材料成本。裝配式建筑用裝飾類UHPC的抗壓強(qiáng)度不低于100MPa，以保證裝飾類UHPC纖維選擇的多樣性。

       4、彈性模量

      UHPC的彈性模量多分布在40~55GPa范圍內(nèi)，其中結(jié)構(gòu)類UHPC大多在40~55GPa范圍內(nèi)，裝飾類UHPC大多在40~50GPa范圍內(nèi)。因此，建議結(jié)構(gòu)類UHPC的彈性模量不低于45 GPa，裝飾類UHPC的彈性模量不低于40GPa。

      四、UHPC在裝配式建筑中應(yīng)用的局限性

      雖然UHPC在部分裝配式預(yù)制構(gòu)件如預(yù)制陽臺(tái)、走道、樓梯等中有了一定的應(yīng)用，并且UHPC裝配式節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)也已開始試點(diǎn)應(yīng)用，但UHPC想要在裝配式建筑中推廣，需推進(jìn)其在裝配式預(yù)制梁、柱中的應(yīng)用。然而，從耐久性來講，裝配式結(jié)構(gòu)建筑的服役環(huán)境通常為一般環(huán)境，對(duì)混凝土的耐久性能要求并不嚴(yán)格，非特殊情況下并不需要UHPC很高的耐久性能；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，UHPC的力學(xué)性能對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的富余量較大，盡管在設(shè)計(jì)過程中也可以通過降低構(gòu)件自重來變相降低UHPC的成本，但受制于結(jié)構(gòu)剛度問題而不能使構(gòu)件過于輕質(zhì)。據(jù)調(diào)研，目前應(yīng)用于工程中的結(jié)構(gòu)類UHPC價(jià)格在6 000~10 000元/m3，其成本為普通C40混凝土的10倍以上。總體而言，現(xiàn)階段裝配式建筑中大量使用UHPC的性價(jià)比太低，其推廣應(yīng)用有賴于UHPC成本的降低、全生命周期成本的核算和設(shè)計(jì)理論體系的完善。

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