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UHPC在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

      一、UHPC分類

      根據(jù)對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）、裝配式預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接；

      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)計師可以突破材料的束縛，設(shè)計出輕盈優(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（以下簡稱MuCEM）為例，其鏤空圍護幕墻由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。

      2、裝配式漿錨搭接

      對于裝配式混凝土結(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度的局限性以及與鋼筋間的握裹力不足，導(dǎo)致設(shè)計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，進而給裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安全性帶來了巨大風(fēng)險。UHPC具有超高的抗壓強度（通常≥120 MPa），與傳統(tǒng)的水泥基灌漿材料相比，強度提升50%以上，與鋼筋的黏結(jié)強度提升40%~80%，并可有效降低搭接長度，降低灌注不飽滿的風(fēng)險。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“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的設(shè)計理念。

      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、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超高強度的優(yōu)勢對構(gòu)造柱進行截面尺寸削減可能會帶來結(jié)構(gòu)剛度不足的風(fēng)險。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方面對裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制指標(biāo)進行了分析。

      1、拌和物性能指標(biāo)

      UHPC拌和物的流動性和黏性對其在工程中的施工性能具有較大的影響[7]。不同UHPC的對比試驗結(jié)果表明：當(dāng)UHPC擴展度低于550mm時，拌和物狀態(tài)偏黏稠，拌和物成型時無法自密實，需要振動；當(dāng)UHPC的擴展度在750~850mm時，拌和物流動性較好；而UHPC擴展度高于850mm時，拌和物狀態(tài)較稀，鋼纖維容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。因此，對于裝配式建筑節(jié)點連接用的UHPC，擴展度建議在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，擴展度也不宜低于650mm。

      對于含鋼纖維的UHPC，目前沒有有效的方法表征流變性，現(xiàn)有的流變儀測試裝置所測得的黏度系數(shù)并不準(zhǔn)確。擴展時間則在一定程度上表征了其黏性。不同UHPC的對比試驗結(jié)果表明：在滿足650~850mm擴展度要求的條件下，擴展時間宜控制在3~10s；當(dāng)擴展時間大于10s時，漿體黏性過大，不利于澆筑密實。擴展度經(jīng)時損失的時間間隔可以根據(jù)實際工程確定，擴展度經(jīng)時損失不宜大于100mm，經(jīng)時損失過大的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)主要包括抗壓強度、彈性模量、抗彎強度以及抗拉性能。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、抗壓強度

      調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上UHPC的抗壓強度多分布在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的抗壓強度不低于120MPa。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，120MPa的抗壓強度完全滿足建筑要求，強度過高會增加材料成本。裝配式建筑用裝飾類UHPC的抗壓強度不低于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、走道、樓梯等中有了一定的應(yīng)用，并且UHPC裝配式節(jié)點連接技術(shù)也已開始試點應(yīng)用，但UHPC想要在裝配式建筑中推廣，需推進其在裝配式預(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，對混凝土的耐久性能要求并不嚴格，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)計來講，UHPC的力學(xué)性能對于裝配式結(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)計理論體系的完善。

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