UHPC高性能混凝土的制作过程和UHPC在装配式建筑中的应用

时间：2022-08-20

UHPC凝固前流体良好的流动性，为的塑形提供了工艺支持，现代数字加工技术为模种制作创造提供了支撑。弹性高分子材料为模具制作，造型还原提供了工业化生产。从UHPC的分类出发，分析UHPC在装配式建筑领域的应用前景，在此基础上提出装配式建筑用UHPC的质量控制指标体系，以期推动UHPC在装配式建筑领域的应用。

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一、UHPC分类

根据对UHPC应用现状的调研，UHPC的主要应用工程类别及部位如下：

1、桥梁工程，包括现浇桥面铺装、桥梁湿接缝、预制桥面板、桥面铺装、预制箱梁；

2、建筑工程，包括建筑外墙装饰板、小型预制构件（楼梯、阳台）、装配式预制构件节点连接；

3、工程，包括预制盖板、预制综合管廊、基础设施结构加固等。

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二、UHPC在装配式建筑中的应用

1、建筑外墙装饰

UHPC用于建筑外墙装饰是UHPC较重要也是较为广泛的应用领域之一，包括镂空幕墙、遮阳板、三明治保温墙板、干挂或湿贴装饰面板等。UHPC以其高强度、高韧性和高耐久性，使其能够在满足结构承载力的要求下，减少结构横截面的尺寸，做到轻质薄壁，让建筑设计师可以突破材料的束缚，设计出轻盈优美的结构外形。以法国马塞Marseille圣让港的欧洲和地中海文化博物馆（以下简称MuCEM）为例，其镂空围护幕墙由UHPC建造而成，制作精美。精致华丽的花纹体现了地中海文化和手工艺的悠久传统，同时也展现了高性能材料在建筑装饰领域优越的综合性能和的应用潜力。

虽然目前建筑外墙装饰类UHPC更多地用于标志性和创意性建筑中以体现其艺术，但未来也可产业化生产各种类型的UHPC标准板，拓展其在装配式建筑里的应用，发挥UHPC轻薄、耐久性好的优点。

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2、装配式浆锚搭接

对于装配式混凝土结构，其是的钢筋连接技术。目前，除钢筋套筒灌浆连接外，湿接缝连接的应用也比较多，而浆锚搭接是湿缝连接的一种，钢筋浆锚搭接是指在预制混凝土构件中预留孔道，在孔道中插入需搭接的钢筋，并灌注水泥基材料进行锚固的搭接方式。传统的钢筋浆锚搭接连接由于锚固材料强度的局限性以及与钢筋间的握裹力不足，导致设计过程中钢筋搭接过长，施工过程中易出现灌注不饱满的问题，进而给装配式混凝土结构的安全性带来了风险。UHPC具有高的抗压强度（通常≥120 MPa），与传统的水泥基灌浆材料相比，强度提升50%以上，与钢筋的黏结强度提升40%~80%，并可有效降低搭接长度，降低灌注不饱满的风险。此外，采用UHPC作为钢筋浆锚搭接连接的锚固材料能大幅提高预制构件连接处的承载能力，包括抗疲劳、抗震、抗裂性能以及耐久性，符合装配式建筑“强节点、弱构件”的设计理念。

3、装配式预制构件

UHPC制作的装配式混凝土预制构件是UHPC在装配式建筑结构中应用的另外一个重要方向，目前主要的装配式UHPC预制构件包括各种风格形态的薄板薄壁预制阳台、走道、楼梯等。国外也有部分标志性建筑探索了UHPC预制结构柱和结构梁的应用，如MuCEM欧洲地中海博物馆中大量使用UHPC立柱作为结构支撑，立柱采用了三种形式：直立柱、Y型柱、N型柱。柱子的直径（25~40 cm）与高度（2.89~8.79 m）都不同，较终形成80种不同的组合。但在装配式建筑中采用UHPC预制构造柱还有成本过高的问题，若想发挥UHPC高强度的优势对构造柱进行截面尺寸削减可能会带来结构刚度不足的风险。因此，UHPC预制柱和预制梁在装配式建筑中的应用有待UHPC结构设计研究成果来做基础。

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三、装配式建筑用UHPC质量控制技术指标

为了装配式建筑用UHPC的质量，从拌和物性能、力学性能、收缩和抗氯离子渗透性能四个方面对装配式建筑用UHPC质量控制指标进行了分析。

1、拌和物性能指标

UHPC拌和物的流动性和黏性对其在工程中的施工性能具有较大的影响[7]。不同UHPC的对比试验结果表明：当UHPC扩展度550mm时，拌和物状态偏黏稠，拌和物成型时无法自密实，需要振动；当UHPC的扩展度在750~850mm时，拌和物流动性较好；而UHPC扩展度850mm时，拌和物状态较稀，钢纤维容易出现离析现象。因此，对于装配式建筑节点连接用的UHPC，扩展度建议在750~850mm范围内，而外墙装饰和装配式预制构件生产用的UHPC，扩展度也不宜650mm。

对于含钢纤维的UHPC，目前没有有效的方法表征流变性，现有的流变仪测试装置所测得的黏度系数并不准确。扩展时间则在一定程度上表征了其黏性。不同UHPC的对比试验结果表明：在满足650~850mm扩展度要求的条件下，扩展时间宜控制在3~10s；当扩展时间大于10s时，浆体黏性过大，不利于浇筑密实。扩展度经时损失的时间间隔可以根据实际工程确定，扩展度经时损失不宜大于100mm，经时损失过大的UHPC表面容易结皮，不利于施工。

2、力学性能指标

UHPC的力学性能指标主要包括抗压强度、弹性模量、抗弯强度以及抗拉性能。装配式建筑中结构类UHPC的用途与桥梁等工程中相近，技术指标要求一致，装饰类UHPC的力学性能指标要求总体稍低。

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3、抗压强度

调研发现，市场上UHPC的抗压强度多分布在100~160MPa范围内，其中以120~150 MPa的产品居多，也有少部分UHPC的抗压强度大于180MPa。装饰类UHPC由于通常使用合成纤维代替钢纤维，整体力学性能有所下降，通常在100~120MPa范围内。因此，建议装配式建筑用结构类的UHPC的抗压强度不120MPa。从结构设计角度，120MPa的抗压强度满足建筑要求，强度过高会增加材料成本。装配式建筑用装饰类UHPC的抗压强度不100MPa，以装饰类UHPC纤维选择的多样性。

4、弹性模量

UHPC的弹性模量多分布在40~55GPa范围内，其中结构类UHPC大多在40~55GPa范围内，装饰类UHPC大多在40~50GPa范围内。因此，建议结构类UHPC的弹性模量不45 GPa，装饰类UHPC的弹性模量不40GPa。

四、UHPC在装配式建筑中应用的局限性

虽然UHPC在部分装配式预制构件如预制阳台、走道、楼梯等中有了一定的应用，并且UHPC装配式节点连接技术也已开始试点应用，但UHPC想要在装配式建筑中推广，需推进其在装配式预制梁、柱中的应用。然而，从耐久性来讲，装配式结构建筑的服役环境通常为一般环境，对混凝土的耐久性能要求并不严格，非特殊情况下并不需要UHPC很高的耐久性能；从结构设计来讲，UHPC的力学性能对于装配式结构预制构件的富余量较大，尽管在设计过程中也可以通过降低构件自重来变相降低UHPC的成本，但受制于结构刚度问题而不能使构件过于轻质。据调研，目前应用于工程中的结构类UHPC价格在6 000~10 000元/m3，其成本为普通C40混凝土的10倍以上。总体而言，现阶段装配式建筑中大量使用UHPC的性价比太低，其推广应用有赖于UHPC成本的降低、全生命周期成本的核算和设计理论体系的完善。

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