UHPC超高性能混凝土在裝配式建筑中的應(yīng)用及質(zhì)量控制指標(biāo)概述

超高性能混凝土(以下簡(jiǎn)稱UHPC)是近三十年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一種新型水泥基復(fù)合材料,具有超高的力學(xué)性能和耐久性，并兼具良好的韌性、黏結(jié)性能和抗沖擊、抗疲勞性能。近年來(lái)，隨看UHPC制備技術(shù)的不斷成熟z其性能的優(yōu)越性逐步被大眾認(rèn)知，UHPC成為混凝土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),廣泛用于結(jié)構(gòu)、裝飾、加固、快修、鋪裝、接縫填注等。但由于其成本較高，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外UHPC的應(yīng)用技術(shù)研究與試點(diǎn)工程主要停留在橋梁工程、建筑外墻裝飾工程以及少量既有混凝土建筑的維修加固工程。許多專家學(xué)者積極探索UHPC在建筑結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的可彳亍性,其中，裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。本文從UHPC的分類(lèi)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。1UHPC分類(lèi)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(lèi)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(yáng)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。綜合UHPC用途與原材料組成體系的不同，將UHPC分為結(jié)構(gòu)類(lèi)UHPC和裝飾類(lèi)UHPC,見(jiàn)表1。表1L1IPC的分類(lèi)類(lèi)?!原材料組成與材性特點(diǎn)用途應(yīng)用效果預(yù)制構(gòu)件（結(jié)構(gòu)承而＞橋而板、全預(yù)制L1IPC梁降低橋梁結(jié)溝口帀，降低商跨比.延K服役壽砒提離命爭(zhēng)命周期經(jīng)濟(jì)性結(jié)梅類(lèi)堆強(qiáng)纖維通常為制纖維；對(duì)抗扳淺度?抗拉侵度及刼性的炊求橋梁工祥濕接縫為怏速世造橋梁提供了可駆的結(jié)構(gòu)連接方法較離臣筑構(gòu)件連搖酋代??套筒注漿二大幅減小萇縫寬反、簡(jiǎn)化按握配飭和方便施L蔓礎(chǔ)役施的結(jié)構(gòu)加的施I：簡(jiǎn)單.顯苦改禪混凝上結(jié)構(gòu)嚴(yán)酪晦獨(dú)壞境F的服役右命使用白水泥?介成纖維施料;時(shí)顏色?外觀質(zhì)抗孝性能有較離的?求?對(duì)抗壓強(qiáng)庭航拉強(qiáng)度要求井不嚴(yán)格建筑外堵板、樓梯?陽(yáng)臺(tái)等飮制構(gòu)件大輜降低構(gòu)件尺寸?役計(jì)出輕盈優(yōu)美的結(jié)構(gòu)外形?也珂節(jié)約寶贄的建筑空何2UHPC在裝配式建筑中的應(yīng)用2.1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z包括鏤空幕墻、遮陽(yáng)阪三明治保溫墻板、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(guó)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(lèi)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(lái)也可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)各種類(lèi)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)。2.2裝酉己式漿錨搭接對(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[6],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(guò)程中鋼筋搭接過(guò)長(zhǎng)，施工過(guò)程中易出現(xiàn)灌注不飽滿的問(wèn)題，進(jìn)而給裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安全性帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)。UHPC具有超高的抗壓強(qiáng)度（通常＞120MPa），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(zhǎng)度,降低灌注不飽滿的風(fēng)險(xiǎn)。此夕卜,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。事實(shí)上,使用UHPC濕接縫連接構(gòu)件率先在裝配式橋梁工程中得到了成功的應(yīng)用,如上海嘉敏高架預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的梁-梁之間、蓋梁-墩柱之間以及墩柱-承臺(tái)之間的接縫連接，寧波機(jī)場(chǎng)路南延市政道路和輕軌一體化高架箱梁縱向接縫連接等。預(yù)制裝配式橋梁與UHPC濕接縫組合的技術(shù)體系的成功應(yīng)用為UHPC在裝配式漿錨搭接方面的應(yīng)用技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)。上海某公司在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了UHPC用于裝配式建筑漿錨連接的技術(shù)硏究，通過(guò)大量試驗(yàn),論證了當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為10d時(shí),預(yù)制梁節(jié)點(diǎn)、柱節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)均可等同現(xiàn)澆,且部分性能優(yōu)于現(xiàn)澆,有效縮短鋼筋搭接長(zhǎng)度,降低施工難度。2.3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(yáng)臺(tái)、走道、樓梯等。國(guó)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(25-40cm)與高度(2.89-8.79m)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(guò)高的問(wèn)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(lái)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(lái)做基礎(chǔ)。3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。3.1拌和物性能指標(biāo)UHPC拌和物的流動(dòng)性和黏性對(duì)具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(wú)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650mmo對(duì)于含鋼纖維的UHPC,目前沒(méi)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(guò)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(guò)大的UHPC表面容易結(jié)皮,不利于施工。3.2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(lèi)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(lèi)UHPC的力學(xué)性能指標(biāo)要求總體稍低?？箟簭?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120-150MPa的產(chǎn)品居多，也有少部分UHPC的抗壓強(qiáng)度大于180MPa。裝飾類(lèi)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(lèi)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(guò)高會(huì)增加材料成本。裝配式建筑用裝飾類(lèi)UHPC的抗壓強(qiáng)度不低于100MPa,以保證裝飾類(lèi)UHPC纖維選擇的多樣性。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(lèi)UHPC大多在40~55GPa范圍內(nèi)，裝飾類(lèi)UHPC大多在40-50GPa范圍內(nèi)。因此,建議結(jié)構(gòu)類(lèi)UHPC的彈性模量不低于45GPa,裝飾類(lèi)UHPC的彈性模量不低于40GPa?？箯潖?qiáng)度UHPC的抗彎強(qiáng)度差異較大,相差約10-20MPa,根據(jù)GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》對(duì)RPC120^抗壓強(qiáng)度“20MPa、抗折強(qiáng)度星4MPa)的規(guī)定,建議裝配式建筑用結(jié)構(gòu)類(lèi)UHPC的抗彎強(qiáng)度不低于14MPa。裝飾類(lèi)UHPC由于通常使用合成纖維代替鋼纖維,抗彎強(qiáng)度很難超過(guò)15MPa,故建議不低于10MPa?？估阅躑HPC的抗拉性能是區(qū)別于高強(qiáng)水泥基材料的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，具體表現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度、抗拉應(yīng)變?nèi)齻€(gè)指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度很大程度上取決于彈性極限抗拉強(qiáng)度z即與基體抗壓強(qiáng)度的高低有較大相關(guān)性。抗拉強(qiáng)度刈單性極限抗拉強(qiáng)度反映了試件過(guò)彈性段后UHPC在應(yīng)變硬化過(guò)程中的承載能力增長(zhǎng)的空間,而抗拉應(yīng)變反映了試件過(guò)彈性段后UHPC在應(yīng)變硬化過(guò)程中應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣怀掷m(xù)下降的最大變形空間。從設(shè)計(jì)要求和市場(chǎng)上UHPC抗拉性能的實(shí)際情況來(lái)看,結(jié)構(gòu)類(lèi)UHPC的抗拉強(qiáng)度一般要求不低于7MPa,裝飾類(lèi)UHPC的抗拉強(qiáng)度要求不低于5MPa。而對(duì)于拉伸變形行為,通常要求具有應(yīng)變硬化特性,結(jié)構(gòu)類(lèi)UHPC建議抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度nl.l,極限抗拉應(yīng)變nl500pe,裝飾類(lèi)UHPC的指標(biāo)要求略有降低,建議抗拉強(qiáng)度月單性極限抗拉強(qiáng)度“.0,極限抗拉應(yīng)變nl0002。3.3收縮UHPC在各項(xiàng)拌和物性能、力學(xué)性能和耐久性能方面都表現(xiàn)優(yōu)異，但收縮較大。這與UHPC的組成和配比有較大關(guān)系，UHPC在制備過(guò)程中去除了粗骨料，膠凝材料的用量大幅增加,導(dǎo)致UHPC抵抗收縮的能力大幅下降，帶來(lái)較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明：UHPC的28d干縮測(cè)試值在160-340pe,平均值約250pe;3d的自收縮在700-1100pe,平均值約800尖。在UHPC中摻加適量的膨脹劑可有效緩解UHPC收縮大的缺陷，但應(yīng)注意膨脹劑的引入帶來(lái)的安定性風(fēng)險(xiǎn)。從控制開(kāi)裂的角度考慮,用于裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接的現(xiàn)澆類(lèi)UHPC的28d干縮不大于300|J8,3d自收縮不大于800叫采用熱養(yǎng)護(hù)的預(yù)制類(lèi)UHPC通常無(wú)需考慮材料的收縮影響。3.4抗氯離子滲透性能UHPC由于采用較低水膠比、最緊密堆積理論等設(shè)計(jì)方法，使其具有超高的耐久性能具抵抗各類(lèi)侵蝕性介質(zhì)侵入的能力與高性能混凝土相比有了進(jìn)一步的提升通常僅以抗氯離子滲誘性能表征其耐久性能。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，常規(guī)UHPC的90d氯離子擴(kuò)散系數(shù)不應(yīng)大于0.5x10-12m2/so通常UHPC的28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM在0.10x10-12-0.70x10-12m2/s,絕大部分小于0.30x10-12m2/so考慮28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)與90d氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的時(shí)變性,與法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)果一致。因此,建議裝配式建筑用UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)不超過(guò)0.30x10-12m2/so4UHPC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(yáng)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(kāi)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(lái)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(lái)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(guò)程中也可以通過(guò)降低構(gòu)件自重來(lái)變相降低UHPC的成本，但受制于結(jié)構(gòu)剛度問(wèn)題而不能使構(gòu)件過(guò)于輕質(zhì)。據(jù)調(diào)硏,目前應(yīng)用于工程中的結(jié)構(gòu)類(lèi)UHPC價(jià)格在6000-10000元/m3,其成本為普通C40混凝土的10倍以上?？傮w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。5結(jié)語(yǔ)(l)UHPC根據(jù)用途