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


摘   要：分析了兩類超高性能混凝土（UHPC）在裝配式建筑中的應(yīng)用前景與相應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)體系。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)類超高性能混凝土可用于裝配式漿錨搭接與裝配式預(yù)制構(gòu)件中，建議其抗壓強(qiáng)度不低于120 MPa、抗彎強(qiáng)度不低于14 MPa、抗拉強(qiáng)度不低于7 MPa；裝飾類超高性能混凝土可用于裝配式建筑外墻裝飾，建議其抗壓強(qiáng)度不低于100 MPa、抗彎強(qiáng)度不低于10 MPa、抗拉強(qiáng)度不低于5 MPa；裝配式建筑用超高性能混凝土的28 d干縮不宜大于300 με，3 d自收縮不大于800 με，28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)不宜大于0.30×10-12 m2/s。
關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；裝配式建筑；拌合物性能；力學(xué)性能；收縮；抗氯離子滲透性能

前言

超高性能混凝土（以下簡稱UHPC）是近三十年內(nèi)發(fā)展起來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，隨著UHPC制備技術(shù)的不斷成熟，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)用的可行性，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。

1   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(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UHPC和裝飾類UHPC，見表1。


2   UHPC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很重要也是很為廣泛的應(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)。
2.2   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[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。
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-承臺之間的接縫連接，寧波機(jī)場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)。上海某公司在國內(nèi)率先開展了UHPC用于裝配式建筑漿錨連接的技術(shù)研究，通過大量試驗(yàn)，論證了當(dāng)鋼筋搭接長度為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，很終形成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)勢對構(gòu)造柱進(jìn)行截面尺寸削減可能會帶來結(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)。

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(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)UHPC擴(kuò)展度低于550 mm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；當(dāng)UHPC的擴(kuò)展度在750~850 mm時(shí)，拌和物流動性較好；而UHPC擴(kuò)展度高于850 mm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，對于裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接用的UHPC，擴(kuò)展度建議在750~850 mm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650 mm。
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(kuò)展時(shí)間則在一定程度上表征了其黏性。不同UHPC的對比試驗(yàn)結(jié)果表明：在滿足650~850 mm擴(kuò)展度要求的條件下，擴(kuò)展時(shí)間宜控制在3~10 s；當(dāng)擴(kuò)展時(shí)間大于10 s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100 mm，經(jīng)時(shí)損失過大的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。
      （1）抗壓強(qiáng)度
調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上UHPC的抗壓強(qiáng)度多分布在100~160 MPa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180 MPa。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100~120 MPa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120 MPa。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，120 MPa的抗壓強(qiáng)度完全滿足建筑要求，強(qiáng)度過高會增加材料成本。裝配式建筑用裝飾類UHPC的抗壓強(qiáng)度不低于100 MPa，以保證裝飾類UHPC纖維選擇的多樣性。
      （2）彈性模量
UHPC的彈性模量多分布在40~55 GPa范圍內(nèi)，其中結(jié)構(gòu)類UHPC大多在40~55 GPa范圍內(nèi)，裝飾類UHPC大多在40~50 GPa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40 GPa。
      （3）抗彎強(qiáng)度
UHPC的抗彎強(qiáng)度差異較大，相差約10~20 MPa，根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》對RPC120級（抗壓強(qiáng)度≥120 MPa、抗折強(qiáng)度≥14 MPa）的規(guī)定，建議裝配式建筑用結(jié)構(gòu)類UHPC的抗彎強(qiáng)度不低于14 MPa。裝飾類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15 MPa，故建議不低于10 MPa。
      （4）抗拉性能
UHPC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，即與基體抗壓強(qiáng)度的高低有較大相關(guān)性。抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度反映了試件過彈性段后UHPC在應(yīng)變硬化過程中的承載能力增長的空間，而抗拉應(yīng)變反映了試件過彈性段后UHPC在應(yīng)變硬化過程中應(yīng)力隨應(yīng)變增加而不持續(xù)下降的很大變形空間。從設(shè)計(jì)要求和市場上UHPC抗拉性能的實(shí)際情況來看，結(jié)構(gòu)類UHPC的抗拉強(qiáng)度一般要求不低于7 MPa，裝飾類UHPC的抗拉強(qiáng)度要求不低于5 MPa。而對于拉伸變形行為，通常要求具有應(yīng)變硬化特性，結(jié)構(gòu)類UHPC建議抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度≥1.1，極限抗拉應(yīng)變≥1 500 με，裝飾類UHPC的指標(biāo)要求略有降低，建議抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度≥1.0，極限抗拉應(yīng)變≥1 000 με。
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，帶來較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明：UHPC的28 d干縮測試值在160~340 με，平均值約250 με；3 d的自收縮在700~1 100 με，平均值約800 με。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的安定性風(fēng)險(xiǎn)。從控制開裂的角度考慮，用于裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接的現(xiàn)澆類UHPC的28 d干縮不大于300 με，3 d自收縮不大于800 με。采用熱養(yǎng)護(hù)的預(yù)制類UHPC通常無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、很緊密堆積理論等設(shè)計(jì)方法，使其具有超高的耐久性能，其抵抗各類侵蝕性介質(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透性能表征其耐久性能。法國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，常規(guī)UHPC的90 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)不應(yīng)大于0.5×10-12 m2/s。通常UHPC的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM在0.10×10-12~0.70×10-12 m2/s，絕大部分小于0.30×10-12 m2/s?？紤]28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)與90 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的時(shí)變性，與法國標(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0.30×10-12 m2/s。

4   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(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?？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


（1）UHPC根據(jù)用途與原材料組成體系的不同，可分為結(jié)構(gòu)類UHPC和裝飾類UHPC。
（2） UHPC以其超高的強(qiáng)度、韌性和耐久性在裝配式建筑領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，其中裝配式節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐步展開，預(yù)制樓梯和預(yù)制陽臺等預(yù)制構(gòu)件也已具備在裝配式建筑中應(yīng)用的可行性，未來可進(jìn)一步探索UHPC建筑外裝飾和UHPC構(gòu)造柱、構(gòu)造梁在裝配式建筑中的應(yīng)用技術(shù)。
（3）根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)資料，從拌合物性能、力學(xué)性能、收縮和抗氯離子滲透性能四個(gè)方面提出了裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制指標(biāo)體系，可為裝配式建筑中用到的UHPC的質(zhì)量控制提供依據(jù)。