超高性能混凝土（UHPC）在裝配式建筑中的應用及質量控制指標


摘   要：分析了兩類超高性能混凝土（UHPC）在裝配式建筑中的應用前景與相應的質量指標體系。結果表明：結構類超高性能混凝土可用于裝配式漿錨搭接與裝配式預制構件中，建議其抗壓強度不低于120 MPa、抗彎強度不低于14 MPa、抗拉強度不低于7 MPa；裝飾類超高性能混凝土可用于裝配式建筑外墻裝飾，建議其抗壓強度不低于100 MPa、抗彎強度不低于10 MPa、抗拉強度不低于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氯離子擴散系數不宜大于0.30×10-12 m2/s。
關鍵詞：超高性能混凝土；裝配式建筑；拌合物性能；力學性能；收縮；抗氯離子滲透性能

前言

超高性能混凝土（以下簡稱UHPC）是近三十年內發展起來的一種新型水泥基復合材料，具有超高的力學性能和耐久性，并兼具良好的韌性、黏結性能和抗沖擊、抗疲勞性能。近年來，隨著UHPC制備技術的不斷成熟，其性能的優越性逐步被大眾認知，UHPC成為混凝土領域的研究熱點，廣泛用于結構、裝飾、加固、快修、鋪裝、接縫填注等。但由于其成本較高，現階段國內外UHPC的應用技術研究與試點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。許多專家學者積極探索UHPC在建筑結構工程中應用的可行性，其中，裝配式建筑領域的應用備受關注。
本文從UHPC的分類出發，分析UHPC在裝配式建筑領域的應用前景，在此基礎上提出裝配式建筑用UHPC的質量控制指標體系，以期推動UHPC在裝配式建筑領域的應用。

1   UHPC分類


根據對UHPC應用現狀的調研，UHPC的主要應用工程類別及部位如下：
      （1）橋梁工程，包括現澆橋面鋪裝、橋梁濕接縫、預制橋面板、橋面鋪裝、預制箱梁；
      （2）建筑工程，包括建筑外墻裝飾板、小型預制構件（樓梯、陽臺）、裝配式預制構件節點連接；
      （3）市政工程，包括預制蓋板、預制綜合管廊、基礎設施結構加固等。
綜合UHPC用途與原材料組成體系的不同，將UHPC分為結構類UHPC和裝飾類UHPC，見表1。


2   UHPC在裝配式建筑中的應用


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用領域之一，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，使其能夠在滿足結構承載力的要求下，減少結構橫截面的尺寸，做到輕質薄壁，讓建筑設計師可以突破材料的束縛，設計出輕盈優美的結構外形。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了地中海文化和手工藝的悠久傳統，同時也突出展現了超高性能材料在建筑裝飾領域優越的綜合性能和巨大的應用潛力。
雖然目前建筑外墻裝飾類UHPC更多地用于標志性和創意性建筑中以體現其藝術價值，但未來也可產業化生產各種類型的UHPC標準板，拓展其在裝配式建筑里的應用，發揮UHPC輕薄、耐久性好的優點。
2.2   裝配式漿錨搭接
對于裝配式混凝土結構，其核心是可靠的鋼筋連接技術。目前，除鋼筋套筒灌漿連接外，濕接縫連接的應用也比較多，而漿錨搭接是濕縫連接的一種[6]，鋼筋漿錨搭接是指在預制混凝土構件中預留孔道，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，導致設計過程中鋼筋搭接過長，施工過程中易出現灌注不飽滿的問題，進而給裝配式混凝土結構的安全性帶來了巨大風險。UHPC具有超高的抗壓強度（通常≥120 MPa），與傳統的水泥基灌漿材料相比，強度提升50%以上，與鋼筋的黏結強度提升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制構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“強節點、弱構件”的設計理念。
事實上，使用UHPC濕接縫連接構件率先在裝配式橋梁工程中得到了成功的應用，如上海嘉敏高架預制裝配式結構的梁-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。預制裝配式橋梁與UHPC濕接縫組合的技術體系的成功應用為UHPC在裝配式漿錨搭接方面的應用技術研究提供了基礎。上海某公司在國內率先開展了UHPC用于裝配式建筑漿錨連接的技術研究，通過大量試驗，論證了當鋼筋搭接長度為10d時，預制梁節點、柱節點、梁柱節點均可等同現澆，且部分性能優于現澆，有效縮短鋼筋搭接長度，降低施工難度。
2.3   裝配式預制構件
UHPC制作的裝配式混凝土預制構件是UHPC在裝配式建筑結構中應用的另外一個重要方向，目前主要的裝配式UHPC預制構件包括各種風格形態的薄板薄壁預制陽臺、走道、樓梯等。國外也有部分標志性建筑探索了UHPC預制結構柱和結構梁的應用，如MuCEM歐洲地中海博物館中大量使用UHPC立柱作為結構支撐，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預制構造柱還有成本過高的問題，若想發揮UHPC超高強度的優勢對構造柱進行截面尺寸削減可能會帶來結構剛度不足的風險。因此，UHPC預制柱和預制梁在裝配式建筑中的應用有待UHPC結構設計研究成果來做基礎。

3   裝配式建筑用UHPC質量控制技術指標


為了保證裝配式建筑用UHPC的質量，從拌和物性能、力學性能、收縮和抗氯離子滲透性能四個方面對裝配式建筑用UHPC質量控制指標進行了分析。
3.1   拌和物性能指標
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的對比試驗結果表明：當UHPC擴展度低于550 mm時，拌和物狀態偏黏稠，拌和物成型時無法自密實，需要振動；當UHPC的擴展度在750~850 mm時，拌和物流動性較好；而UHPC擴展度高于850 mm時，拌和物狀態較稀，鋼纖維容易出現離析現象。因此，對于裝配式建筑節點連接用的UHPC，擴展度建議在750~850 mm范圍內，而外墻裝飾和裝配式預制構件生產用的UHPC，擴展度也不宜低于650 mm。
對于含鋼纖維的UHPC，目前沒有有效的方法表征流變性，現有的流變儀測試裝置所測得的黏度系數并不準確。擴展時間則在一定程度上表征了其黏性。不同UHPC的對比試驗結果表明：在滿足650~850 mm擴展度要求的條件下，擴展時間宜控制在3~10 s；當擴展時間大于10 s時，漿體黏性過大，不利于澆筑密實。擴展度經時損失的時間間隔可以根據實際工程確定，擴展度經時損失不宜大于100 mm，經時損失過大的UHPC表面容易結皮，不利于施工。
3.2   力學性能指標
UHPC的力學性能指標主要包括抗壓強度、彈性模量、抗彎強度以及抗拉性能。裝配式建筑中結構類UHPC的用途與橋梁等工程中相近，技術指標要求一致，裝飾類UHPC的力學性能指標要求總體稍低。
      （1）抗壓強度
調研發現，市場上UHPC的抗壓強度多分布在100~160 MPa范圍內，其中以120~150 MPa的產品居多，也有少部分UHPC的抗壓強度大于180 MPa。裝飾類UHPC由于通常使用合成纖維代替鋼纖維，整體力學性能有所下降，通常在100~120 MPa范圍內。因此，建議裝配式建筑用結構類的UHPC的抗壓強度不低于120 MPa。從結構設計角度，120 MPa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，其中結構類UHPC大多在40~55 GPa范圍內，裝飾類UHPC大多在40~50 GPa范圍內。因此，建議結構類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）抗彎強度
UHPC的抗彎強度差異較大，相差約10~20 MPa，根據GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》對RPC120級（抗壓強度≥120 MPa、抗折強度≥14 MPa）的規定，建議裝配式建筑用結構類UHPC的抗彎強度不低于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的抗拉性能是區別于高強水泥基材料的一個關鍵性能指標，具體表現在抗拉強度、抗拉強度/彈性極限抗拉強度、抗拉應變三個指標。抗拉強度很大程度上取決于彈性極限抗拉強度，即與基體抗壓強度的高低有較大相關性。抗拉強度/彈性極限抗拉強度反映了試件過彈性段后UHPC在應變硬化過程中的承載能力增長的空間，而抗拉應變反映了試件過彈性段后UHPC在應變硬化過程中應力隨應變增加而不持續下降的很大變形空間。從設計要求和市場上UHPC抗拉性能的實際情況來看，結構類UHPC的抗拉強度一般要求不低于7 MPa，裝飾類UHPC的抗拉強度要求不低于5 MPa。而對于拉伸變形行為，通常要求具有應變硬化特性，結構類UHPC建議抗拉強度/彈性極限抗拉強度≥1.1，極限抗拉應變≥1 500 με，裝飾類UHPC的指標要求略有降低，建議抗拉強度/彈性極限抗拉強度≥1.0，極限抗拉應變≥1 000 με。
3.3   收縮
UHPC在各項拌和物性能、力學性能和耐久性能方面都表現優異，但收縮較大。這與UHPC的組成和配比有較大關系，UHPC在制備過程中去除了粗骨料，膠凝材料的用量大幅增加，導致UHPC抵抗收縮的能力大幅下降，帶來較大的開裂風險。大量試驗結果表明：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，但應注意膨脹劑的引入帶來的安定性風險。從控制開裂的角度考慮，用于裝配式建筑節點連接的現澆類UHPC的28 d干縮不大于300 με，3 d自收縮不大于800 με。采用熱養護的預制類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計方法，使其具有超高的耐久性能，其抵抗各類侵蝕性介質侵入的能力與高性能混凝土相比有了進一步的提升，通常僅以抗氯離子滲透性能表征其耐久性能。法國標準中規定，常規UHPC的90 d氯離子擴散系數不應大于0.5×10-12 m2/s。通常UHPC的28 d氯離子擴散系數DRCM在0.10×10-12~0.70×10-12 m2/s，絕大部分小于0.30×10-12 m2/s。考慮28 d氯離子擴散系數與90 d氯離子擴散系數之間的時變性，與法國標準規定的結果一致。因此，建議裝配式建筑用UHPC的氯離子擴散系數不超過0.30×10-12 m2/s。

4   UHPC在裝配式建筑中應用的局限性


雖然UHPC在部分裝配式預制構件如預制陽臺、走道、樓梯等中有了一定的應用，并且UHPC裝配式節點連接技術也已開始試點應用，但UHPC想要在裝配式建筑中推廣，需推進其在裝配式預制梁、柱中的應用。然而，從耐久性來講，裝配式結構建筑的服役環境通常為一般環境，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；從結構設計來講，UHPC的力學性能對于裝配式結構預制構件的富余量較大，盡管在設計過程中也可以通過降低構件自重來變相降低UHPC的成本，但受制于結構剛度問題而不能使構件過于輕質。據調研，目前應用于工程中的結構類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，現階段裝配式建筑中大量使用UHPC的性價比太低，其推廣應用有賴于UHPC成本的降低、全生命周期成本的核算和設計理論體系的完善。

5   結語


（1）UHPC根據用途與原材料組成體系的不同，可分為結構類UHPC和裝飾類UHPC。
（2） UHPC以其超高的強度、韌性和耐久性在裝配式建筑領域具有較好的應用前景，其中裝配式節點連接技術的研究與應用已逐步展開，預制樓梯和預制陽臺等預制構件也已具備在裝配式建筑中應用的可行性，未來可進一步探索UHPC建筑外裝飾和UHPC構造柱、構造梁在裝配式建筑中的應用技術。
（3）根據大量試驗結果和經驗資料，從拌合物性能、力學性能、收縮和抗氯離子滲透性能四個方面提出了裝配式建筑用UHPC質量控制指標體系，可為裝配式建筑中用到的UHPC的質量控制提供依據。