超高性能混凝土（UHPC）在装配式建筑中的应用及质量控制指标


摘   要：分析了两类超高性能混凝土（UHPC）在装配式建筑中的应用前景与相应的质量指标体系。结果表明：结构类超高性能混凝土可用于装配式浆锚搭接与装配式预制构件中，建议其抗压强度不低于120 MPa、抗弯强度不低于14 MPa、抗拉强度不低于7 MPa；装饰类超高性能混凝土可用于装配式建筑外墙装饰，建议其抗压强度不低于100 MPa、抗弯强度不低于10 MPa、抗拉强度不低于5 MPa；装配式建筑用超高性能混凝土的28 d干缩不宜大于300 με，3 d自收缩不大于800 με，28 d氯离子扩散系数不宜大于0.30×10-12 m2/s。
关键词：超高性能混凝土；装配式建筑；拌合物性能；力学性能；收缩；抗氯离子渗透性能

前言

超高性能混凝土（以下简称UHPC）是近三十年内发展起来的一种新型水泥基复合材料，具有超高的力学性能和耐久性，并兼具良好的韧性、黏结性能和抗冲击、抗疲劳性能。近年来，随着UHPC制备技术的不断成熟，其性能的优越性逐步被大众认知，UHPC成为混凝土领域的研究热点，广泛用于结构、装饰、加固、快修、铺装、接缝填注等。但由于其成本较高，现阶段国内外UHPC的应用技术研究与试点工程主要停留在桥梁工程、建筑外墙装饰工程以及少量既有混凝土建筑的维修加固工程。许多专家学者积极探索UHPC在建筑结构工程中应用的可行性，其中，装配式建筑领域的应用备受关注。
本文从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。

1   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）市政工程，包括预制盖板、预制综合管廊、基础设施结构加固等。
综合UHPC用途与原材料组成体系的不同，将UHPC分为结构类UHPC和装饰类UHPC，见表1。


2   UHPC在装配式建筑中的应用


2.1   建筑外墙装饰
UHPC用于建筑外墙装饰是UHPC很重要也是很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以其超高强度、超高韧性和超高耐久性，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，同时也突出展现了超高性能材料在建筑装饰领域优越的综合性能和巨大的应用潜力。
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价值，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。
2.2   装配式浆锚搭接
对于装配式混凝土结构，其核心是可靠的钢筋连接技术。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[6]，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巨大风险。UHPC具有超高的抗压强度（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。
事实上，使用UHPC湿接缝连接构件率先在装配式桥梁工程中得到了成功的应用，如上海嘉敏高架预制装配式结构的梁-梁之间、盖梁-墩柱之间以及墩柱-承台之间的接缝连接，宁波机场路南延市政道路和轻轨一体化高架箱梁纵向接缝连接等。预制装配式桥梁与UHPC湿接缝组合的技术体系的成功应用为UHPC在装配式浆锚搭接方面的应用技术研究提供了基础。上海某公司在国内率先开展了UHPC用于装配式建筑浆锚连接的技术研究，通过大量试验，论证了当钢筋搭接长度为10d时，预制梁节点、柱节点、梁柱节点均可等同现浇，且部分性能优于现浇，有效缩短钢筋搭接长度，降低施工难度。
2.3   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，很终形成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超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。

3   装配式建筑用UHPC质量控制技术指标


为了保证装配式建筑用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。
3.1   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扩展度低于550 mm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750~850 mm时，拌和物流动性较好；而UHPC扩展度高于850 mm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750~850 mm范围内，而外墙装饰和装配式预制构件生产用的UHPC，扩展度也不宜低于650 mm。
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650~850 mm扩展度要求的条件下，扩展时间宜控制在3~10 s；当扩展时间大于10 s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100 mm，经时损失过大的UHPC表面容易结皮，不利于施工。
3.2   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。
      （1）抗压强度
调研发现，市场上UHPC的抗压强度多分布在100~160 MPa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180 MPa。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100~120 MPa范围内。因此，建议装配式建筑用结构类的UHPC的抗压强度不低于120 MPa。从结构设计角度，120 MPa的抗压强度完全满足建筑要求，强度过高会增加材料成本。装配式建筑用装饰类UHPC的抗压强度不低于100 MPa，以保证装饰类UHPC纤维选择的多样性。
      （2）弹性模量
UHPC的弹性模量多分布在40~55 GPa范围内，其中结构类UHPC大多在40~55 GPa范围内，装饰类UHPC大多在40~50 GPa范围内。因此，建议结构类UHPC的弹性模量不低于45 GPa，装饰类UHPC的弹性模量不低于40 GPa。
      （3）抗弯强度
UHPC的抗弯强度差异较大，相差约10~20 MPa，根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》对RPC120级（抗压强度≥120 MPa、抗折强度≥14 MPa）的规定，建议装配式建筑用结构类UHPC的抗弯强度不低于14 MPa。装饰类UHPC由于通常使用合成纤维代替钢纤维，抗弯强度很难超过15 MPa，故建议不低于10 MPa。
      （4）抗拉性能
UHPC的抗拉性能是区别于高强水泥基材料的一个关键性能指标，具体表现在抗拉强度、抗拉强度/弹性极限抗拉强度、抗拉应变三个指标。抗拉强度很大程度上取决于弹性极限抗拉强度，即与基体抗压强度的高低有较大相关性。抗拉强度/弹性极限抗拉强度反映了试件过弹性段后UHPC在应变硬化过程中的承载能力增长的空间，而抗拉应变反映了试件过弹性段后UHPC在应变硬化过程中应力随应变增加而不持续下降的很大变形空间。从设计要求和市场上UHPC抗拉性能的实际情况来看，结构类UHPC的抗拉强度一般要求不低于7 MPa，装饰类UHPC的抗拉强度要求不低于5 MPa。而对于拉伸变形行为，通常要求具有应变硬化特性，结构类UHPC建议抗拉强度/弹性极限抗拉强度≥1.1，极限抗拉应变≥1 500 με，装饰类UHPC的指标要求略有降低，建议抗拉强度/弹性极限抗拉强度≥1.0，极限抗拉应变≥1 000 με。
3.3   收缩
UHPC在各项拌和物性能、力学性能和耐久性能方面都表现优异，但收缩较大。这与UHPC的组成和配比有较大关系，UHPC在制备过程中去除了粗骨料，胶凝材料的用量大幅增加，导致UHPC抵抗收缩的能力大幅下降，带来较大的开裂风险。大量试验结果表明：UHPC的28 d干缩测试值在160~340 με，平均值约250 με；3 d的自收缩在700~1 100 με，平均值约800 με。在UHPC中掺加适量的膨胀剂可有效缓解UHPC收缩大的缺陷，但应注意膨胀剂的引入带来的安定性风险。从控制开裂的角度考虑，用于装配式建筑节点连接的现浇类UHPC的28 d干缩不大于300 με，3 d自收缩不大于800 με。采用热养护的预制类UHPC通常无需考虑材料的收缩影响。
3.4   抗氯离子渗透性能
UHPC由于采用较低水胶比、很紧密堆积理论等设计方法，使其具有超高的耐久性能，其抵抗各类侵蚀性介质侵入的能力与高性能混凝土相比有了进一步的提升，通常仅以抗氯离子渗透性能表征其耐久性能。法国标准中规定，常规UHPC的90 d氯离子扩散系数不应大于0.5×10-12 m2/s。通常UHPC的28 d氯离子扩散系数DRCM在0.10×10-12~0.70×10-12 m2/s，绝大部分小于0.30×10-12 m2/s。考虑28 d氯离子扩散系数与90 d氯离子扩散系数之间的时变性，与法国标准规定的结果一致。因此，建议装配式建筑用UHPC的氯离子扩散系数不超过0.30×10-12 m2/s。

4   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。

5   结语


（1）UHPC根据用途与原材料组成体系的不同，可分为结构类UHPC和装饰类UHPC。
（2） UHPC以其超高的强度、韧性和耐久性在装配式建筑领域具有较好的应用前景，其中装配式节点连接技术的研究与应用已逐步展开，预制楼梯和预制阳台等预制构件也已具备在装配式建筑中应用的可行性，未来可进一步探索UHPC建筑外装饰和UHPC构造柱、构造梁在装配式建筑中的应用技术。
（3）根据大量试验结果和经验资料，从拌合物性能、力学性能、收缩和抗氯离子渗透性能四个方面提出了装配式建筑用UHPC质量控制指标体系，可为装配式建筑中用到的UHPC的质量控制提供依据。