淺談UHPC在建筑中的應(yīng)用

韓阿慧 王 超 曹娟麗

1西安長安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司（710061） 2中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司（210001）

0 前言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，普通混凝土已經(jīng)無法滿足建筑工程對(duì)強(qiáng)度、耐久性和可靠性的要求，其在施工應(yīng)用中也存在病態(tài)起砂、自重較大、承載效率低等問題。UHPC（超高性能混凝土）有著超細(xì)顆粒的特點(diǎn)及自密實(shí)性能，使其在建筑應(yīng)用中能精確復(fù)制模具的幾何圖案，在圖形、質(zhì)感和外形上具有超強(qiáng)的塑造能力和無限的可能性，幾乎可以填充或構(gòu)建任何復(fù)雜幾何形狀，這是傳統(tǒng)混凝土無法比擬的。而且密實(shí)的表面結(jié)構(gòu)也大幅提升了構(gòu)件的表觀形象及抗污性能，美觀且便于清潔。UHPC的應(yīng)用促進(jìn)了建筑設(shè)計(jì)的多樣化。

1 UHPC的概念

UHPC是一種由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、高強(qiáng)短細(xì)纖維和減水劑等加水拌合，經(jīng)凝 結(jié)硬化后形成的具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性能的水泥基復(fù)合材料[1]。這些優(yōu)異的性能很大程度上歸功于混凝土密實(shí)度的提高。高效減水劑的應(yīng)用使混凝土在減少用水量的同時(shí)保持較高的流動(dòng)性，降低了硬化混凝土的孔隙率、減少了硬化混凝土的內(nèi)部缺陷，有效地阻止了外部有害介質(zhì)的侵入；同時(shí)參考堆積模型設(shè)計(jì)合適的配合比，剔除粗骨料。制定良好的顆粒級(jí)配，也可以提高堆積密實(shí)度，進(jìn)而獲得更高的強(qiáng)度。表1給出了UHPC與普通混凝土的性能對(duì)比[2]。

表1 UHPC與普通混凝土的性能對(duì)比

2 UHPC在建筑方面的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于大鏤空率建筑構(gòu)造

相較于傳統(tǒng)的硅酸鹽混凝土，UHPC的優(yōu)異性能為大鏤空率建筑的實(shí)現(xiàn)提供了可行性，在減輕幕墻重量及建筑物自重的同時(shí)，兼顧了美觀、采光等需求。法國昂熱JEAN BOUIN體育場采用這種大鏤空UHPC作為外立面，而且在屋頂創(chuàng)造性地將玻璃鑲嵌在UHPC構(gòu)件中，使得安裝過程一步到位。這種大鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅提高了透光率，而且不影響遮陽效果。法國馬賽的地中海與歐洲文明博物館（MuCEM）[3]全部用混凝土構(gòu)造，建筑師充分運(yùn)用UHPC的特點(diǎn)，使建筑結(jié)構(gòu)變得更加精致、美觀。

2.2 應(yīng)用于幕墻、掛板等建筑裝飾

三沙文體館幕墻項(xiàng)目[4]采用了UHPC材料自支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)理念，使用大鏤空率超大尺寸穿孔板，完全依靠UHPC自身的優(yōu)異力學(xué)性能實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)意圖，UHPC優(yōu)異的抗彎性能既保證了這種異形大鏤空率構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)，又保證了構(gòu)件的耐久性與美觀性。加拿大魁北克的Stafoy時(shí)尚購物中心有一個(gè)5層樓的停車場，該建筑以UHPC鏤空構(gòu)件和鋁板作為組合幕墻，并借助UHPC的超高性能使其實(shí)現(xiàn)自承重。在達(dá)成新穎美麗外觀的同時(shí)，也避免了普通配筋混凝土?xí)S時(shí)間腐蝕的問題，美觀實(shí)用。法國南部RATP汽車站充分利用了UHPC高流動(dòng)性的特點(diǎn)，在封閉的模具中澆筑出預(yù)制構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了幕墻、地面、屋面及連接轉(zhuǎn)角的預(yù)制拼裝。摩洛哥概念特斯拉高鐵站[5]榮獲2019年法國凡爾賽建筑獎(jiǎng)（The Prix Versailles）“外觀特別獎(jiǎng)”，高鐵站外立面大約由4 275塊（寬1.37 m、高 1.18 m）三角形 UHPC板組成；為了在兼顧外形美觀的同時(shí)保證建筑的強(qiáng)度，施工單位利用UHPC高強(qiáng)、高韌性、較高流動(dòng)性的特點(diǎn)，不但確保了設(shè)計(jì)的原始形狀（三角形，大多數(shù)的項(xiàng)目為矩形板設(shè)計(jì)），同時(shí)還滿足了客戶的期望和設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意。

2.3 UHPC在樓梯等建筑構(gòu)件中的應(yīng)用

由于UHPC具有高強(qiáng)度和高抗彎抗折性能，使用UHPC材料時(shí)不必像傳統(tǒng)的樓梯那樣需要在下方澆筑成塊，做出的樓梯新穎美觀，看似弱不禁風(fēng)，實(shí)則安全實(shí)用。如圖1所示，Eva Jiricna用UHPC在倫敦的地標(biāo)性建筑薩默塞特宮制造出一個(gè)優(yōu)雅的螺旋樓梯[6]。圖2為一例北美的UHPC螺旋樓梯，樓梯采用的是雙鋼梁支撐結(jié)構(gòu)，一塊塊黑色的樓梯踏步都是用UHPC預(yù)制成型的；樓梯踏步通過不銹鋼支架和預(yù)留在踏步板上的兩個(gè)明孔用螺栓進(jìn)行固定連接；UHPC樓梯踏步非常纖薄，一般平均厚度為20 mm，前折板邊緣的厚度只有15 mm。法國Tour La Marseillaise（馬賽塔）采用了UHPC預(yù)制構(gòu)件作為遮陽構(gòu)件，UHPC細(xì)膩的質(zhì)感和優(yōu)異的耐久性在地中海強(qiáng)烈的日光和海風(fēng)中成為最佳選擇。

圖1 薩默塞特宮螺旋樓梯（左）

圖2 北美某UHPC螺旋樓梯（右）

2.4 在通道、管道等連接、運(yùn)輸方面的應(yīng)用

法國馬賽的地中海與歐洲文明博物館（MuCEM）內(nèi)部空間與外部之間有一條浮在空中的UHPC通道，走廊位于立柱與建筑中心之間，并且環(huán)繞著博物館。在博物館的屋頂有一座長達(dá)115 m、跨度為76 m的UHPC人行橋，橋面僅4 cm厚，其連接著博物館與對(duì)岸的圣讓堡，是最細(xì)的混凝土通道之一，UHPC實(shí)現(xiàn)了普通混凝土無法實(shí)現(xiàn)的效果。

白楊河引水工程輸水管工程區(qū)地處中亞腹地，該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境中含有豐富的硫酸鹽物質(zhì)，故凍融作用和化學(xué)侵蝕十分嚴(yán)重，這就對(duì)輸水管原材料的選擇帶來很大的困擾。塔城地區(qū)白楊河引水工程輸水管道高性能混凝土耐久性試驗(yàn)[7]證明，UHPC在耐久性、抗腐蝕性、抗?jié)B和抗凍性等方面遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。盡管UHPC的制造成本高于普通混凝土，但以達(dá)到同樣效果為標(biāo)準(zhǔn)，UHPC更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。該工程為UHPC在管道輸送類工程中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.5 在輸電塔等方面的應(yīng)用

輸電塔的腐蝕問題是工程中的常見問題[8]。西北鹽堿地區(qū)輸電塔工程地處強(qiáng)腐蝕鹽漬土地區(qū)，干濕和凍融交替作用明顯，輸電塔基礎(chǔ)易受到比較嚴(yán)重的腐蝕，導(dǎo)致桿塔傾斜甚至倒塌，嚴(yán)重影響輸變電線路的安全和正常運(yùn)行?；赨HPC優(yōu)異的材料性能，將UHPC制作為外套筒與普通混凝土共同組成UHPC-NC組合樁基礎(chǔ)[9]，有效提升了輸電塔基礎(chǔ)在鹽堿地區(qū)的抗腐蝕能力。

3 思考與展望

如今，為了提高建筑業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高建筑的整體質(zhì)量，降低建筑成本，降低物耗、能耗和噪聲污染，改善施工環(huán)境，我國正大力推廣建筑工業(yè)化。由于UHPC具有超高抗壓強(qiáng)度、高抗剪、高抗折強(qiáng)度及韌性、耐久性優(yōu)良等特點(diǎn)，建筑結(jié)構(gòu)使用UHPC后的服役年限更長；在相同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求下，混凝士構(gòu)件截面減小、自重減輕，并且可以減少配筋量，工藝簡單，節(jié)省工程的綜合造價(jià)。展望未來，UHPC在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域必將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景，極大地促進(jìn)建筑工業(yè)化。