超高性能混凝土預(yù)制構(gòu)件的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀*

黃興啟，張大偉，劉凱強(qiáng)，明陽，李玲，陳平，張國志，陳飛翔

（1. 山東高速鐵建裝備有限公司，山東 濰坊 262600；2. 桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3. 中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

量、提高效率、提高建造速度、減少人力投入、降低成本等方面都有很大的意義和優(yōu)勢[2]。本文將從 UHPC 預(yù)制構(gòu)件的材料組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計及工程應(yīng)用等方面對目前UHPC 預(yù)制構(gòu)件的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行簡單介紹。

1 UHPC 預(yù)制構(gòu)件材料組成

UHPC 作為當(dāng)今建筑行業(yè)重點(diǎn)研究的一種顆粒級配達(dá)到最優(yōu)的水泥基復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)、超韌性、超耐久性的特點(diǎn)。通常選用優(yōu)質(zhì)的水泥、活性較高的礦物摻合料、超細(xì)活性粉末（一般用硅灰）等作為膠凝材料，同時選用不同級配的細(xì)集料，摻入一定量的鋼纖維，在極低的水膠比與高效的減水劑作用下制備而成。其中添加高活性的礦物摻合料是為了取代一定量水泥，降低生產(chǎn)成本，提高固廢的資源化利用。使用超細(xì)活性

0 引言

混凝土預(yù)制構(gòu)件的理念早在 1917 年由法國的建筑師查爾斯·亨利·貝斯納德與工程師朱利安·皮埃爾·貝特朗·貝索諾共同研究并提出，通過“使用預(yù)制的鋼筋水泥材料實(shí)現(xiàn)快速建造過程”這一創(chuàng)新技術(shù)，建造了人類歷史上首座預(yù)制鋼筋混凝土。從此，利用混凝土預(yù)制構(gòu)件技術(shù)在大型公共建筑、集合住宅等領(lǐng)域有了不同程度的應(yīng)用。同時，關(guān)于預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化探索及工業(yè)化、輕質(zhì)化的建造理念也開始了不同程度的發(fā)展和應(yīng)用[1]。近年來超高性能混凝土（UHPC）出現(xiàn)并快速發(fā)展，已成為許多專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，其不但突破了水泥基材料的性能，還拓寬了許多應(yīng)用領(lǐng)域的邊界。UHPC 預(yù)制技術(shù)在工廠掌控條件下生產(chǎn)加工，在確保質(zhì)粉末是利用其粒徑小的特點(diǎn)，填充在較粗顆粒的堆積空隙中，以期改善拌合物的流變性，同時達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后能有效提高 UHPC 強(qiáng)度。為了 UHPC 成型時的流變性和后期強(qiáng)度，目前骨料主要選用不同級配的石英砂，可根據(jù)需求尋找可代替的細(xì)骨料，如回收處理的碎玻璃、陶粒等。纖維主要用于增強(qiáng) UHPC 的延展性和抗拉伸性，但由于纖維容易堆積，故對拌合物的流動性有一定的不良影響，而其類型對 UHPC 材料力學(xué)性能的影響很小。低水膠比為了減少孔隙率，提高力學(xué)性能。視工程需要及成本能耗等原因選擇不同的養(yǎng)護(hù)方式[3]。

目前在雙碳背景下，隨著專家學(xué)者對 UHPC 不斷的研究，利用固廢資源制造綠色建筑材料的理念已深入人心，這也使得 UHPC 的組成材料多樣化，根據(jù) UHPC預(yù)制構(gòu)件的用途可選擇不同的制備材料。當(dāng)下研究較多的膠凝體系材料有不同型號水泥、粉煤灰、硅灰、礦渣、玻璃粉、石灰石粉、偏高嶺土、石英粉等，目的是基于顆粒緊密堆積理論，尋找一種使結(jié)構(gòu)能夠更加密實(shí)，力學(xué)性能、耐久性與體積穩(wěn)定性等滿足基本要求的材料，并且能夠降低成本的礦物摻合料。

2 UHPC 預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前對于 UHPC 預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)團(tuán)體、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)歷時六年（2015～2021）已經(jīng)編寫完成，尚未發(fā)布，包括中國建材聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》和《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》等。最早進(jìn)行 UHPC 標(biāo)準(zhǔn)化制定的國家是法國，在 2018 年發(fā)布了 UHPC 的材料、設(shè)計和施工一系列全面的標(biāo)準(zhǔn)[4]。本文根據(jù)法國的 AFGC/SETRA 標(biāo)準(zhǔn)，簡要介紹 UHPC 構(gòu)件的設(shè)計方法。其中主要包括三個方面：一是對制備的 UHPC 性能進(jìn)行檢測；二是對所需的 UHPC 構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計和分析；三是對 UHPC 的耐久性做一定的考量。除此之外，還要考慮不同構(gòu)件種類的尺寸效應(yīng)系數(shù)和纖維分布造成的折減系數(shù)[1]。

國內(nèi)的一些學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也進(jìn)行了不同程度的研究。湖南大學(xué)的童漢元[5]基于修正壓力場理論建立了預(yù)應(yīng)力 UHPC-T 梁的抗剪分析模型，該模型能夠模擬抗剪加載全過程的受力變形，充分考慮在彎耦合作用下結(jié)構(gòu)抗剪性能的變化。該理論中主要對跨比、箍筋縱以及預(yù)應(yīng)力等因素進(jìn)行了考量，結(jié)果表明相關(guān)假定是合理的，修正壓力場理論適用于分析預(yù)應(yīng)力 UHPC 梁的抗剪承載力。其還將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與各個標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對照，結(jié)果表明建議公式能夠較好地預(yù)測預(yù)應(yīng)力 UHPC 梁的抗剪承載力，該建議公式也為 UHPC 梁抗剪設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。北京交通大學(xué)的張明波[6]通過試驗(yàn)，運(yùn)用非線性全過程分析的方法，結(jié)合現(xiàn)有鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計理論，進(jìn)行理論論證和計算分析研究，提出預(yù)應(yīng)力 RPC 梁的承載力計算方法、設(shè)計方法以及相應(yīng)的設(shè)計理論及參數(shù)。為預(yù)應(yīng)力 RPC 梁的承載力分析及合理設(shè)計提供了一個有效手段。洪彩葵[7]基于傳統(tǒng)施工模板的設(shè)計原則和荷載組合，從 UHPC 預(yù)制構(gòu)件的自身特點(diǎn)、工程要求以及荷載組合參數(shù)修正等方面對橋梁預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，UHPC 的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到預(yù)期要求。歐陽娜[8]對 UHPC-NC 組合構(gòu)件界面結(jié)合面處進(jìn)行有限元模擬研究，提出基于粘聚力和抗剪強(qiáng)度的 UHPC-NC 界面強(qiáng)度計算式，在接觸分離模型上構(gòu)建 3D 有限元計算模型并提出擬合數(shù)據(jù)，可為后期有限元計算提供參考。張青青[9]等基于 KCC 模型，在已有 UHPC 材料靜動載試驗(yàn)結(jié)果上，分別標(biāo)定 KCC模型的強(qiáng)度面、狀態(tài)方程及損傷參數(shù)，使其能準(zhǔn)確地描述 UHPC 構(gòu)件在強(qiáng)動載條件下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)建立 UHPC 構(gòu)件抗爆炸沖擊的數(shù)值模型奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

3 UHPC 預(yù)制構(gòu)件工程應(yīng)用

3.1 UHPC 預(yù)制構(gòu)件在裝配式建筑中的應(yīng)用

用于裝配式建筑的 UHPC 分為兩類：結(jié)構(gòu)類和裝飾類。結(jié)構(gòu)類 UHPC 包括預(yù)制構(gòu)件與漿錨搭接，裝飾類UHPC 有建筑外墻等。UHPC 在裝配式建筑中的一個重要應(yīng)用形式就是 UHPC 預(yù)制構(gòu)件，目前主要用在國內(nèi)的陽臺、走廊、樓梯等裝配式建筑中。在國外也有結(jié)構(gòu)柱和結(jié)構(gòu)梁的應(yīng)用。雖然 UHPC 預(yù)制構(gòu)件能夠很好地滿足裝配式建筑的工程質(zhì)量，但是 UHPC 在裝配式建筑中的發(fā)展受到制約，是因?yàn)槠涑杀据^高，力學(xué)性能和耐久性也遠(yuǎn)超出對裝配式建筑的要求，而且不能夠較好地減少自身的自重。其廣泛應(yīng)用還需 UHPC 設(shè)計理論體系的完善[10]。丹麥在此類工程中有著非常好的應(yīng)用，我國也應(yīng)該在裝配式建筑領(lǐng)域發(fā)展 UHPC 預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4]。UHPC 預(yù)制構(gòu)件在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑外圍護(hù)也有一定的應(yīng)用，像外墻飾面預(yù)制構(gòu)件、造型裝飾外墻、UHPC 外墻、光伏一體化外墻、夾心保溫外墻及再生混凝土外墻等[11]。隨著裝配式建筑快速發(fā)展，裝配式建筑預(yù)制外圍護(hù)構(gòu)件的質(zhì)量與創(chuàng)新面臨新的挑戰(zhàn)。只有不斷地適應(yīng)時代的需求，緊跟國內(nèi)外裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，才能讓 UHPC預(yù)制構(gòu)件在我國裝配式建筑發(fā)展中有更廣泛的應(yīng)用。

3.2 UHPC 預(yù)制構(gòu)件在橋梁拼裝施工中的應(yīng)用

中路杜拉公司在 2018 年建造的廣州北環(huán)高速擴(kuò)建 F 匝道橋，是中國第一座無筋預(yù)應(yīng)力體系 UHPC 橋梁，該橋 UHPC 結(jié)構(gòu)的預(yù)制梁具有預(yù)制化、輕型化、跨越能力好、施工便捷、成本低的特點(diǎn)。在 2019 年建成的南京長江五橋和湖南益陽青龍洲大橋也采用了預(yù)制 UHPC 橋面板，在工廠進(jìn)行 UHPC 濕接縫、鋼箱梁連接，制成鋼—UHPC 組合梁。其中南京長江五橋的UHPC 預(yù)制板由中交二航局負(fù)責(zé)生產(chǎn)，在 UHPC 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的各個過程中要求更進(jìn)一步的自動化、高效化、品質(zhì)化[4]。黃西軒[12]等人針對嚴(yán)酷條件下閾值拼裝橋墩的受力特性，提出了一種具有震后快速恢復(fù)功能的鋼—UHPC 組合節(jié)點(diǎn)的裝配式橋墩預(yù)制構(gòu)件。鋼—UHPC 組合節(jié)點(diǎn)由Ⅰ型鋼柱、C30 混凝土和Ⅰ型鋼構(gòu)成的組合梁、摩擦阻尼器和 UHPC 板、加勁板組合的連接件構(gòu)成。針對設(shè)計構(gòu)件的抗震性能，進(jìn)行低周期加載試驗(yàn)，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)的開裂模式、應(yīng)力狀態(tài)、耗能比例等抗震性能評價參數(shù)。結(jié)果表明鋼—UHPC 組合節(jié)點(diǎn)的裝配式橋墩預(yù)制構(gòu)件具有一定的抗震性能。史華偉[13]通過對UHPC 在橋梁全預(yù)制拼裝施工中的應(yīng)用分析，提出在運(yùn)輸或安裝過程中對預(yù)制構(gòu)件成品保護(hù)，在安裝前對預(yù)制構(gòu)件安裝質(zhì)量的控制，保證施工的質(zhì)量。UHPC 作為新型水泥基材料，其超高強(qiáng)度、高韌性和低滲透率的特點(diǎn)，在未來將賦與橋梁工程強(qiáng)大的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于橋梁工程中。

3.3 UHPC 預(yù)制構(gòu)件在建筑幕墻或外立面的應(yīng)用

UHPC 預(yù)制構(gòu)件在建筑幕墻或外立面也有較多的應(yīng)用實(shí)例。如 2018 年落成的深圳悅彩城展示中心，是中國第一個由弧形鏤空板和弧形實(shí)心板在 UHPC 預(yù)混料噴射下建成的 UHPC 幕墻。余杭文化藝術(shù)中心幕墻所用的 UHPC 板以預(yù)混料澆筑成型，生產(chǎn)速率可高達(dá) 700平方米/天，是當(dāng)前中國 UHPC 領(lǐng)域應(yīng)用最大的工程項(xiàng)目。上海音樂學(xué)院歌劇院具有裝飾性的幕墻采用 UHPC預(yù)混料澆筑而成，具有工作性能優(yōu)異、澆筑造型良好、操作便捷、成本低的特點(diǎn)。溫州甌江路景觀項(xiàng)目外立面也是用 UHPC 預(yù)混料澆筑而成的 3D 鏤空幕墻[4]。結(jié)合目前 UHPC 預(yù)制構(gòu)件的發(fā)展和應(yīng)用來看，UHPC 預(yù)制構(gòu)件在建筑幕墻或外立面的應(yīng)用較為普遍。

4 總結(jié)

UHPC 在國內(nèi)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)涌出不少專于 UHPC 的研究團(tuán)隊，主要集中在部分高校、企業(yè)中，已成為中國 UHPC 技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展不可或缺的力量。與此同時，預(yù)制混凝土以其獨(dú)特的生產(chǎn)工藝，及具有施工速度快、經(jīng)濟(jì)成本低、材料利用率高、碳排放少、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)的混凝土現(xiàn)場澆筑方式。UHPC 預(yù)制構(gòu)件在兩者的優(yōu)勢結(jié)合下有了新的應(yīng)用前景。目前 UHPC 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)應(yīng)用大部分是在住房與公共建筑用的墻板、樓板、樓梯、梁、柱、陽臺等及具有裝飾性的幕墻等方面。由于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，原材料成本高，UHPC 預(yù)制構(gòu)件自重問題有待解決等，很大程度上制約了其普遍應(yīng)用[14]。雖然 UHPC 預(yù)制構(gòu)件項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢大、有很好的發(fā)展前景，但是項(xiàng)目生產(chǎn)也存在規(guī)模大、所需土地資源也大的問題，因此要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀磺闆r，以節(jié)約用地、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)保衛(wèi)生、安全生產(chǎn)為原則，對 UHPC 預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃[15]。同時我們應(yīng)從材料本身的特性著手，結(jié)合綠色建材的理念，針對不同的應(yīng)用場景需求，將 UHPC 預(yù)制構(gòu)件朝著工業(yè)化、多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。