建筑工程中超高性能混凝土的应用研究

建筑工程中超高性能混凝土的应用研究

兰雨  ,宋伟杰

4210021996****3827  4208021996****0017

摘要：随着超高层建筑、高速铁路、地下空间、海上平台、核反应堆安全壳、军事防护工程等特殊建筑结构的迅猛发展，对混凝土的耐腐蚀性、耐久性和恶劣环境下的服役寿命提出了更高的要求，大流态、高韧性、高耐久性、高密实性成为混凝土技术工作者们的研究热点。在此背景下，超高性能混凝土（以下简称UHPC）应运而生。本文对UHPC的设计原理、制备、性能、应用等方面进行介绍和总结，以期为UHPC在我国建筑领域的扩大化应用提供参考。

关键词：超高性能混凝土；性能；制备技术；建筑工程；工程应用

一、UHPC的定义

自UHPC研发以来，国内外学者对UHPC的定义一直有着不同的理解，目前还没有统一认定的定义。

我国最早介绍UHPC的是覃维祖教授，他将RPC称为UHPC。此后，UHPC的研究及应用受到国内众多学者的重视。重庆大学王冲教授采用常规原材料，通过传统混凝土制备技术，获得了抗压强度大于150MPa的超高强混凝土，并提出了特超强高性能混凝土的概念。东南大学孙伟院士通过二元激发和多重复合技术解决了大掺量工业废渣混凝土存在的早期强度低、易碳化、收缩率高等技术难题，最大程度地做到了节能环保，并把此类混凝土称为生态UHPC。我国GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》中定义RPC为水泥、矿物掺合料等活性粉末材料、细骨料、外加剂、高强度微细钢纤维或有机合成纤维、水等原材料生产的超高强增韧混凝土；T/CECS864—2021《超高性能混凝土试验方法标准》定义UHPC为由水泥、矿物掺合料、骨料、纤维、外加剂、水等原材料制备成的具有超高力学性能、超高抗渗性能的高韧性水泥基复合材料。综上可知，UHPC为以水泥为基础，与硅灰、粉煤灰等掺合料复合而成多元胶凝体系，通过纤维增强韧性，具备超高力学性能、抗渗性能、韧性及耐久性能的高性能混凝土。

二、UHPC的制备原理及性能研究

2.1 UHPC的制备原理

20世纪70年代，丹麦学者BACHE利用超细硅灰和减水剂组合，发明了细料致密法，该方法基于颗粒学原理和紧密堆积理论模型，通过优化材料各组分的颗粒尺寸，激发各类胶凝材料的水化活性，实现了颗粒的最紧密堆积，制备了均匀的高密实材料，为UHPC的制备奠定了理论基础。我国学者阎培渝教授提出UHPC配制技术应包含：①提高匀质性，减少材料内部缺陷；②提高堆积密度；③改善微观结构；④提高韧性。他还认为，为了消除缺陷及不利影响，可以通过去除粒径大于1mm的粗骨料，以改善内部结构的均匀性，强化浆体与骨料的界面，降低界面过渡区Ca(OH)2的富集程度，降低孔隙率。福州大学陈宝春等认为UHPC制备途径有：①剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于300μm；②为增大骨料的密实度而优化各尺寸级配，实现骨料的最紧密堆积；③掺入超细活性粉煤灰、超细硅粉等工业废渣作矿物掺合料，充分发挥其填充效应，优化水化环境以降低孔隙率及孔径，可优化材料内部孔结构；④采用加压、热养护等养护方式减少材料在硬化过程中的化学收缩，将C-S-H转化为托贝莫来石，改善材料的微观结构；⑤通过掺入钢纤维，改善材料延性。

综上所述，探索UHPC不同原材料的堆积模型，实现UHPC配合比的科学化设计与定量化突破，通过不同材料尺寸的合理复掺，采用使UHPC均匀性和密实性的制备技术和快速养护方式，是制备UHPC的关键。

2.2 UHPC的性能研究

UHPC除了具有超高的力学性能外，其韧性也十分优异。研究发现，掺入不同尺寸的端钩型和平直型钢纤维时，对UHPC的增韧效果显著，两者的体积掺量分别为1%时，钢纤维-UHPC界面的黏结性能最佳，拉拔峰值都达173.19N。程俊等通过SEM对比了UHPC拔出纤维表面和端部形貌，分析了钢纤维的增韧效果，发现钢纤维被拔出后，端部和表面粘结大量的“球状”碎屑，且表面有“切削”痕迹，当钢纤维的体积掺量为2%时，钢纤维-UHPC基体的黏结性能最佳。UHPC受荷载时，混凝土通过纤维-水泥浆界面将荷载传递至纤维，再依托纤维-混凝土间的黏结力使UHPC具有良好的韧性，采用表面改性剂可改变纤维表面的疏水性，优化纤维-混凝土的界面过渡区薄弱层，提高纤维桥接应力，进一步改善纤维-UHPC基体的黏结性能。

三、UHPC在建筑领域的应用

3.1建筑外墙装饰

UHPC最早应用于加拿大魁北克省的Sherbrooke人行桥，但随着各国学者对UHPC研究的不断深入，在满足力学及耐久性能要求外，还希望其外表面具有一定的装饰美感，使用UHPC建造的装饰结构轻巧美观，坚固耐用，深受建筑设计师的青睐。UHPC在建筑外立面的应用有镂空幕墙、外挂墙板、干挂或湿贴装饰面板、三明治保温墙板、遮阳板等。我国最早将UHPC应用在建筑外立面的是深圳的深业上城LOFT项目。UHPC格栅外立面由锚栓连接在一起，与上部楼层混凝土钢结构龙骨形成一个整体框架，格栅样式的UHPC板具有超高的镂空率，增强了建筑采光空间，使立面效果更加丰富。

3.2装配式建筑

鉴于UHPC的诸多优异性能，将其用于制作各种装配式结构中是UHPC在建筑领域的一个重要发展方向。目前UHPC主要装配式建筑应用包括阳台、飘窗、楼梯等小型预制构件，以及各类建筑外墙装饰板、装配式预制构件节点连接。采用UHPC预制室外楼梯、阳台、镂空外立面、轻型雨棚部品，经计算发现，UHPC轻型楼梯部品预估价和普通钢筋混凝土基本相当。

四、UHPC在建筑领域应用中存在的问题

4.1 UHPC的成本

制备UHPC的原材料品质要求高、价格不菲，其市售价格在7000～10000元/m3，是高强混凝土的10倍以上，而在UHPC总材料成本构成中，纤维增强材料比重最大，达到UHPC总材料成本的一半以上，一般建筑的服役环境对混凝土的一些性能要求并不苛刻，非特殊环境采用高强混凝土即可满足结构力学及耐久性要求。因此，UHPC的成本成为其在建筑领域推广应用的一大阻力。

4.2 UHPC的推广

目前，虽然UHPC在建筑外立面、装配式建筑、结构加固维护及工业建筑中有了一定的应用，但我国在建筑领域推广应用UHPC的难度较大，主要原因有：①国内建筑市场对使用新材料、新工艺持保守态度，存在畏难及怕担责情绪；②尽管很多大型项目在结构设计时鼓励采用UHPC或其他新型材料，但由于我国建筑项目大多实行最低价竞标，使建筑企业使用价格成本较高的UHPC新材料的意愿及积极性相对较低。

结语

（1）UHPC凭借其优异的力学性能、韧性、耐久性能和体积稳定性在各种大跨径桥梁、高速铁路、核电站、地下空间、海上平台等大型工程项目中得到应用，但在一般房屋建筑、工业建筑、装配式建筑、建筑加固修复等领域的应用并不多，相关研究也相对较少， 需要深入、 系统地进行研究，降低UHPC工程应用技术难度，解决产品单一的问题。

（2）国内UHPC工业化应用及标准规范普遍处于初级发展阶段，还需在深入研究的基础上编制系统、科学的标准体系。

（3）随着我国建筑行业逐渐向工业化、装配化、智能化方向转变，UHPC制备、成型、设计、施工等研究日趋成熟，UHPC在建筑领域的应用必将越来越广。

参考文献：

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