超高性能混凝土的应用

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。

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。

1UHPC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。

2UHPC在装配式建筑中的应用

21 建筑外墙装饰

UHPC用于建筑外墙装饰是UHPC最重要也是最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。

智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应，自修复等多种功能的综合

UHPC拌和站包括配料机、斜皮带、控制室、主机架、计量系统、搅拌系统、外加剂系统、水路系统、气控系统、电控系统及配套粉料储存及供给系统。

骨料储料仓：是由储料仓、皮带机、计量斗支架及计量斗组成，储料仓为4斗储料仓，每斗容量为50m3。斜皮带机：斜皮带机采用普通皮带输送机，主要有头架、尾架、主机架、皮带、电动滚筒、改向装置、螺拉装置、平托辊、中间桁架、支腿及外设扶梯等组成。控制室：主控制室内有操作台、电气柜、微机系统、打印机、监控系统等，并装有空调。UHPC拌和站搅拌系统：该层上装有CO-NELE科尼乐机械公司生产的立轴UHPC搅拌机。由于行星式搅拌既有公转运动又有自转运动，所以运动轨迹复杂，立轴旋转时对物料进行剪切、挤压和翻转等复合运动，搅拌运动强烈，搅拌速度快，混凝土质量高；电机、减速机采用上支架式安装，减少主机的震动及噪音；混凝土与传动部分无直接接触，不存在双卧轴搅拌机的轴端漏桨问题；搅拌筒内衬板和叶片采用耐磨合金材料制造，保证衬板、叶片的耐磨损、抗冲击性能；该搅拌主机卸料采用液压弧门卸料，卸料门具有全开、半开、关闭三个位置，同时装有手动卸料装置以备突然停电时使用；搅拌机内可以根据用户需求配备混凝土塌落度测试仪、温度测试仪等检测设备，实时检测混凝土搅拌情况。混凝土塌落度及温度测试及控制说明，该设备可以根据用户需要配备湿度测试仪、温度测试仪等测试设备。

立轴式UHPC混凝土搅拌主机的使用是该搅拌站的一大特色，这种专用搅拌主机的使用为行业处理带来更具质量性的处理。

表1：普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土（活性粉末混凝土）材料性能对比 普通混凝土NSC 高性能混凝土HPC 超高性能混凝土UHPC 抗压强度(MPa) 20-40 40-96 170-227 水胶比 040-070 024-035 014-027 圆柱劈裂抗拉强度(MPa) 25-28 -- 68-24 最大骨料粒经(mm) 19-25 95-13 04-06 孔隙率 20-25% 10-15% 2-6% 孔尺寸(mm) -- -- 0000015 韧性 -- -- 比NSC大250倍 断裂能(kN-m/m) 01-15 -- 10-40 弹性模量(GPa) 14-41 31-55 55-62 断裂模量(第一条裂缝)(MPa) 28-41 55-83 165-220 极限抗弯强度(MPa) 20-62 透气性k(24小时40C)(mm) 3x10 0 0 吸水性(225小时)(kg/mm) 2x10 24x10 35x10 氯离子扩散系数(稳定状态扩散)(mm/s) 1x10 49x10 2x10 二氧化碳/硫酸盐渗透 -- -- 无 抗冻融性能 10%耐久 90%耐久 100%耐久 抗表面剥蚀性能 表面剥蚀量>1 表面剥蚀量008 表面剥蚀量001 泊松比 011-021 -- 019-024 徐变系数，Cu 235 16-19 02-08 收缩 -- 养护后40-80x10 养护后<x10无自生收缩 流动性(工作性)(mm) 测量坍落度 测量坍落度 150-155 含气量 4-8% 2-4% 0 超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论(densified particle packing)，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒(骨料)堆积的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰、矿粉)填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充。早在1931年，Andressen就建立了最大堆积密度理论的数学模型。然而，直到上世纪七十年代末，在高效减水剂技术与产品性能大幅度提高的基础上，采用该模型设计配制的第一代超高性能混凝土才在丹麦奥尔堡Cement og Beton Laboratiet(水泥与混凝土试验室)诞生，称作CRC(Compact Reinforced Composite，密实增强复合材料)。CRC与目前的UHPC达到基本相同的力学性能，最高抗压强度超过400MPa，使用烧结铝矾土作骨料，同时使用钢纤维提高材料的韧性，所以称作“复合材料”。受到当时高效减水剂性能的限制，CRC或早期UHPC比较粘滞，振捣密实较困难，还不便于现浇应用。上世纪九十年代，欧洲开展了合作研究项目，世界各地也广泛开展相关研究，这种材料获得一个新名称“活性粉末混凝土，简称RPC”。“超高性能混凝土UHPC”的名称形成于本世纪，因为与早期的CRC或RPC相比，随着设计理论的完善、超高效减水剂(聚羧酸系)问世和配制技术的进步，这种材料已具备了普通混凝土的施工性能，甚至可以实现自密实，可以常温养护，已经具备广泛应用的条件。

UHPC与普通混凝土或高性能混凝土不同的方面包括：不使用粗骨料，必须使用硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)，水泥用量较大，水胶比很低。UHPC的组成见表2。

表2：超高性能混凝土UHPC基本组成 kg/m 重量百分含量% 波特兰水泥(V型) 700-1010 270-380 硅灰 230-320 85-95 磨细石英砂 0-230 00-80 细砂 760-1050 390-410 金属纤维(~02x127mm) 150-190 55-80 高效减水剂 15-25 05-10 水 155-210 55-80 水/胶凝材料比 014-027 -- UHPC堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的UHPC力学性能接近刚结构，同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构，以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。目前，UHPC已经在一些实际工程中应用，如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁(实例见表3)、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳，等等。可以预计，还会有越来越多的应用。

表3：法国第一座UHPC公路桥梁混凝土组成和性能 组成材料 kg/m 性能 波特兰水泥 1114 坍落流动度 630～640 mm 硅灰 169 28d 特征抗压强度(fck) 175 MPa 0-6mm骨料 1072 28d 特征抗拉强度(ftk) 8 MPa 纤维： 03mm直径x20mm长 234 28d 特征裂后抗拉强度 91 MPa 高效减水剂 40 弹性模量 64 GPa 水 209 比重 2800 kg/m 水/胶凝材料比 019 参考文献：3rd International Symposium on HPC Proceedings: October 19-22, 2003 in Orlando, FL

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