摘 要:分析了兩類超高性能混凝土(UHPC)在裝配式建筑中的應(yīng)用前景與相應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)體系。結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)類超高性能混凝土可用于裝配式漿錨搭接與裝配式預(yù)制構(gòu)件中,建議其抗壓強(qiáng)度不低于120 MPa、抗彎強(qiáng)度不低于14 MPa、抗拉強(qiáng)度不低于7 MPa;裝飾類超高性能混凝土可用于裝配式建筑外墻裝飾,建議其抗壓強(qiáng)度不低于100 MPa、抗彎強(qiáng)度不低于10 MPa、抗拉強(qiáng)度不低于5 MPa;裝配式建筑用超高性能混凝土的28 d干縮不宜大于300 με,3 d自收縮不大于800 με,28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)不宜大于0.30×10-12 m2/s。
關(guān)鍵詞:超高性能混凝土;裝配式建筑;拌合物性能;力學(xué)性能;收縮;抗氯離子滲透性能
前言
超高性能混凝土(以下簡(jiǎn)稱UHPC)是近三十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新型水泥基復(fù)合材料,具有超高的力學(xué)性能和耐久性,并兼具良好的韌性、黏結(jié)性能和抗沖擊、抗疲勞性能。近年來,隨著UHPC制備技術(shù)的不斷成熟,其性能的優(yōu)越性逐步被大眾認(rèn)知,UHPC成為混凝土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),廣泛用于結(jié)構(gòu)、裝飾、加固、快修、鋪裝、接縫填注等。但由于其成本較高,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外UHPC的應(yīng)用技術(shù)研究與試點(diǎn)工程主要停留在橋梁工程、建筑外墻裝飾工程以及少量既有混凝土建筑的維修加固工程。許多專家學(xué)者積極探索UHPC在建筑結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的可行性,其中,裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。
本文從UHPC的分類出發(fā),分析UHPC在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景,在此基礎(chǔ)上提出裝配式建筑用UHPC的質(zhì)量控制指標(biāo)體系,以期推動(dòng)UHPC在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。
1 UHPC分類
根據(jù)對(duì)UHPC應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研,UHPC的主要應(yīng)用工程類別及部位如下:
(1)橋梁工程,包括現(xiàn)澆橋面鋪裝、橋梁濕接縫、預(yù)制橋面板、橋面鋪裝、預(yù)制箱梁;
(2)建筑工程,包括建筑外墻裝飾板、小型預(yù)制構(gòu)件(樓梯、陽臺(tái))、裝配式預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接;
(3)市政工程,包括預(yù)制蓋板、預(yù)制綜合管廊、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)加固等。
綜合UHPC用途與原材料組成體系的不同,將UHPC分為結(jié)構(gòu)類UHPC和裝飾類UHPC,見表1。
2 UHPC在裝配式建筑中的應(yīng)用
2.1 建筑外墻裝飾
UHPC用于建筑外墻裝飾是UHPC很重要也是很為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域之一,包括鏤空幕墻、遮陽板、三明治保溫墻板、干掛或濕貼裝飾面板等。UHPC以其超高強(qiáng)度、超高韌性和超高耐久性,使其能夠在滿足結(jié)構(gòu)承載力的要求下,減少結(jié)構(gòu)橫截面的尺寸,做到輕質(zhì)薄壁,讓建筑設(shè)計(jì)師可以突破材料的束縛,設(shè)計(jì)出輕盈優(yōu)美的結(jié)構(gòu)外形。以法國(guó)馬塞Marseille圣讓港的歐洲和地中海文化博物館(以下簡(jiǎn)稱MuCEM)為例,其鏤空圍護(hù)幕墻由UHPC建造而成,制作精美。精致華麗的花紋體現(xiàn)了地中海文化和手工藝的悠久傳統(tǒng),同時(shí)也突出展現(xiàn)了超高性能材料在建筑裝飾領(lǐng)域優(yōu)越的綜合性能和巨大的應(yīng)用潛力。
雖然目前建筑外墻裝飾類UHPC更多地用于標(biāo)志性和創(chuàng)意性建筑中以體現(xiàn)其藝術(shù)價(jià)值,但未來也可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)各種類型的UHPC標(biāo)準(zhǔn)板,拓展其在裝配式建筑里的應(yīng)用,發(fā)揮UHPC輕薄、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)。
2.2 裝配式漿錨搭接
對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu),其核心是可靠的鋼筋連接技術(shù)。目前,除鋼筋套筒灌漿連接外,濕接縫連接的應(yīng)用也比較多,而漿錨搭接是濕縫連接的一種[6],鋼筋漿錨搭接是指在預(yù)制混凝土構(gòu)件中預(yù)留孔道,在孔道中插入需搭接的鋼筋,并灌注水泥基材料進(jìn)行錨固的搭接方式。傳統(tǒng)的鋼筋漿錨搭接連接由于錨固材料強(qiáng)度的局限性以及與鋼筋間的握裹力不足,導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中鋼筋搭接過長(zhǎng),施工過程中易出現(xiàn)灌注不飽滿的問題,進(jìn)而給裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安全性帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。UHPC具有超高的抗壓強(qiáng)度(通?!?20 MPa),與傳統(tǒng)的水泥基灌漿材料相比,強(qiáng)度提升50%以上,與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度提升40%~80%,并可有效降低搭接長(zhǎng)度,降低灌注不飽滿的風(fēng)險(xiǎn)。此外,采用UHPC作為鋼筋漿錨搭接連接的錨固材料能大幅提高預(yù)制構(gòu)件連接處的承載能力,包括抗疲勞、抗震、抗裂性能以及耐久性,符合裝配式建筑“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念。
事實(shí)上,使用UHPC濕接縫連接構(gòu)件率先在裝配式橋梁工程中得到了成功的應(yīng)用,如上海嘉敏高架預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的梁-梁之間、蓋梁-墩柱之間以及墩柱-承臺(tái)之間的接縫連接,寧波機(jī)場(chǎng)路南延市政道路和輕軌一體化高架箱梁縱向接縫連接等。預(yù)制裝配式橋梁與UHPC濕接縫組合的技術(shù)體系的成功應(yīng)用為UHPC在裝配式漿錨搭接方面的應(yīng)用技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)。上海某公司在國(guó)內(nèi)率先開展了UHPC用于裝配式建筑漿錨連接的技術(shù)研究,通過大量試驗(yàn),論證了當(dāng)鋼筋搭接長(zhǎng)度為10d時(shí),預(yù)制梁節(jié)點(diǎn)、柱節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)均可等同現(xiàn)澆,且部分性能優(yōu)于現(xiàn)澆,有效縮短鋼筋搭接長(zhǎng)度,降低施工難度。
2.3 裝配式預(yù)制構(gòu)件
UHPC制作的裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件是UHPC在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的另外一個(gè)重要方向,目前主要的裝配式UHPC預(yù)制構(gòu)件包括各種風(fēng)格形態(tài)的薄板薄壁預(yù)制陽臺(tái)、走道、樓梯等。國(guó)外也有部分標(biāo)志性建筑探索了UHPC預(yù)制結(jié)構(gòu)柱和結(jié)構(gòu)梁的應(yīng)用,如MuCEM歐洲地中海博物館中大量使用UHPC立柱作為結(jié)構(gòu)支撐,立柱采用了三種形式:直立柱、Y型柱、N型柱。柱子的直徑(25~40 cm)與高度(2.89~8.79 m)都不同,很終形成80種不同的組合。但在裝配式建筑中采用UHPC預(yù)制構(gòu)造柱還有成本過高的問題,若想發(fā)揮UHPC超高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)對(duì)構(gòu)造柱進(jìn)行截面尺寸削減可能會(huì)帶來結(jié)構(gòu)剛度不足的風(fēng)險(xiǎn)。因此,UHPC預(yù)制柱和預(yù)制梁在裝配式建筑中的應(yīng)用有待UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究成果來做基礎(chǔ)。
3 裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制技術(shù)指標(biāo)
為了保證裝配式建筑用UHPC的質(zhì)量,從拌和物性能、力學(xué)性能、收縮和抗氯離子滲透性能四個(gè)方面對(duì)裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制指標(biāo)進(jìn)行了分析。
3.1 拌和物性能指標(biāo)
UHPC拌和物的流動(dòng)性和黏性對(duì)其在工程中的施工性能具有較大的影響[7]。不同UHPC的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)UHPC擴(kuò)展度低于550 mm時(shí),拌和物狀態(tài)偏黏稠,拌和物成型時(shí)無法自密實(shí),需要振動(dòng);當(dāng)UHPC的擴(kuò)展度在750~850 mm時(shí),拌和物流動(dòng)性較好;而UHPC擴(kuò)展度高于850 mm時(shí),拌和物狀態(tài)較稀,鋼纖維容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。因此,對(duì)于裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接用的UHPC,擴(kuò)展度建議在750~850 mm范圍內(nèi),而外墻裝飾和裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)用的UHPC,擴(kuò)展度也不宜低于650 mm。
對(duì)于含鋼纖維的UHPC,目前沒有有效的方法表征流變性,現(xiàn)有的流變儀測(cè)試裝置所測(cè)得的黏度系數(shù)并不準(zhǔn)確。擴(kuò)展時(shí)間則在一定程度上表征了其黏性。不同UHPC的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明:在滿足650~850 mm擴(kuò)展度要求的條件下,擴(kuò)展時(shí)間宜控制在3~10 s;當(dāng)擴(kuò)展時(shí)間大于10 s時(shí),漿體黏性過大,不利于澆筑密實(shí)。擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失的時(shí)間間隔可以根據(jù)實(shí)際工程確定,擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失不宜大于100 mm,經(jīng)時(shí)損失過大的UHPC表面容易結(jié)皮,不利于施工。
3.2 力學(xué)性能指標(biāo)
UHPC的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度以及抗拉性能。裝配式建筑中結(jié)構(gòu)類UHPC的用途與橋梁等工程中相近,技術(shù)指標(biāo)要求一致,裝飾類UHPC的力學(xué)性能指標(biāo)要求總體稍低。
(1)抗壓強(qiáng)度
調(diào)研發(fā)現(xiàn),市場(chǎng)上UHPC的抗壓強(qiáng)度多分布在100~160 MPa范圍內(nèi),其中以120~150 MPa的產(chǎn)品居多,也有少部分UHPC的抗壓強(qiáng)度大于180 MPa。裝飾類UHPC由于通常使用合成纖維代替鋼纖維,整體力學(xué)性能有所下降,通常在100~120 MPa范圍內(nèi)。因此,建議裝配式建筑用結(jié)構(gòu)類的UHPC的抗壓強(qiáng)度不低于120 MPa。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度,120 MPa的抗壓強(qiáng)度完全滿足建筑要求,強(qiáng)度過高會(huì)增加材料成本。裝配式建筑用裝飾類UHPC的抗壓強(qiáng)度不低于100 MPa,以保證裝飾類UHPC纖維選擇的多樣性。
(2)彈性模量
UHPC的彈性模量多分布在40~55 GPa范圍內(nèi),其中結(jié)構(gòu)類UHPC大多在40~55 GPa范圍內(nèi),裝飾類UHPC大多在40~50 GPa范圍內(nèi)。因此,建議結(jié)構(gòu)類UHPC的彈性模量不低于45 GPa,裝飾類UHPC的彈性模量不低于40 GPa。
(3)抗彎強(qiáng)度
UHPC的抗彎強(qiáng)度差異較大,相差約10~20 MPa,根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》對(duì)RPC120級(jí)(抗壓強(qiáng)度≥120 MPa、抗折強(qiáng)度≥14 MPa)的規(guī)定,建議裝配式建筑用結(jié)構(gòu)類UHPC的抗彎強(qiáng)度不低于14 MPa。裝飾類UHPC由于通常使用合成纖維代替鋼纖維,抗彎強(qiáng)度很難超過15 MPa,故建議不低于10 MPa。
(4)抗拉性能
UHPC的抗拉性能是區(qū)別于高強(qiáng)水泥基材料的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo),具體表現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度、抗拉應(yīng)變?nèi)齻€(gè)指標(biāo)??估瓘?qiáng)度很大程度上取決于彈性極限抗拉強(qiáng)度,即與基體抗壓強(qiáng)度的高低有較大相關(guān)性??估瓘?qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度反映了試件過彈性段后UHPC在應(yīng)變硬化過程中的承載能力增長(zhǎng)的空間,而抗拉應(yīng)變反映了試件過彈性段后UHPC在應(yīng)變硬化過程中應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣怀掷m(xù)下降的很大變形空間。從設(shè)計(jì)要求和市場(chǎng)上UHPC抗拉性能的實(shí)際情況來看,結(jié)構(gòu)類UHPC的抗拉強(qiáng)度一般要求不低于7 MPa,裝飾類UHPC的抗拉強(qiáng)度要求不低于5 MPa。而對(duì)于拉伸變形行為,通常要求具有應(yīng)變硬化特性,結(jié)構(gòu)類UHPC建議抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度≥1.1,極限抗拉應(yīng)變≥1 500 με,裝飾類UHPC的指標(biāo)要求略有降低,建議抗拉強(qiáng)度/彈性極限抗拉強(qiáng)度≥1.0,極限抗拉應(yīng)變≥1 000 με。
3.3 收縮
UHPC在各項(xiàng)拌和物性能、力學(xué)性能和耐久性能方面都表現(xiàn)優(yōu)異,但收縮較大。這與UHPC的組成和配比有較大關(guān)系,UHPC在制備過程中去除了粗骨料,膠凝材料的用量大幅增加,導(dǎo)致UHPC抵抗收縮的能力大幅下降,帶來較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明:UHPC的28 d干縮測(cè)試值在160~340 με,平均值約250 με;3 d的自收縮在700~1 100 με,平均值約800 με。在UHPC中摻加適量的膨脹劑可有效緩解UHPC收縮大的缺陷,但應(yīng)注意膨脹劑的引入帶來的安定性風(fēng)險(xiǎn)。從控制開裂的角度考慮,用于裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接的現(xiàn)澆類UHPC的28 d干縮不大于300 με,3 d自收縮不大于800 με。采用熱養(yǎng)護(hù)的預(yù)制類UHPC通常無需考慮材料的收縮影響。
3.4 抗氯離子滲透性能
UHPC由于采用較低水膠比、很緊密堆積理論等設(shè)計(jì)方法,使其具有超高的耐久性能,其抵抗各類侵蝕性介質(zhì)侵入的能力與高性能混凝土相比有了進(jìn)一步的提升,通常僅以抗氯離子滲透性能表征其耐久性能。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,常規(guī)UHPC的90 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)不應(yīng)大于0.5×10-12 m2/s。通常UHPC的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM在0.10×10-12~0.70×10-12 m2/s,絕大部分小于0.30×10-12 m2/s??紤]28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)與90 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的時(shí)變性,與法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)果一致。因此,建議裝配式建筑用UHPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)不超過0.30×10-12 m2/s。
4 UHPC在裝配式建筑中應(yīng)用的局限性
雖然UHPC在部分裝配式預(yù)制構(gòu)件如預(yù)制陽臺(tái)、走道、樓梯等中有了一定的應(yīng)用,并且UHPC裝配式節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)也已開始試點(diǎn)應(yīng)用,但UHPC想要在裝配式建筑中推廣,需推進(jìn)其在裝配式預(yù)制梁、柱中的應(yīng)用。然而,從耐久性來講,裝配式結(jié)構(gòu)建筑的服役環(huán)境通常為一般環(huán)境,對(duì)混凝土的耐久性能要求并不嚴(yán)格,非特殊情況下并不需要UHPC很高的耐久性能;從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講,UHPC的力學(xué)性能對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的富余量較大,盡管在設(shè)計(jì)過程中也可以通過降低構(gòu)件自重來變相降低UHPC的成本,但受制于結(jié)構(gòu)剛度問題而不能使構(gòu)件過于輕質(zhì)。據(jù)調(diào)研,目前應(yīng)用于工程中的結(jié)構(gòu)類UHPC價(jià)格在6 000~10 000元/m3,其成本為普通C40混凝土的10倍以上。總體而言,現(xiàn)階段裝配式建筑中大量使用UHPC的性價(jià)比太低,其推廣應(yīng)用有賴于UHPC成本的降低、全生命周期成本的核算和設(shè)計(jì)理論體系的完善。
5 結(jié)語
(1)UHPC根據(jù)用途與原材料組成體系的不同,可分為結(jié)構(gòu)類UHPC和裝飾類UHPC。
(2) UHPC以其超高的強(qiáng)度、韌性和耐久性在裝配式建筑領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景,其中裝配式節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐步展開,預(yù)制樓梯和預(yù)制陽臺(tái)等預(yù)制構(gòu)件也已具備在裝配式建筑中應(yīng)用的可行性,未來可進(jìn)一步探索UHPC建筑外裝飾和UHPC構(gòu)造柱、構(gòu)造梁在裝配式建筑中的應(yīng)用技術(shù)。
(3)根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)資料,從拌合物性能、力學(xué)性能、收縮和抗氯離子滲透性能四個(gè)方面提出了裝配式建筑用UHPC質(zhì)量控制指標(biāo)體系,可為裝配式建筑中用到的UHPC的質(zhì)量控制提供依據(jù)。