UHPC超高性能混凝土材料在装配式建筑中的应用

UHPC超高性能混凝土材料在装配式建筑中的应用【摘要】UHPCUltra-high Performance Concrete)超高性能混凝土是指一种具有超强力学性能高韧性超高耐久性和优良浇筑及成型性能的水泥基混凝土材料。虽然目前建筑外墙装饰类UHPC更多地用于标志性和创意性建筑中以体现其艺术运用UHPC轻薄、抗压强度高、耐久性好等特点能够极大的减少传统装配式预制件的使用数量得到更大的使用空间及更为平衡的建筑成本。运用UHPC的抗腐蚀、抗渗等特性能够应用于石油管道、天然气管道取代成本更高的厚壁钢管材也可以用于放射性核废料储存可用于各类国防安全防卫性质的建筑构造物未来随着建筑产业化水平的逐步提升采用UHPC生产各种类型标准构件更加便于运输、吊装有利于拓展其在装配式建筑领域的应用。【关键字】 UHPC、超高性能混凝土、建筑材料、装配式建筑一、UHPC的发展背景UHPCUltra-high Performance Concrete)超高性能混凝土是指一种具有超强力学性能高韧性超高耐久性和优良浇筑及成型性能的水泥基混凝土材料。UHPC通过选用高活性的微细材料采用极紧密堆积和纤维增强技术配制而成广泛的应用于各类建筑结构、装饰领域。各项性能指标均大幅度优于普通混凝土高性能混凝土HPC和GRCGlass-Fiber Reinforced Concrete。UHPC最早是由丹麦Bache教授在20世纪70年代展开研究的当时的研究是以大掺量的钢纤维并保留普通配筋。从90年开始法国布依格公司在Pierre Richard的领导下开始研究活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)引入时它分为两类200MPa(29ksi)和800MPa(116ksi)级。之后法国拉法基公司与之合作对产品进行了优化并于90年代末实现商业化应用法国拉法基公司开始销售一种名为Ductal®的预装袋UHPC产品该产品基于布依格公司发明的RPC配方配制而成。UHPC经过多轮迭代和更新升级后已具有较强的性能与稳定性基本形成了目前的形式和状态。2001年美国联邦公路管理局(FHWA)开始与美国各州政府合作将UHPC应用于公路基础设施主要应用于多种桥梁构件包括预制、预应力梁、桥面的预制华夫格板作为预制混凝土桥面板和大梁之间以及相邻大梁翼缘之间的接合材料。根据FHWA的说法“UHPC级材料是水泥基复合材料内含不连续的纤维用于增强、抗压强度高于21.7ksi、抗拉强度高于0.72ksi并通过其不连续的孔隙结构增强耐用性。”然而这个定义并没有被普遍使用。加拿大标准协会(CSA)的认证目录中包括两类UHPC:120MPa(17.4ksi)和150MPa(21.7ksi)。其同类型产品PCI研究项目规定抗压强度10ksi预应力释放时和18ksi28天时。使用UHPC进行结构设计的最重要特性是抗拉强度和拉伸延展性与传统混凝土相比由于存在钢纤维UHPC的抗拉强度和拉伸延展性要高得多。这种高强度允许更高的抗剪强度和完全消除抗剪钢筋的可能性。二、UHPC的应用情况1.传统建筑领域综合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。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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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市政工程包括预制盖板、预制管道、综合管廊、基础设施结构加固等。UHPC用于建筑外墙装饰是目前国内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以其高强度、高韧性和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。以法国马塞圣让港的欧洲和地中海文化博物馆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展现了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。欧洲和地中海文化博物馆MuCEM三、UHPC在装配式建筑领域的应用情况虽然目前建筑外墙装饰类UHPC更多地用于标志性和创意性建筑中以体现其艺术运用UHPC轻薄、抗压强度高、耐久性好等特点能够极大的减少传统装配式预制件的使用数量得到更大的使用空间及更为平衡的建筑成本。运用UHPC的抗腐蚀、抗渗等特性能够应用于石油管道、天然气管道取代成本更高的厚壁钢管材也可以用于放射性核废料储存可用于各类国防安全防卫性质的建筑构造物未来随着建筑产业化水平的逐步提升采用UHPC生产各种类型标准构件更加便于运输、吊装有利于拓展其在装配式建筑领域的应用。1.装配式浆锚搭接浆锚搭接对于装配式混凝土结构其是可靠的钢筋连接技术。目前除钢筋套筒灌浆连接外湿接缝连接的应用也比较多而浆锚搭接是湿缝连接的一种钢筋浆锚搭接是指在预制混凝土构件中预留孔道在孔道中插入需搭接的钢筋并灌注水泥基材料进行锚固的搭接方式。传统的钢筋浆锚搭接连接由于锚固材料强度的局限性以及与钢筋间的握裹力不足导致设计过程中钢筋搭接过长施工过程中易出现灌注不饱满的问题进而给装配式混凝土结构的安全性带来了巨大风险。UHPC具有高的抗压强度通常≥120MPa与传统的水泥基灌浆材料相比强度提升50%以上与钢筋的黏结强度提升40%~80%并可有效降低搭接长度降低灌注不饱满的风险。此外采用UHPC作为钢筋浆锚搭接连接的锚固材料能大幅提高预制构件连接处的承载能力包括抗疲劳、抗震、抗裂性能以及耐久性符合装配式建筑“强节点、弱构件”的设计理念。2.装配式预制构件UHPC制作的装配式混凝土预制构件是UHPC在装配式建筑结构中应用的另外一个重要方向目前主要的装配式UHPC预制构件包括各种风格形态的薄板薄壁预制阳台、走道、楼梯等。国外也有部分标志性建筑探索了UHPC预制结构柱和结构梁的应用如欧洲地中海博物馆MuCEM中大量使用UHPC立柱作为结构支撑立柱采用了三种形式直立柱、Y型柱、N型柱。柱子的直径25~40cm与高度2.89~8.79m都不同最终形成80种不同的组合。但在装配式建筑中采用UHPC预制构造柱还有成本过高的问题若想发挥UHPC高强度的优势对构造柱进行截面尺寸削减可能会带来结构刚度不足的风险。因此UHPC预制柱和预制梁在装配式建筑中的应用有待UHPC结构设计研究成果来做基础。四、装配式UHPC机场道面的研究与应用2018年起长智公司与同济大学建筑设计院共同开展合作一直致力于研究UHPC在各类装配式建筑产品中的应用研究的主要方向是结合其传统应用的领域及成本价值情况进行装配式结构和拆分设计让其可以应用于更多、更复杂的场景下。用以改良和替代传统的建筑结构、材料及施工方式。其中最主要的一项研究课题即UHPC装配式机场道面的研究。1.设计使用要求具有足够的强度道面结构抵抗破坏的能力、刚度道面结构抵抗变形的能力、具有良好的气候稳定性、使用耐久性拼接安装后整体道面的粗超度、平整度均衡具有一定的抗滑性且便于滑行和清洁便于破拆与安装具有较强的经济性。2.产品优点除开满足传统机场道面的使用要求外还具有以下几项优点1具有更高的标准化与规模化工厂标准化生产可以更好保证道面板的几何尺寸与材料均匀性产品精度高也有利于具有特殊要求道面板的生产规模化生产有利于降低UHPC材料使用的综合成本特别是特殊应用领域使用的成本。2满足全疆域、全天候、24小时施工要求一是满足全疆域特别是特殊地区海岛、高山、高原高寒地区、沙漠地区、冰冻地区等施工要求二是满足全天候施工要求特别是特殊气候季节炎热地区、5℃以下气候、大风气候、雨天、风沙等三是满足全时段施工。减少施工对飞行的影响确保飞行和人身安全缩短机场修补、更换道面板时间大大减轻对施工飞行的影响提高不停航施工的飞行安全。3缩减工期、提升整体效能UHPC道面板可成批量在工厂预制好运输方式也多种多样简单方便便于装卸、转运运损率极低。到现场后可以立即进行铺装有利于缩短整体工期特别是改、扩建机场可以极大的缩短时间实现快速、高效的不停航施工。4更加环保、节能大大减少现场施工强度干法作业可以大大降低因为传统施工方式带来的建筑垃圾、扬尘污染节水、节电降低环境影响利于环保、节能。3.研究成果目前该项研究正处于基础结构设计阶段UHPC的材料应用相对其他材料具有更强的适用性其利用价值和上限在该领域远高于其他材料、工艺。所以期初的研究方向主要是以基础结构和搭建模式的研究为主重点强调不同机场等级、应用环境下对原有的机场道面基层进行优化就可以快速实现装配式机场道面的拼接施工并且此类结构应具有更广泛的通用性既可以满足重型飞行器的起降、滑跑、驻停也可以满足各种使用环境下建造经济性的需求。3.1搭建结构装配式混凝土道面是多层结构体系在移动荷载作用下道面处于线弹性工作状态即各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体。因此力学模型基层、面层本构采用弹性理论路基土采用摩尔库伦本构模型利用有限元软件ABAQUS对装配式混凝土道面进行有限元分析。模拟时模型分为三层分别为地基层基层与混凝土面板层。建立“飞机轮胎荷载道面板地基”耦合系统利用ABAQUS有限元软件建立道面结构模型并对计算参数给予一定的限制研究其力学响应规律。模型简下图示荷载道面板地基三维有限元模型其关键性技术的突破口在于面板与基层竖向连接体系。目前正在进行的方向是通过单一板构件增大板底部、板间摩擦系数的方法或是采用竖向固定的方式进行板块防漂移测试。3.2接缝设计目前常用装配式道面板的接缝形式有两种分别为销钉连接、企口榫卯连接。其中销钉连接通过在预制道面板的模具工装设计时在道面板板顶或者板底预留拼接槽将预埋销钉植入拼接槽预拼接安装完成后对槽口浇筑混凝土完成两板的接缝连接此种搭接方式可实现板间自动调平企口榫卯结构通过凸板嵌入凹板的方式拼装可利用凹板对凸板的阻力限制两板各向相对位移。为确保方案可行纵向接缝拟采用两种方案进行拼接方案一采用如下图所示接缝形式每块板纵向两侧分别设置凹槽及拉杆考虑拉杆兼顾传力杆使用拉杆尺寸采用直径20mm螺纹钢筋最小长度400mm最大间距300mm。凹槽内设置拉杆拉杆长度为400mm其中200mm范围内拉杆位于混凝土范围内200mm位于槽口内两个拉杆之间直径焊接。方案一道面纵向接缝布置图方案二采用如下图所示进行连接道面板按要求设置企口缝板与板之间预留孔槽道面板吊装到指定位置后通过在孔槽内穿预应力钢束使用预应力张拉方式将板块之间企口缝进行精准对接每块板上设置三个横向预应力钢束孔钢束孔延板中长度方向均匀布置确保受力均匀。方案二道面纵向接缝布置图横缝仅胀缝位置根据需要设置传力杆胀缝缝宽为20~25mm传力杆离边10~15cm,直径30mm光圆钢筋最小长度400mm最大间距300mm其余横缝位置不考虑设置传力杆。UHPC在建筑材料领域的应用未来还将进一步扩大我们在装配式领域的探索也在不断进行下一步我们将持续的对其材料、结构性能进行研究优化成本真正实现广泛应用于市场。作者简介陈瀚林1983年5月性别男民族汉族、籍贯重庆市、大学本科工程师、研究方向装配式混凝土建筑