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結構材料UHPC,HSC,HPC,FRC,RPC 傻傻分不清?趕緊收藏慢慢學

時間:2022-03-25

UHPC是Ultra-High Performance Concrete的簡稱,翻譯過來就是超高性能混凝土,關于UHPC的特性都隱藏在這短短幾個單詞里,先隨小編來拆詞:

UH(Ultra-High)超高說明它不是單純的High,它要比High還要High,那么問題來了,什么是高?超高又比高強在哪里呢?

P(Performance)說明強的是綜合性能,而不單純是強度Strength,那么問題又來了,這個綜合性能里都包括什么?這種材料對混凝土能帶來什么質的飛躍?

C(Concrete)說明它肯定是一種混凝土,混凝土作為材料屆的扛把子,大哥Concrete的“遠方親戚”UHPC都超高性能了,為什么還不出名呢?這種材料有什么短板?

下面就通過回答以下這幾個問題來了解UHPC。

UHPC的誕生

Rome was not built in a day

(羅馬不是一天建成的)

既然是混凝土就免不了要一下子追溯到公元前三世紀的古羅馬萬神廟,再到波蘭水泥,再到花盆與鋼筋混凝土誕生,這個關于混凝土的故事就太長了。

隨著整個20世紀混凝土技術和設計規范的改進和發展,混凝土材料本身的性能也不斷提高,其解決的問題主要集中在:(1)重量與強度之比高(2)抗拉強度與抗壓強度之比低(3)延性(4)耐久性。

提高混凝土抗壓強度的競賽始于20世紀中葉,研究人員通過降低水灰比、選擇特殊骨料、添加減水劑等方法,創造出了抗壓強度在50~120Mpa之間的混凝土,命名為HSC(High Strength Concrete)高強度混凝土。但此時只是增強了混凝土的強度,其延性和耐久性并沒有提高。

HSC(高強混凝土)的抗壓強度在50~120Mpa之間

1980年出現了HPC(High Performance Concrete)高性能混凝土,其抗壓強度在50~120Mpa之間,但與HSC不同,HPC的同時改善了混凝土的耐久性,因此其綜合性能得到了提高。

HPC(高性能混凝土)在提高抗壓強度的同時提高了耐久性

強度提高的同時帶來了負面效應,混凝土的延性變差了,這也是為什么我們設計中很少使用超高標號混凝土的一個原因。為了改善混凝土的延性,1970年代開始嘗試在混凝土中添加纖維,并創造了新的混凝土類型FRC(Fiber-forced Concrete)纖維增強混凝土,研究表明通過加入不同材質的纖維,可提高混凝土的抗拉強度、延性、抗裂能力和耐久性。

FRC(纖維增強混凝土)在混凝土中加入纖維,可增強其抗拉強度、延性、抗裂能力和耐久性

而后通過結合以往的研究經驗出現了RPC(Reactive Powder Concrete)活性粉末混凝土,通過使用超細骨料并添加鋼纖維,混凝土抗壓強度進一步提高到了120Mpa以上,同時其抗拉性能和耐久性等綜合性能都得到了提高。

RPC(活性粉末混凝土)強度、延性、耐久性等綜合性能得到提高

那RPC又和UHPC有什么關系呢?

實際RPC就是UHPC中的一個產品名稱。商業化生產供應的UHPC產品均為專利配方產品,有獨自的名稱或商標。最早的UHPC專利是丹麥H.H. Bache在1979年申請的,20世紀80年代他所在公司注冊商業化產品商標為Densit?。到上世紀90年代,法國出現多個UHPC產品品牌,包括RPC?、 Ductal?、BSI?、CEMTEC?、BCV?等,其中Ductal?是拉法基公司的產品商標,RPC?則是Bouygues公司產品名稱。

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1994年法國學者De Larrard等將這類新材料統一稱作UHPC(超高性能混凝土),由于該名稱沒有商業色彩,而且能更好地表達這種水泥基材料或混凝土的優越性能,在國際上逐步被廣泛接受和采用。而在我國有關RPC的研發、性能介紹和宣傳較多,知名度相對較高。目前,RPC在中國還與UHPC并列使用。

RPC是UHPC(超高性能混凝土)中的一種

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單軸拉伸和壓縮UHPC典型應力應變曲線

UHPC是什么

“You do not really understand something unless you can explain it to your grandmother”

除非能和你奶奶說明白,

否則你無法完全理解一件事

——愛因斯坦

了解了以上各種C(混凝土)的發展歷史,以下文歸正題。

UHPC有沒有明確的、定量的定義?小i查閱各種資料發現,全世界已經開發出各種UHPC,它們具有不同的骨料級配,纖維的類型和數量,抗壓強度,拉伸性能等。一些國家的標準(法國,瑞士)也提出了自己的UHPC定義,但是實際上并不統一。其具有代表性的定義如下:

● 是一種組成材料顆粒的級配達到最佳的水泥基復合材料

● 高抗壓強度

● 含有較高比例的微細鋼纖維增強材料

● 采用特殊級配骨料可提供致密結構,耐久性高

展開來講會牽扯很多材料學的概念和術語,對于工程師(比如小i自己)或建筑師關心的主要是抗壓強度要高于多少?有多少延性?耐久性有多高?因此小i對眾多資料進行一些簡化,主要介紹其三個主要特征:高抗壓強度、高延性、高耐久性,力求能讓我姥姥明白什么是UHPC。

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高抗壓強度

2002年AFGC(法國土木工程協會)-SETRA(土木結構設計管理局)第一個關于發布UHPC的建議規范,設定UHPC的最小抗壓強度為150 MPa,但國內外對其抗壓強度下限并沒有達成統一,小i更加傾向于認同其中以120Mpa為下限的觀點,主要基于以三點原因:

1 經過幾十UHPC的應用發現,UHPC最具競爭力的抗壓強度實際是120~150Mpa,當超過150Mpa后造價提升較多同時又沒有足夠多的應用場景;

2 1980年代產生的HPC的抗壓強度被設定在50~120Mpa,因此比High還要High的Ulra—High下限定為120Mpa似乎更為合理;

3 UHPC必須包含纖維以確保其延性,常用的纖維是光滑直纖維,長度在6~20毫米之間,直徑范圍在0.1~0.3毫米之間。如果要使纖維在混凝土中有效,則需要在水泥基體和纖維之間進行適當的粘結,粗略推算其需要的混凝土最小抗壓強度為120 MPa。

為得到一個相對靠譜的數值,翻書、翻貼、翻墻也是著實費了一番力氣,必須用黑體字把他寫出來。

UHPC抗壓強度高于120Mpa

高延性

UHPC中的高抗拉強度和延性是由其中的纖維提供的,為了確保材料的延性,法國UHPC標準對UHPC提出了以下最低延展性要求:

混凝土開裂后直至裂紋寬度3mm,抗拉強度不低于開裂強度的40%和3MPa

UHPC在受拉開裂后的抗拉強度實際上是與纖維含量直接相關的,因此這條規定實際上是在暗示混凝土中的纖維含量。UHPC的纖維含量通常在1%~3%之間,以確保延性的同時控制造價。因此如果采用鋼纖維,根據以上標準進行換算,差不多是要求UHPC中鋼纖維的最低含量為80kg/m3,這個指標對于工程師控制材料延性更易懂也更有操作性。

UHPC鋼纖維含量大于80Kg/m3

高耐久性

法國規范對于耐久性要求UHPC水灰比小于0.25,其內部應具有不連通孔結構,能夠有較高抵抗氣、 液體浸入的能力,同時規定了相應的試驗來檢測其耐腐蝕性。這部分太專業小i也無力簡化,因此只能麻煩姥姥死記硬背UHPC耐久性比普通混凝土強很多即可。

經濟性

UHPC高強、高延性、耐久性也好,那么20年過去了為什么沒有推廣起來呢?主要是因為貴。普通混凝土材料費用約300元/m3,UHPC材料費用約為800~2000元/m3,其中還未考慮UHPC澆筑時的特殊模板價格。當將其應用于建筑外立面幕墻系統時,平板類產品造價約1000元/m2,特殊樣式和異形板根據難度費用會更高。值得一提的是,雖然鋼纖維的體積僅占總體積的2%左右,但是其價格占到總價格的60%~80%,如果采用不銹鋼纖維或更高的纖維量,這個比率會更高。

UHPC材料費用約為800~2000元/m3,鋼纖維占總價格的60%~80%

如此高的價格很難大范圍應用于普通房建項目,只能做到好鋼用在刀刃上,那么UHPC主要的應用場景又在哪呢?

UHPC的應用

消費者并不知道自己需要什么,

直到我們拿出自己的產品,

他們就發現這是我要的東西

——喬布斯

如果我們單純把UHPC簡單理解為強度比普通混凝土高3~4倍,同時價格比普通混凝土高3~4倍的一種材料,那么UHPC除了試驗,就沒有其他應用場景了。除了非常堅固,UHPC還有三個非常有吸引力的特點:

耐久性,很多百年工程考慮其維護費用的綜合造價后,UHPC就變得有競爭力了;

輕質,由于其抗壓強度和抗拉強度相比普通混凝土都有很大提高,因此同樣條件下就會更加輕薄,因此在追求輕質方便運輸與吊裝的情況下,UHPC也是非常適合的;

美觀,UHPC的產品表面具有很高的光潔度,外界的有害介質很難侵入到UHPC中去,因此耐污性強。UHPC的產品采用添加礦物色粉調配出的純色和混色也可保持更為長久。同時由于其材質致密,相較于GRC產品中的著色劑等組分也不易向外析出產生反堿等情況影響外觀。

因此從這三種需求出發,可以定義出其偏向于不同需求的主要應用場景。

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橋梁

最早將UHPC付諸實際的是橋梁,1997年加拿大魁北克省建成了第一座UHPC橋——Sherbrooke人行橋。該橋為預應力UHPC空間桁架結構,跨徑60m,橋面板采用3cm厚UHPC板,桁架腹桿采用直徑15cm的鋼管UHPC,下弦采用10m預制UHPC梁節段,節段內未配置普通鋼筋,僅采用后張預應力拼裝而成。由于UHPC的使用結構自重大大減輕,并有效抵抗了當地嚴冬零下30℃條件反復凍融侵蝕,該橋在1999年獲得Nova獎提名。

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Sherbrooke footbridge(1997)

下面小編同時列出其他各國具有代表性的UHPC橋梁。

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Sunyudo Footbridge

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Sakata-Mirai Footbridge

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Gaertnerplatz Bridge

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ZaragozaBridge

建筑表皮

近些年UHPC工程應用的最大亮點是在建筑幕墻,利用UHPC可實現建筑的表皮立面的超高穿孔率,通過變換模具甚至可以得到任意圖案,而要采用傳統的材料,不管是木材、還是鋁板和不銹鋼板等金屬材料都是難以做到的。

馬賽歐洲與地中海文明博物館

位于法國馬賽的地中海文明博物館建成于2013年,表皮采用UHPC鏤空幕墻覆蓋,由法國著名建筑師魯迪?里喬蒂設計,他也是最早把UHPC從橋梁引入建筑工程的先鋒建筑師。頂部由長115米的UHPC人行天橋與圣約翰城堡連接,體現了馬賽人的大膽設計風格以及獨具魅力的地中海文明。由于本項目在海邊,對于幕墻結構的耐久性要求很高,因此建筑師考慮表皮的耐久性和鏤空建筑效果,最終選擇了UHPC。

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Jean Bouin體育場

位于巴黎的Jean Bouin體育場同樣出自魯迪?里喬蒂之手,采用了23000m2的UHPC做表皮。在這個項目中UHPC主要應用于立面、屋面,以及兩者面之間交界處的鏤空面板。整個項目采用了3600塊長三角形面板,1600塊嵌入玻璃的屋面面板,通過三個固定點與主框架連接,其鏤空率高達50%,使得整個場館輕盈明亮又通透。

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國內應用

國內UHPC幕墻近幾年主要應用案例有:深圳悅彩城展示中心幕墻、余杭文化藝術中心幕墻、南京中海左岸瀾庭售樓處UHPC 柱廊、上海音樂學院歌劇院幕墻。

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深圳悅彩城展示中心幕墻:

由弧形鏤空板和弧形實心板組成,弧形鏤空板尺寸為3000×1200×30mm 、實心板尺寸3000×1200×20mm,采用UHPC預混料噴射成型。

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余杭文化藝術中心幕墻:

至今中國最大的UHPC建筑應用項目,幕墻總面積達2萬m2;UHPC板采用預混料澆筑成型。構件板塊尺寸不一,平均超過10 m2,最大板塊8m×3m。

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南京中海左岸瀾庭售樓處UHPC 柱廊:

室外造型柱UHPC構件單體高8米、寬4米,為一整件預制構件。UHPC構件采用預混料噴射法一次成型,噴射工藝控制板塊平均厚度為25mm。UHPC構件為帶背附鋼架的大板構造,通過螺栓柔性連接,避免出現溫度應力及干縮應力造成的裂紋。項目采用裝配式的干掛安裝方法,實現了三維可調,從而保證安裝的精度。

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上海音樂學院歌劇院幕墻:

造型裝飾幕墻采用UHPC預混料澆筑成型,平板規格1200x4500x35mm,鏤空板規格1200x4500x55mm。

其他表皮應用

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Italy Pavilion

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University Of SouthernDenmark

細部構件

UHPC由于其優異的承載能力和輕巧纖薄的外觀,也被應用于陽臺板和室內樓梯,同樣可以得到輕薄的建筑效果。

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參考資料

1. UHPC for people: The RDC’s Blog, www.rdconcrete.com

2. 超高性能混凝土(UHPC)十一問, 趙筠,廉慧珍,知乎

3. 2019年中國超高性能混凝土(UHPC)技術與應用發展報告,趙筠,知乎

4. UHPC與建筑大師的碰撞,你確定不來欣賞?. 一方觀筑,公眾號

5. UHPC——尊重我的方式就是讓設計變得復雜!. 材料在線,公眾號

6. 高顏值的UHPC混凝土樓梯. UHPC超高性能混凝土 ,公眾號

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來源:iStructure,作者:李彥鵬

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