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结构材料UHPC,HSC,HPC,FRC,RPC 傻傻分不清?赶紧收藏慢慢学

时间:2022-03-25

UHPC是Ultra-High Performance Concrete的简称,翻译过来就是超高性能混凝土,关于UHPC的特性都隐藏在这短短几个单词里,先随小编来拆词:

UH(Ultra-High)超高说明它不是单纯的High,它要比High还要High,那么问题来了,什么是高?超高又比高强在哪里呢?

P(Performance)说明强的是综合性能,而不单纯是强度Strength,那么问题又来了,这个综合性能里都包括什么?这种材料对混凝土能带来什么质的飞跃?

C(Concrete)说明它肯定是一种混凝土,混凝土作为材料届的扛把子,大哥Concrete的“远方亲戚”UHPC都超高性能了,为什么还不出名呢?这种材料有什么短板?

下面就通过回答以下这几个问题来了解UHPC。

UHPC的诞生

Rome was not built in a day

(罗马不是一天建成的)

既然是混凝土就免不了要一下子追溯到公元前三世纪的古罗马万神庙,再到波兰水泥,再到花盆与钢筋混凝土诞生,这个关于混凝土的故事就太长了。

随着整个20世纪混凝土技术和设计规范的改进和发展,混凝土材料本身的性能也不断提高,其解决的问题主要集中在:(1)重量与强度之比高(2)抗拉强度与抗压强度之比低(3)延性(4)耐久性。

提高混凝土抗压强度的竞赛始于20世纪中叶,研究人员通过降低水灰比、选择特殊骨料、添加减水剂等方法,创造出了抗压强度在50~120Mpa之间的混凝土,命名为HSC(High Strength Concrete)高强度混凝土。但此时只是增强了混凝土的强度,其延性和耐久性并没有提高。

HSC(高强混凝土)的抗压强度在50~120Mpa之间

1980年出现了HPC(High Performance Concrete)高性能混凝土,其抗压强度在50~120Mpa之间,但与HSC不同,HPC的同时改善了混凝土的耐久性,因此其综合性能得到了提高。

HPC(高性能混凝土)在提高抗压强度的同时提高了耐久性

强度提高的同时带来了负面效应,混凝土的延性变差了,这也是为什么我们设计中很少使用超高标号混凝土的一个原因。为了改善混凝土的延性,1970年代开始尝试在混凝土中添加纤维,并创造了新的混凝土类型FRC(Fiber-forced Concrete)纤维增强混凝土,研究表明通过加入不同材质的纤维,可提高混凝土的抗拉强度、延性、抗裂能力和耐久性。

FRC(纤维增强混凝土)在混凝土中加入纤维,可增强其抗拉强度、延性、抗裂能力和耐久性

而后通过结合以往的研究经验出现了RPC(Reactive Powder Concrete)活性粉末混凝土,通过使用超细骨料并添加钢纤维,混凝土抗压强度进一步提高到了120Mpa以上,同时其抗拉性能和耐久性等综合性能都得到了提高。

RPC(活性粉末混凝土)强度、延性、耐久性等综合性能得到提高

那RPC又和UHPC有什么关系呢?

实际RPC就是UHPC中的一个产品名称。商业化生产供应的UHPC产品均为专利配方产品,有独自的名称或商标。最早的UHPC专利是丹麦H.H. Bache在1979年申请的,20世纪80年代他所在公司注册商业化产品商标为Densit®。到上世纪90年代,法国出现多个UHPC产品品牌,包括RPC®、 Ductal®、BSI®、CEMTEC®、BCV®等,其中Ductal®是拉法基公司的产品商标,RPC®则是Bouygues公司产品名称。

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1994年法国学者De Larrard等将这类新材料统一称作UHPC(超高性能混凝土),由于该名称没有商业色彩,而且能更好地表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能,在国际上逐步被广泛接受和采用。而在我国有关RPC的研发、性能介绍和宣传较多,知名度相对较高。目前,RPC在中国还与UHPC并列使用。

RPC是UHPC(超高性能混凝土)中的一种

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单轴拉伸和压缩UHPC典型应力应变曲线

UHPC是什么

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

除非能和你奶奶说明白,

否则你无法完全理解一件事

——爱因斯坦

了解了以上各种C(混凝土)的发展历史,以下文归正题。

UHPC有没有明确的、定量的定义?小i查阅各种资料发现,全世界已经开发出各种UHPC,它们具有不同的骨料级配,纤维的类型和数量,抗压强度,拉伸性能等。一些国家的标准(法国,瑞士)也提出了自己的UHPC定义,但是实际上并不统一。其具有代表性的定义如下:

● 是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料

● 高抗压强度

● 含有较高比例的微细钢纤维增强材料

● 采用特殊级配骨料可提供致密结构,耐久性高

展开来讲会牵扯很多材料学的概念和术语,对于工程师(比如小i自己)或建筑师关心的主要是抗压强度要高于多少?有多少延性?耐久性有多高?因此小i对众多资料进行一些简化,主要介绍其三个主要特征:高抗压强度、高延性、高耐久性,力求能让我姥姥明白什么是UHPC。

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高抗压强度

2002年AFGC(法国土木工程协会)-SETRA(土木结构设计管理局)第一个关于发布UHPC的建议规范,设定UHPC的最小抗压强度为150 MPa,但国内外对其抗压强度下限并没有达成统一,小i更加倾向于认同其中以120Mpa为下限的观点,主要基于以三点原因:

1 经过几十UHPC的应用发现,UHPC最具竞争力的抗压强度实际是120~150Mpa,当超过150Mpa后造价提升较多同时又没有足够多的应用场景;

2 1980年代产生的HPC的抗压强度被设定在50~120Mpa,因此比High还要High的Ulra—High下限定为120Mpa似乎更为合理;

3 UHPC必须包含纤维以确保其延性,常用的纤维是光滑直纤维,长度在6~20毫米之间,直径范围在0.1~0.3毫米之间。如果要使纤维在混凝土中有效,则需要在水泥基体和纤维之间进行适当的粘结,粗略推算其需要的混凝土最小抗压强度为120 MPa。

为得到一个相对靠谱的数值,翻书、翻贴、翻墙也是着实费了一番力气,必须用黑体字把他写出来。

UHPC抗压强度高于120Mpa

高延性

UHPC中的高抗拉强度和延性是由其中的纤维提供的,为了确保材料的延性,法国UHPC标准对UHPC提出了以下最低延展性要求:

混凝土开裂后直至裂纹宽度3mm,抗拉强度不低于开裂强度的40%和3MPa

UHPC在受拉开裂后的抗拉强度实际上是与纤维含量直接相关的,因此这条规定实际上是在暗示混凝土中的纤维含量。UHPC的纤维含量通常在1%~3%之间,以确保延性的同时控制造价。因此如果采用钢纤维,根据以上标准进行换算,差不多是要求UHPC中钢纤维的最低含量为80kg/m3,这个指标对于工程师控制材料延性更易懂也更有操作性。

UHPC钢纤维含量大于80Kg/m3

高耐久性

法国规范对于耐久性要求UHPC水灰比小于0.25,其内部应具有不连通孔结构,能够有较高抵抗气、 液体浸入的能力,同时规定了相应的试验来检测其耐腐蚀性。这部分太专业小i也无力简化,因此只能麻烦姥姥死记硬背UHPC耐久性比普通混凝土强很多即可。

经济性

UHPC高强、高延性、耐久性也好,那么20年过去了为什么没有推广起来呢?主要是因为贵。普通混凝土材料费用约300元/m3,UHPC材料费用约为800~2000元/m3,其中还未考虑UHPC浇筑时的特殊模板价格。当将其应用于建筑外立面幕墙系统时,平板类产品造价约1000元/m2,特殊样式和异形板根据难度费用会更高。值得一提的是,虽然钢纤维的体积仅占总体积的2%左右,但是其价格占到总价格的60%~80%,如果采用不锈钢纤维或更高的纤维量,这个比率会更高。

UHPC材料费用约为800~2000元/m3,钢纤维占总价格的60%~80%

如此高的价格很难大范围应用于普通房建项目,只能做到好钢用在刀刃上,那么UHPC主要的应用场景又在哪呢?

UHPC的应用

消费者并不知道自己需要什么,

直到我们拿出自己的产品,

他们就发现这是我要的东西

——乔布斯

如果我们单纯把UHPC简单理解为强度比普通混凝土高3~4倍,同时价格比普通混凝土高3~4倍的一种材料,那么UHPC除了试验,就没有其他应用场景了。除了非常坚固,UHPC还有三个非常有吸引力的特点:

耐久性,很多百年工程考虑其维护费用的综合造价后,UHPC就变得有竞争力了;

轻质,由于其抗压强度和抗拉强度相比普通混凝土都有很大提高,因此同样条件下就会更加轻薄,因此在追求轻质方便运输与吊装的情况下,UHPC也是非常适合的;

美观,UHPC的产品表面具有很高的光洁度,外界的有害介质很难侵入到UHPC中去,因此耐污性强。UHPC的产品采用添加矿物色粉调配出的纯色和混色也可保持更为长久。同时由于其材质致密,相较于GRC产品中的着色剂等组分也不易向外析出产生反碱等情况影响外观。

因此从这三种需求出发,可以定义出其偏向于不同需求的主要应用场景。

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桥梁

最早将UHPC付诸实际的是桥梁,1997年加拿大魁北克省建成了第一座UHPC桥——Sherbrooke人行桥。该桥为预应力UHPC空间桁架结构,跨径60m,桥面板采用3cm厚UHPC板,桁架腹杆采用直径15cm的钢管UHPC,下弦采用10m预制UHPC梁节段,节段内未配置普通钢筋,仅采用后张预应力拼装而成。由于UHPC的使用结构自重大大减轻,并有效抵抗了当地严冬零下30℃条件反复冻融侵蚀,该桥在1999年获得Nova奖提名。

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Sherbrooke footbridge(1997)

下面小编同时列出其他各国具有代表性的UHPC桥梁。

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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工程应用的最大亮点是在建筑幕墙,利用UHPC可实现建筑的表皮立面的超高穿孔率,通过变换模具甚至可以得到任意图案,而要采用传统的材料,不管是木材、还是铝板和不锈钢板等金属材料都是难以做到的。

马赛欧洲与地中海文明博物馆

位于法国马赛的地中海文明博物馆建成于2013年,表皮采用UHPC镂空幕墙覆盖,由法国著名建筑师鲁迪•里乔蒂设计,他也是最早把UHPC从桥梁引入建筑工程的先锋建筑师。顶部由长115米的UHPC人行天桥与圣约翰城堡连接,体现了马赛人的大胆设计风格以及独具魅力的地中海文明。由于本项目在海边,对于幕墙结构的耐久性要求很高,因此建筑师考虑表皮的耐久性和镂空建筑效果,最终选择了UHPC。

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Jean Bouin体育场

位于巴黎的Jean Bouin体育场同样出自鲁迪•里乔蒂之手,采用了23000m2的UHPC做表皮。在这个项目中UHPC主要应用于立面、屋面,以及两者面之间交界处的镂空面板。整个项目采用了3600块长三角形面板,1600块嵌入玻璃的屋面面板,通过三个固定点与主框架连接,其镂空率高达50%,使得整个场馆轻盈明亮又通透。

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国内应用

国内UHPC幕墙近几年主要应用案例有:深圳悦彩城展示中心幕墙、余杭文化艺术中心幕墙、南京中海左岸澜庭售楼处UHPC 柱廊、上海音乐学院歌剧院幕墙。

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深圳悦彩城展示中心幕墙:

由弧形镂空板和弧形实心板组成,弧形镂空板尺寸为3000×1200×30mm 、实心板尺寸3000×1200×20mm,采用UHPC预混料喷射成型。

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余杭文化艺术中心幕墙:

至今中国最大的UHPC建筑应用项目,幕墙总面积达2万m2;UHPC板采用预混料浇筑成型。构件板块尺寸不一,平均超过10 m2,最大板块8m×3m。

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南京中海左岸澜庭售楼处UHPC 柱廊:

室外造型柱UHPC构件单体高8米、宽4米,为一整件预制构件。UHPC构件采用预混料喷射法一次成型,喷射工艺控制板块平均厚度为25mm。UHPC构件为带背附钢架的大板构造,通过螺栓柔性连接,避免出现温度应力及干缩应力造成的裂纹。项目采用装配式的干挂安装方法,实现了三维可调,从而保证安装的精度。

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上海音乐学院歌剧院幕墙:

造型装饰幕墙采用UHPC预混料浇筑成型,平板规格1200x4500x35mm,镂空板规格1200x4500x55mm。

其他表皮应用

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Italy Pavilion

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University Of SouthernDenmark

细部构件

UHPC由于其优异的承载能力和轻巧纤薄的外观,也被应用于阳台板和室内楼梯,同样可以得到轻薄的建筑效果。

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参考资料

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

2. 超高性能混凝土(UHPC)十一问, 赵筠,廉慧珍,知乎

3. 2019年中国超高性能混凝土(UHPC)技术与应用发展报告,赵筠,知乎

4. UHPC与建筑大师的碰撞,你确定不来欣赏?. 一方观筑,公众号

5. UHPC——尊重我的方式就是让设计变得复杂!. 材料在线,公众号

6. 高颜值的UHPC混凝土楼梯. UHPC超高性能混凝土 ,公众号

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来源:iStructure,作者:李彦鹏

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