淺談UHPC在建筑中的應用

韓阿慧 王 超 曹娟麗

1西安長安大學工程設計研究院有限公司（710061） 2中設設計集團股份有限公司（210001）

0 前言

隨著建筑業的不斷發展，普通混凝土已經無法滿足建筑工程對強度、耐久性和可靠性的要求，其在施工應用中也存在病態起砂、自重較大、承載效率低等問題。UHPC（超高性能混凝土）有著超細顆粒的特點及自密實性能，使其在建筑應用中能精確復制模具的幾何圖案，在圖形、質感和外形上具有超強的塑造能力和無限的可能性，幾乎可以填充或構建任何復雜幾何形狀，這是傳統混凝土無法比擬的。而且密實的表面結構也大幅提升了構件的表觀形象及抗污性能，美觀且便于清潔。UHPC的應用促進了建筑設計的多樣化。

1 UHPC的概念

UHPC是一種由水泥、礦物摻合料、細集料、高強短細纖維和減水劑等加水拌合，經凝 結硬化后形成的具有超高強度、高韌性、高耐久性能的水泥基復合材料[1]。這些優異的性能很大程度上歸功于混凝土密實度的提高。高效減水劑的應用使混凝土在減少用水量的同時保持較高的流動性，降低了硬化混凝土的孔隙率、減少了硬化混凝土的內部缺陷，有效地阻止了外部有害介質的侵入；同時參考堆積模型設計合適的配合比，剔除粗骨料。制定良好的顆粒級配，也可以提高堆積密實度，進而獲得更高的強度。表1給出了UHPC與普通混凝土的性能對比[2]。

表1 UHPC與普通混凝土的性能對比

2 UHPC在建筑方面的應用

2.1 應用于大鏤空率建筑構造

相較于傳統的硅酸鹽混凝土，UHPC的優異性能為大鏤空率建筑的實現提供了可行性，在減輕幕墻重量及建筑物自重的同時，兼顧了美觀、采光等需求。法國昂熱JEAN BOUIN體育場采用這種大鏤空UHPC作為外立面，而且在屋頂創造性地將玻璃鑲嵌在UHPC構件中，使得安裝過程一步到位。這種大鏤空結構設計不僅提高了透光率，而且不影響遮陽效果。法國馬賽的地中海與歐洲文明博物館（MuCEM）[3]全部用混凝土構造，建筑師充分運用UHPC的特點，使建筑結構變得更加精致、美觀。

2.2 應用于幕墻、掛板等建筑裝飾

三沙文體館幕墻項目[4]采用了UHPC材料自支撐結構體系的設計理念，使用大鏤空率超大尺寸穿孔板，完全依靠UHPC自身的優異力學性能實現建筑設計意圖，UHPC優異的抗彎性能既保證了這種異形大鏤空率構件的實現，又保證了構件的耐久性與美觀性。加拿大魁北克的Stafoy時尚購物中心有一個5層樓的停車場，該建筑以UHPC鏤空構件和鋁板作為組合幕墻，并借助UHPC的超高性能使其實現自承重。在達成新穎美麗外觀的同時，也避免了普通配筋混凝土會隨時間腐蝕的問題，美觀實用。法國南部RATP汽車站充分利用了UHPC高流動性的特點，在封閉的模具中澆筑出預制構件，實現了幕墻、地面、屋面及連接轉角的預制拼裝。摩洛哥概念特斯拉高鐵站[5]榮獲2019年法國凡爾賽建筑獎（The Prix Versailles）“外觀特別獎”，高鐵站外立面大約由4 275塊（寬1.37 m、高 1.18 m）三角形 UHPC板組成；為了在兼顧外形美觀的同時保證建筑的強度，施工單位利用UHPC高強、高韌性、較高流動性的特點，不但確保了設計的原始形狀（三角形，大多數的項目為矩形板設計），同時還滿足了客戶的期望和設計師的創意。

2.3 UHPC在樓梯等建筑構件中的應用

由于UHPC具有高強度和高抗彎抗折性能，使用UHPC材料時不必像傳統的樓梯那樣需要在下方澆筑成塊，做出的樓梯新穎美觀，看似弱不禁風，實則安全實用。如圖1所示，Eva Jiricna用UHPC在倫敦的地標性建筑薩默塞特宮制造出一個優雅的螺旋樓梯[6]。圖2為一例北美的UHPC螺旋樓梯，樓梯采用的是雙鋼梁支撐結構，一塊塊黑色的樓梯踏步都是用UHPC預制成型的；樓梯踏步通過不銹鋼支架和預留在踏步板上的兩個明孔用螺栓進行固定連接；UHPC樓梯踏步非常纖薄，一般平均厚度為20 mm，前折板邊緣的厚度只有15 mm。法國Tour La Marseillaise（馬賽塔）采用了UHPC預制構件作為遮陽構件，UHPC細膩的質感和優異的耐久性在地中海強烈的日光和海風中成為最佳選擇。

圖1 薩默塞特宮螺旋樓梯（左）

圖2 北美某UHPC螺旋樓梯（右）

2.4 在通道、管道等連接、運輸方面的應用

法國馬賽的地中海與歐洲文明博物館（MuCEM）內部空間與外部之間有一條浮在空中的UHPC通道，走廊位于立柱與建筑中心之間，并且環繞著博物館。在博物館的屋頂有一座長達115 m、跨度為76 m的UHPC人行橋，橋面僅4 cm厚，其連接著博物館與對岸的圣讓堡，是最細的混凝土通道之一，UHPC實現了普通混凝土無法實現的效果。

白楊河引水工程輸水管工程區地處中亞腹地，該地區的地質環境中含有豐富的硫酸鹽物質，故凍融作用和化學侵蝕十分嚴重，這就對輸水管原材料的選擇帶來很大的困擾。塔城地區白楊河引水工程輸水管道高性能混凝土耐久性試驗[7]證明，UHPC在耐久性、抗腐蝕性、抗滲和抗凍性等方面遠優于普通混凝土。盡管UHPC的制造成本高于普通混凝土，但以達到同樣效果為標準，UHPC更具經濟優勢。該工程為UHPC在管道輸送類工程中的應用打下了堅實基礎。

2.5 在輸電塔等方面的應用

輸電塔的腐蝕問題是工程中的常見問題[8]。西北鹽堿地區輸電塔工程地處強腐蝕鹽漬土地區，干濕和凍融交替作用明顯，輸電塔基礎易受到比較嚴重的腐蝕，導致桿塔傾斜甚至倒塌，嚴重影響輸變電線路的安全和正常運行。基于UHPC優異的材料性能，將UHPC制作為外套筒與普通混凝土共同組成UHPC-NC組合樁基礎[9]，有效提升了輸電塔基礎在鹽堿地區的抗腐蝕能力。

3 思考與展望

如今，為了提高建筑業的勞動生產率，提高建筑的整體質量，降低建筑成本，降低物耗、能耗和噪聲污染，改善施工環境，我國正大力推廣建筑工業化。由于UHPC具有超高抗壓強度、高抗剪、高抗折強度及韌性、耐久性優良等特點，建筑結構使用UHPC后的服役年限更長；在相同的強度設計要求下，混凝士構件截面減小、自重減輕，并且可以減少配筋量，工藝簡單，節省工程的綜合造價。展望未來，UHPC在建筑結構領域必將擁有更為廣闊的應用前景，極大地促進建筑工業化。