浅谈UHPC在建筑中的应用

韩阿慧 王 超 曹娟丽

1西安长安大学工程设计研究院有限公司（710061） 2中设设计集团股份有限公司（210001）

0 前言

随着建筑业的不断发展，普通混凝土已经无法满足建筑工程对强度、耐久性和可靠性的要求，其在施工应用中也存在病态起砂、自重较大、承载效率低等问题。UHPC（超高性能混凝土）有着超细颗粒的特点及自密实性能，使其在建筑应用中能精确复制模具的几何图案，在图形、质感和外形上具有超强的塑造能力和无限的可能性，几乎可以填充或构建任何复杂几何形状，这是传统混凝土无法比拟的。而且密实的表面结构也大幅提升了构件的表观形象及抗污性能，美观且便于清洁。UHPC的应用促进了建筑设计的多样化。

1 UHPC的概念

UHPC是一种由水泥、矿物掺合料、细集料、高强短细纤维和减水剂等加水拌合，经凝 结硬化后形成的具有超高强度、高韧性、高耐久性能的水泥基复合材料[1]。这些优异的性能很大程度上归功于混凝土密实度的提高。高效减水剂的应用使混凝土在减少用水量的同时保持较高的流动性，降低了硬化混凝土的孔隙率、减少了硬化混凝土的内部缺陷，有效地阻止了外部有害介质的侵入；同时参考堆积模型设计合适的配合比，剔除粗骨料。制定良好的颗粒级配，也可以提高堆积密实度，进而获得更高的强度。表1给出了UHPC与普通混凝土的性能对比[2]。

表1 UHPC与普通混凝土的性能对比

2 UHPC在建筑方面的应用

2.1 应用于大镂空率建筑构造

相较于传统的硅酸盐混凝土，UHPC的优异性能为大镂空率建筑的实现提供了可行性，在减轻幕墙重量及建筑物自重的同时，兼顾了美观、采光等需求。法国昂热JEAN BOUIN体育场采用这种大镂空UHPC作为外立面，而且在屋顶创造性地将玻璃镶嵌在UHPC构件中，使得安装过程一步到位。这种大镂空结构设计不仅提高了透光率，而且不影响遮阳效果。法国马赛的地中海与欧洲文明博物馆（MuCEM）[3]全部用混凝土构造，建筑师充分运用UHPC的特点，使建筑结构变得更加精致、美观。

2.2 应用于幕墙、挂板等建筑装饰

三沙文体馆幕墙项目[4]采用了UHPC材料自支撑结构体系的设计理念，使用大镂空率超大尺寸穿孔板，完全依靠UHPC自身的优异力学性能实现建筑设计意图，UHPC优异的抗弯性能既保证了这种异形大镂空率构件的实现，又保证了构件的耐久性与美观性。加拿大魁北克的Stafoy时尚购物中心有一个5层楼的停车场，该建筑以UHPC镂空构件和铝板作为组合幕墙，并借助UHPC的超高性能使其实现自承重。在达成新颖美丽外观的同时，也避免了普通配筋混凝土会随时间腐蚀的问题，美观实用。法国南部RATP汽车站充分利用了UHPC高流动性的特点，在封闭的模具中浇筑出预制构件，实现了幕墙、地面、屋面及连接转角的预制拼装。摩洛哥概念特斯拉高铁站[5]荣获2019年法国凡尔赛建筑奖（The Prix Versailles）“外观特别奖”，高铁站外立面大约由4 275块（宽1.37 m、高 1.18 m）三角形 UHPC板组成；为了在兼顾外形美观的同时保证建筑的强度，施工单位利用UHPC高强、高韧性、较高流动性的特点，不但确保了设计的原始形状（三角形，大多数的项目为矩形板设计），同时还满足了客户的期望和设计师的创意。

2.3 UHPC在楼梯等建筑构件中的应用

由于UHPC具有高强度和高抗弯抗折性能，使用UHPC材料时不必像传统的楼梯那样需要在下方浇筑成块，做出的楼梯新颖美观，看似弱不禁风，实则安全实用。如图1所示，Eva Jiricna用UHPC在伦敦的地标性建筑萨默塞特宫制造出一个优雅的螺旋楼梯[6]。图2为一例北美的UHPC螺旋楼梯，楼梯采用的是双钢梁支撑结构，一块块黑色的楼梯踏步都是用UHPC预制成型的；楼梯踏步通过不锈钢支架和预留在踏步板上的两个明孔用螺栓进行固定连接；UHPC楼梯踏步非常纤薄，一般平均厚度为20 mm，前折板边缘的厚度只有15 mm。法国Tour La Marseillaise（马赛塔）采用了UHPC预制构件作为遮阳构件，UHPC细腻的质感和优异的耐久性在地中海强烈的日光和海风中成为最佳选择。

图1 萨默塞特宫螺旋楼梯（左）

图2 北美某UHPC螺旋楼梯（右）

2.4 在通道、管道等连接、运输方面的应用

法国马赛的地中海与欧洲文明博物馆（MuCEM）内部空间与外部之间有一条浮在空中的UHPC通道，走廊位于立柱与建筑中心之间，并且环绕着博物馆。在博物馆的屋顶有一座长达115 m、跨度为76 m的UHPC人行桥，桥面仅4 cm厚，其连接着博物馆与对岸的圣让堡，是最细的混凝土通道之一，UHPC实现了普通混凝土无法实现的效果。

白杨河引水工程输水管工程区地处中亚腹地，该地区的地质环境中含有丰富的硫酸盐物质，故冻融作用和化学侵蚀十分严重，这就对输水管原材料的选择带来很大的困扰。塔城地区白杨河引水工程输水管道高性能混凝土耐久性试验[7]证明，UHPC在耐久性、抗腐蚀性、抗渗和抗冻性等方面远优于普通混凝土。尽管UHPC的制造成本高于普通混凝土，但以达到同样效果为标准，UHPC更具经济优势。该工程为UHPC在管道输送类工程中的应用打下了坚实基础。

2.5 在输电塔等方面的应用

输电塔的腐蚀问题是工程中的常见问题[8]。西北盐碱地区输电塔工程地处强腐蚀盐渍土地区，干湿和冻融交替作用明显，输电塔基础易受到比较严重的腐蚀，导致杆塔倾斜甚至倒塌，严重影响输变电线路的安全和正常运行。基于UHPC优异的材料性能，将UHPC制作为外套筒与普通混凝土共同组成UHPC-NC组合桩基础[9]，有效提升了输电塔基础在盐碱地区的抗腐蚀能力。

3 思考与展望

如今，为了提高建筑业的劳动生产率，提高建筑的整体质量，降低建筑成本，降低物耗、能耗和噪声污染，改善施工环境，我国正大力推广建筑工业化。由于UHPC具有超高抗压强度、高抗剪、高抗折强度及韧性、耐久性优良等特点，建筑结构使用UHPC后的服役年限更长；在相同的强度设计要求下，混凝士构件截面减小、自重减轻，并且可以减少配筋量，工艺简单，节省工程的综合造价。展望未来，UHPC在建筑结构领域必将拥有更为广阔的应用前景，极大地促进建筑工业化。