幕墙知识丨No.7 什么是UHPC?

“我们不知道这种材料将带我们走多远,但我们肯定可以一起改变世界。”——鲁迪•里乔蒂(Rudy Ricciotti)
什么是UHPC
UHPC中的 UH是词组(Ultra-High)的缩写,是指最高量级
P( Performance)的单词意思是性能、功效
C指的是混凝土(Concrete)
UHPC便是指「超高性能混凝土」(Ultra-High Performance Concrete)
 
▲普通混凝土
▲UHPC
UHPC的强度有多大
既然UHPC是超高性能混凝土,那它的性能究竟可以达到多高?以混凝土最主要的抗压性能来看,普通混凝土的抗压强度差不多在15Mpa-30Mpa(每平方米可受力20-30吨),而我们日常生活中硬度很高的生铁,抗压强度一般在200Mpa (每平方可受力200吨),据说UHPC抗压强度最高却可以达到810Mpa(每平方米可受力810吨)。可以说普通混凝土在UHPC面前都是“战五渣”。
 
齐天大圣孙悟空的如意金箍棒,变化无穷,有通天彻地之能,又换做如意金箍棒,也不多重达一万三千五百斤(约6.75吨),强度最高的UHPC一平方米上放个一百来根的定海神针还是轻轻松松的。
超高混凝土(UHPC)的“高”可不仅仅是单一的抗压能力
 
UHPC的”三高”
「超高性能混凝土」主要以“”三高”著称:强度高、耐久性高、工作性高。
 
 
『强度高』
 
上文已经提过UHPC最高抗压强度可以达到810Mpa,因为每个国家的工艺水平有较大差异,对UHPC最低也要求抗压达到150Mpa以上,抗剪力达到25Mpa以上,且高隔热、高防水,质地细腻,基本可以隔绝一切有害介质。可谓是擎天白玉柱,架海紫金梁,独立扛起一片天。
▲中海·左岸澜庭,建筑设计:上海天华,UHPC施工:南京倍立达 © 王骁、© 是然建筑摄影
『耐久性高』
 
传统混凝土不可避免得,自身具有很多的缝隙。在高温或低温、阴雨连绵或是艳阳高照的情况下缝隙便会进一步放大使用寿命低,而UHPC自身基本没有任何缝隙,即使受外力影响产生细微的缝隙,UHPC还具有神奇的自愈能力。
UHPC最早多应用于桥梁建设,以此来减少结构的自重,提升结构的使用寿命和耐久性。使用寿命可以达到100年以上。
 

▲Dřetovice河畔的桥梁,捷克

▲Sunyudo Footbridge

 
『工作性高』
 
传统混凝土“粗、笨、厚、重”等特点不同,UHPC依仗着自己强悍的物理特性,可以将结构极度得轻量化,具有强烈的视觉美感。设计师借助其优良的性能完全可以将天马行空的想象落到实处。
UHPC密度大、表面光洁度高、质地细腻有温润如玉之感,普通混凝土在UHPC面前完全是个糙汉子。不仅如此,超低的低孔隙率也使得UHPC不易被污染,清洁维护工作好做。

▲Uluru混凝土模块座椅 / Shiro studio

UHPC为何如此强悍
传统混凝土一般是由水泥、掺合料、砂石、水等成分按一定比例进行配制,经过搅拌和在一定的养护之后便形成以骨料(砂石)和水泥浆为主的水泥基复合材料但传统混凝土的骨料与水泥浆在物理和力学性能上,有较大的差异,主要受以下三个方面的制约:
第一水泥浆含水在高温或低温热胀冷缩的作用先,骨料和水泥浆之间天然便会产生缝隙。
第二以砂石为主的骨料硬度不高且体积较大在外力的用下会使缝隙进一步放大,一般来说骨料的体积越大裂缝越大。
第三传统混凝土在搅拌过程粗糙,使得起支撑作用的骨料在水泥浆的分布并没有很均匀且孔隙率比较高,大大降低混凝土的抗压能力。
▲混凝土配料以及混凝土浇筑
使得传统混凝土脆性大、抗压能力差且耐久性不高。抗压能力只有20Mpa-30Mpa 。
提高混凝土的性能主要从一下3点入手:
1尽可能降低混凝土中的水分含量。
2寻找体积更小硬度更高的物质作为骨料。
3降低孔隙率并使骨料、介质等分部更加均匀。
 
『减水剂降低水分含量』
『超细粉末提高密实度』
 
上世纪70年代丹麦人通过在混凝土加入减水剂和超细粉末等方式使混凝土的强度极大提升。减水剂使得混凝土中的水分含量大幅度降低。超细粉末粉末作为掺合料加入到混凝土的配料中去,通过充分的搅拌以此来有效减少骨料之间的缝隙并最大限度得减少混合空气的质量,提高材料的密实度。
 
通过以上手法处理过的混凝土被称作HPC(高强混凝土),理论上HPC 的抗压能力可以达到120MPA的强度(每平方米可以承受120吨的力)。
『钢纤维增加强度』
『活性粉末提高融合度』
 
上世纪90年代左右,人们将硅灰、矿粉等活性矿物粉末作为混凝土的掺合料,并且用超细的钢纤维来代替传统的粗骨料,掺入超细活性粉末将材料的内部缺陷降到最低。钢纤维强度更高体积更小,硅灰、矿粉等活性矿物粉末则可以在化学意义上使材料之间的融合度更高,并在高温高压的环境下经过长时间的养护让混凝土在微观结构上达到最优。即使材料有细微的裂缝在活性矿物粉末的作用下也可以缓慢自愈
 
▲混凝土中超细的钢纤维
『高压成型』
『高温养护』
因为整个过程起主主导作用的为活性矿物粉末,此时的混凝土被称作RPC(Reactive Poeder Concrete)活性粉末混凝土,此种混凝土已经可以具备超高的物理性能也开始被称作UHPC。
一般RPC(活性粉末混凝土)根据养护条件的不同可以分为两个等级,在20℃-90℃的情况下养护3天左右,RPC的抗压强度可以达到200MPA(每平方米可受力200吨)左右,此类混凝土被称作PRC200。如果将RPC利用高压成型后(高压下UHPC的孔隙率更低),在250℃-400℃的条件下进行养护,RPC的抗压强度可以达到500MPA-800MPA,此类混凝土被称作PRC800。
 
各国之间的工艺制作水平和科学技术具有较大的差异性,各国对于UHPC的评定标准也具有很大差异性。一般来说抗压强度超过150MPA的混凝土便可以称作超高性能混凝(UHPC)了。
 

▲白塔寺杂院预制模块设计,北京 / 度态建筑 摄影孙海霆

『UHPC相对的局限性』
一般来说,UHPC如果想达到比较高的强度,便需要一定的高温高压热养护作为必要条件,另一方面钢纤维在搅拌过程中容易结团,需要大型的专业搅拌设备。而这些对于现场浇筑的施工条件来说基本很难达到。这也就导致了UHPC大多是需要在工厂提前制备完成的预制件。
▲中海左岸澜庭项目的UHPC预制构件(图片来自:上海天华)
 
UHPC应用案例
 
卡塔尔国家博物馆
开放于2019年的卡塔尔博物馆,以“沙漠玫瑰”这一独特的自然意向为设计灵感,垂直结构起主要的承重结构,支撑起一片交错的圆盘,未来感十足。建筑师让·努维尔利用UHPC超强的力学性能,将悬挑夸张的圆盘作为热带沙漠环境主要的遮阳系统,创造了融合建筑、室外、感官一体化的独特体验。

▲卡塔尔国家博物馆,多哈 / 让·努维尔

 

『杭州余杭大剧院』

杭州余杭大剧院是我国建筑中对UHPC应用的首例,建筑整体采用“框剪+型钢砼(混凝土)”的结构形式,满足冰面开裂的设计灵感,建筑浑然一体具有极强的视觉效果。UHPC 表面细腻,为后期的维护也提供了诸多的便利。

▲杭州余杭大剧院,浙江 / Henning Larsen,摄影: Philippe Ruault 和 临平新城

『阿布扎比卢浮宫』

阿布扎比卢浮宫同样也是普利兹克奖得主让·努维尔的代表作,建筑群的立面由3900块高性能纤维混凝土(UHPC)形成造型独特的穹顶结构。在超高混凝土强悍的性能下,整个穹顶机构基本不再需要其他的结构组件,纯粹而又通透,配合周边的水体环境,光影斑驳十分迷人。

 

▲阿布扎比卢浮宫 / 让·努维尔

『上海歌剧院』
上海歌剧院建筑立面材料为UHPC外墙挂板和GRC挂板,整体呈镂空状,以砌砖图案为主要的设计来源,简洁的肌理与色彩与周围环境步调一致,清静雅丽。
▲上海歌剧院 摄影师:邵峰

『Dřetovice河畔的桥梁』

 
桥梁的双曲几何结构有着10米的跨度和0.4米的弧度,桥梁利用UHPC以极其简约的轻量结构,突破了传统桥梁的局限性,具有迷人的科技感的同事,又仿佛源自于神话传说,将我们带往未知的隐秘角落。
 

▲Dřetovice河畔的桥梁,捷克

天才建筑师鲁迪•里乔蒂(Rudy Ricciot1)曾经对UHPC(超高性能混凝土)这样评价,“我们不知道这种材料将带我们走多远,但我们肯定可以一起改变世界。”的确,科技的力量更像是一座桥,引领着设计师前往创意的王国。
 
参考资料:
《超高性能混凝土实验分析以及性能研究》(作者:冯毅)
《2019年度中国超高性能混凝土发展与应用报告》)
 
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