弗思特白皮书4.0：超高性能混凝土(UHPC)材料——在建筑幕墙中的应用

超高性能混凝土 (UHPC) 材料 ——在建筑幕墙中的应用 弗思特白皮书 4.0 伦敦·上海·南京·杭州·北京·成都·深圳·武汉·西安·广州 电话：+86 17715265218邮箱：sm@forcitis.com网址：www.forcitis.com APPLICATION OF UTRA-HIGH PERFORMANCE CONCRETEMATERIALS IN BUILDING CURTAIN WALLS 超高性能混凝土 (UHPC) 材料在建筑幕墙中的应用 弗思特白皮书 4.0 如需转载，请致电+86 17715265218 CONTENTS 目录 Background and introduction of UHPC 超高性能混凝土背景与简介01 1.1UHPC材料的定义006 1.2 UHPC材料的发展历程008 1.3UHPC的应用领域012 1.3.1UHPC的应用场景0121.3.2UHPC做结构的案例实景0131.3.3幕墙UHPC制品的应用018弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 1.4UHPC的材料组成022 1.5UHPC的性能优势0241.5.1UHPC基本性能的定量化要求0241.5.2UHPC应用在幕墙中的优势025 共塑美好城市 1.6 UHPC的相关规范028 UHPC 幕墙表皮案例研究 3.1.3预埋套筒安装0873.1.4自承重点爪式安装0883.1.5 UHPC的标准板块转角形式0893.1.6背负钢架的合理设置0893.2UHPC 幕墙装饰板的生产流程0903.3 UHPC生产工艺管控要点0913.4 UHPC色差控制措施098 2.1境外UHPC幕墙项目033 2.1.1马赛塔大厦0332.1.2路易威登基金会纪念馆0402.1.3欧洲和地中海文明博物馆0472.1.4其他建成案例051 2.2中国UHPC幕墙项目067 2.2.1上音歌剧院0672.2.2深汕科技生态园展示中心0692.2.3深圳悦彩城0712.2.4西安国际足球中心0732.2.5其他建成案例076 Common problems about UHPC UHPC常见问题04 UHPC curtain wall design and production process control 4.1 UHPC常见问题102 弗思特原创，未经允许，UHPC幕墙设计与生产工艺管控03 后记106禁止复制、修改、转载等弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 关于弗思特107 3.1 UHPC挂接系统设计0863.1.1 UHPC技术参数0863.1.2背栓式安装087 UHPC 材料的定义Definition of UHPC Materials 1.1 // chapter 1 在 第 一 个 UHPC 标 准 建 材 联 合 会 和CCPA 团体标准《超高性能混凝土基本性 能 与 试 验 方 法 T/CBMF 37-2018 T/CCPA 7-2018》中，定义超高性能混凝土（以下简称 UHPC）是指兼具超高抗渗性能与力学性能的纤维增强水泥基复合材料。 UHPC，英文全称“Ultra-HighPerformance Concrete， 中 文名为超高性能混凝土。 超高性能混凝土实际是纤维增强材料，完整的英文名称缩写为 UHPFRC，其中FR 表示纤维增强，但大家更偏爱使用UHPC 的简称。 * 单轴拉伸和压缩 UHPC 的典型应力－应变特征与其它材料对比（引自《超高性能混凝土（UHPC）的性能和应用简述》） UHPC 的设计理论为最大堆积密度理论(densified particle packing), 其组成材料不同粒径颗粒以最佳分布形成最紧密堆积 , 也就是说，毫米级颗粒 ( 骨料 ) 璀积的间隙由微来级颗粒 ( 永泥、粉煤灰、矿粉 ) 填充，微来级颗粒堆积的间隙由亚微来级颗粒（硅灰 ) 填充，用充分分散的超细颗粒 ( 硅灰 ) 填充在永泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化。弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 前面提到，UHPC 的高韧性是依靠加入短纤维来实现。早期使用直径 0.15~0.4mm、长度 6~12 mm 的平直光圆钢纤维，可将 UHPC 的抗拉强度提高到 30Ma，断裂能达到 1,500~40,000 N/m。现在，使用异形，特别是扭转形高强钢纤维，可以进一步提高 UHPC 的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。 由规范定义可得，UHPC 有两个重要的基本特征：“超高耐久性”+“超高力学性能”，其中力学性能不仅是超高抗压强度，更重要的是高抗拉性能。UHPC是高韧性材料，依靠纤维获得高抗拉性能和高韧性，也就是 UHPC 由纤维和基体两个部分组成。弗思特原创，未经允许， 规范《超高性能混凝土基本性能与试验方法 T/CBMF 37-2018 T/CCPA 7-2018》中 对 UHPC 基 本 性 能 提 出 定 量 化 要求，即超高力学性能需满足：抗压强度≥ 120 Mpa，初裂抗拉强度≥ 5 Mpa。 它通过提高组织成分的细度与活性，使材料内部的孔隙与微裂缝减到最少，从而获得超高强度与耐久性。禁止复制、修改、转载等 基体是高密实、超高强砂浆或混凝土，大部分 UHPC 的基体是超高强砂浆，不含纤维的超高强砂浆和混凝土是高脆性材料，并且强度越高脆性越大，但加入合适的、足够量的纤维，就能成为高抗拉、高韧性的材料。 上世纪九十年代，法国是 UHPC 研究发展最活跃的国家。在 DSP 胶凝系统的基础上，法国多个企业参加的“活性粉末混凝土”（ReactivePowder Concrete，简称 RPC）研究项目，发表了系列研究论文使 RPC或 UHPC 在世界范围获得重视和研究发展。 UHPC（超高性能混凝土）名称是 1994 年法国学者建议的，因能更好表达这种超高性能水泥基纤维增强材料的优越性能，逐步被广泛接受和采用，在国际上通用。 我国早在上世纪九十年代初期，就开始跟踪丹麦的技术；在法国发展成功活性粉末混凝土 RPC，并在全世界推广后，也开展了大量的研究，并在我国的高速铁路中大量用于人行道挡板、盖板，开始了 UHPC 在工程中的规模化应用。 UHPC 材料的发展历程Development History of UHPC Materials 1.2 // chapter 1 最早的规模化应用是客运专线的电缆沟盖板（详见图 UHPC 发展国际国内大事年表），开端性的桥梁应用包括：2006 年建造迁曹铁路滦柏干渠大桥，2011 年肇庆马房大桥，2015 年建造福州大学校园内 UHPC 拱桥（10 m 跨径）和京港澳高速石安段 UHPC 箱梁公路桥，2016 年建造的长沙北辰虹桥和上海装配式高架桥 UHPC 湿接缝；之后桥梁和建筑创新应用呈明显增长势头。 丹麦 Aalborg Portland 水泥与混凝土试验室，是国际一流的水泥、混凝土研发机构。1979 年，丹麦 Aalborg Portland 试验室的 Hans Henrik Bache 先生申请第一个专利以及建立 DSP 理论： DSP 模型（Densified Systems with Homogeneously Arranged Ultra-fineParticles，致密系统中均匀分布的超细颗粒）是一种理论模型， DSP 模型的关键在于利用超细颗粒材料填充水泥基体中的空隙，从而提高混凝土的密实度、力学性能和耐久性。弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 UHPC 目前已经有 40 年的历史，但受限于混凝土技术、辅助材料技术的限制，真正进入发展的快车道，是在 2010年之后。根据《2022 年中国超高性能混凝土（UHPC）技术与应用发展报告》，目前市场规模与产业发展相关数据为：2021 年 12 月 -2022 年 12 月中国 UHPC 用量超过 8.2 万 m³，其中大部分使用 UHPC 预混料，约为 12.2 万吨。与 2021 年相比（月平均用量约 5800 m³），2022 年中国 UHPC 用量有增长，但增幅不大（不足 9 %）。2022 年UHPC 用量分布为：桥梁 48 %，建筑 23 %，其他（电力、市政、维修加固等）29 %。在桥梁应用中，59 %UHPC用于钢 -UHPC 组合梁或复合桥面，完成桥面面积超过 29.2 万 ㎡；22% 用于结构连接（湿接缝）；19 % 用于预制构件。在建筑应用中，预制构件用量约 45 %；幕墙用量约 55 %，完成幕墙面积超过 31.7 万㎡。弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 Aalborg Portland 试验室采用超细掺合料 - 硅灰填充水泥颗粒之间的间隙，利用高效减水剂减少拌合用水，制得抗压强度为 120~250 MPa 的水泥石。这是首次通过采用常规工艺制得 120 MPa 以上的水泥石。由于 DSP 胶凝系统采用高强水泥与超细掺合料 - 硅灰，按最紧密堆积原理确定相对比例而成。因此，称为均布超细致密体系（DSP)。 UHPC 的应用领域Application areas of UHPC 1.3// chapter 1 景观人行桥——苏州荷花池公园：景观桥、人行桥 该项目是国内首个超大板块 UHPC园林改造项目，其荷花池景观桥设计出自全国勘察设计大师朱祥明。该项目为目前国内最大异形装饰结构一体化 UHPC 构件，单板尺寸超过 30 ㎡重量超过 8 吨。弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 项目设计是在种满荷花的水池上建造可供市民休闲、观赏、拍照的水上栈道与平台，边缘为荷花边造型的坐凳，既应景又兼具实用性。 一战纪念环——“追忆之环”弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 这个巨大的环体以水平之姿恒立在大地上，就像是一个完美的无重力浮体，其与起伏的地形形成巨大的反差，为此，壮观的悬挑因而出现。弗思特原创，未经允许，禁止复制、修改、转载等 这个为了纪念第一次世界大战 100 周年而建造的环体位于国家墓地旁。在悲伤已经归于平伏的如今，建筑师希望给同胞建立一座艺术与自然的环体，表达对和平的向往与祝福。 环体的 2/3 都扎根于土地中，其余部分在坡地开始变陡峭时离开了地面。环体在坡地上长距离的悬挑也仿佛在提醒人们，和平是脆弱的。 “追忆之环”对于超高性能纤维增强混凝土材料的运用也可谓极致，让工程材料回归结构，紧密将材料与工程问题相结合，才能真正发挥材料的优势和价值。 环体最大的悬挑距离达到了 60 m，如此艺术的效果是通过新型材料实现。建筑采用了超高性能的纤维增强混凝土，采用预应力结构，打造出这个无视时间，具有永恒效果般的悬挑环体。 桥梁——沾临黄河特大桥 桥梁——广州鹤洞大桥 沾临黄河特大桥总长 4530m，主桥采用 80 ＋ 180 ＋ 442 ＋ 180 ＋ 80 ＝ 962 m 双塔钢 - 超高性能混凝土（UHPC）组合梁斜拉桥，主桥预制桥面板采用了自主研制的 UHPC 材料，形成了一整套材料验收及 UHPC 桥面板工厂化施工标准。其主桥钢混组合梁精准就位，标志着国内桥梁领域首次带 UHPC 桥面板大吨位、长距离全断面顶推施工全部完成，实现了中国桥梁建设又一次全新跨越。 2021 年 5 月，广州鹤洞大桥的东西引桥开始进行中大修工程。当时现有检测报告显示梁体普遍存在裂缝，个别裂缝还出现了钢筋腐蚀和混凝土脱落。工程设计拆除 H 线原上部现浇钢筋混凝土板式梁格结构，新建钢 -UHPC 组合连续梁桥。 桥梁全长 465 m，全宽 UHPC 桥面板分为预制板、纵向湿接缝、横向湿接缝、两侧现浇带及伸缩缝处现浇带五部分。UHPC 桥面板长度 6 ～ 7 m，宽度约 2 m，厚度均为 18cm。因长度、角度、弧线等各项参数的变化。弗思特原创，未经允许， 在当前的大环境下，我国对桥梁的需求已不