為何UHPC如此強悍？

                                                        為何UHPC如此強悍?

　　UHPC中的 UH是詞組(Ultra-High)的縮寫,是指最高量級P( Performance)的單詞意思是性能、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)

　　既然UHPC是超高性能混凝土，那它的性能究竟可以達到多高?

　　以混凝土最主要的抗壓性能來看，普通混凝土的抗壓強度差不多在15Mpa-30Mpa，而我們日常生活中硬度很高的生鐵，抗壓強度一般在200Mpa ，據說UHPC抗壓強度最高卻可以達到810Mpa，可以說普通混凝土在UHPC面前都是“戰五渣”。

　　【舉例】：齊天大圣孫悟空的如意金箍棒，重達一萬三千五百斤(約6.75噸)，強度最高的UHPC一平方米上放個一百來根的定海神針還是輕輕松松的。

　　超高混凝土(UHPC)的“高”可不僅僅是單一的抗壓能力

　　UHPC的"三高"

　　【超高性能混凝土】主要以“”三高”著稱：強度高、耐久性高、工作性高。

　　1、強度高

　　上文已經提過UHPC最高抗壓強度可以達到810Mpa，因為每個國家的工藝水平有較大差異，對UHPC最低也要求抗壓達到120Mpa以上，抗剪力達到25Mpa以上，且高隔熱、高防水，質地細膩，基本可以隔絕一切有害介質。可謂是擎天白玉柱，架海紫金梁，獨立扛起一片天。

　　2、耐久性高

　　傳統混凝土不可避免的，自身具有很多的縫隙。在高溫或低溫、陰雨連綿或是艷陽高照的情況下縫隙便會進一步放大使用壽命低，而UHPC自身基本沒有任何縫隙，即使受外力影響產生細微的縫隙，UHPC還具有神奇的自愈能力。

　　UHPC最早多應用于橋梁建設，以此來減少結構的自重，提升結構的使用壽命和耐久性。使用壽命可以達到100年以上。

　　▲Sunyudo Footbridge

　　3、工作性高

　　與傳統混凝土“粗、笨、厚、重”等特點不同，UHPC依仗著自己強悍的物理特性，可以將結構極度的輕量化，具有強烈的視覺美感。設計師借助其優良的性能完全可以將天馬行空的想象落到實處。

　　UHPC密度大、表面光潔度高、質地細膩有溫潤如玉之感，普通混凝土在UHPC面前完全是個糙漢子。不僅如此，超低的低孔隙率也使得UHPC不易被污染，清潔維護工作好做。

　　▲Uluru混凝土模塊座椅 / Shiro studio

　　UHPC為何如此強悍

　　傳統混凝土一般是由水泥、摻合料、砂石、水等成分按一定比例進行配制，經過攪拌和在一定的養護之后便形成以骨料(砂石)和水泥漿為主的水泥基復合材料。但傳統混凝土的骨料與水泥漿在物理和力學性能上，有較大的差異，主要受以下三個方面的制約：

　　第一：水泥漿含水在高溫或低溫熱脹冷縮的作用先，骨料和水泥漿之間天然便會產生縫隙。

　　第二：以砂石為主的骨料硬度不高且體積較大在外力的用下會使縫隙進一步放大，一般來說骨料的體積越大裂縫越大。

　　第三：傳統混凝土在攪拌過程粗糙，使得起支撐作用的骨料在水泥漿的分布并沒有很均勻且孔隙率比較高，大大降低混凝土的抗壓能力。

　　▲混凝土配料以及混凝土澆筑

　　使得傳統混凝土脆性大、抗壓能力差且耐久性不高。抗壓能力只有20Mpa-30Mpa 。

　　提高混凝土的性能主要從以下3點入手：

　　1、盡可能降低混凝土中的水分含量。

　　2、尋找體積更小硬度更高的物質作為骨料。

　　3、降低孔隙率并使骨料、介質等分布更加均勻。

　　減水劑降低水分含量

　　超細粉末提高密實度

　　上世紀70年代丹麥人通過在混凝土加入減水劑和超細粉末等方式使混凝土的強度極大提升。減水劑使得混凝土中的水分含量大幅度降低。超細粉末粉末作為摻合料加入到混凝土的配料中去，通過充分的攪拌以此來有效減少骨料之間的縫隙并最大限度得減少混合空氣的質量，提高材料的密實度。

　　▲UHPC的充分攪拌

　　通過以上手法處理過的混凝土被稱作HPC(高強混凝土)，理論上HPC 的抗壓能力可以達到120MPA的強度(每平方米可以承受120噸的力)。

　　鋼纖維增加強度

　　活性粉末提高融合度

　　上世紀90年代左右，人們將硅灰、礦粉等活性礦物粉末作為混凝土的摻合料，并且用超細的鋼纖維來代替傳統的粗骨料，摻入超細活性粉末將材料的內部缺陷降到最低。鋼纖維強度更高體積更小，硅灰、礦粉等活性礦物粉末則可以在化學意義上使材料之間的融合度更高，并在高溫高壓的環境下經過長時間的養護讓混凝土在微觀結構上達到最優。即使材料有細微的裂縫在活性礦物粉末的作用下也可以緩慢自愈。

　　▲混凝土中超細的鋼纖維

　　▲加入鋼纖維的UHPC摻合料

　　高壓成型

　　高溫養護

　　因為整個過程起主主導作用的為活性礦物粉末，此時的混凝土被稱作RPC(Reactive Poeder Concrete)活性粉末混凝土，此種混凝土已經可以具備超高的物理性能也開始被稱作UHPC。

　　一般RPC(活性粉末混凝土)根據養護條件的不同可以分為兩個等級，在20℃-90℃的情況下養護3天左右，RPC的抗壓強度可以達到200MPA(每平方米可受力200噸)左右，此類混凝土被稱作PRC200。如果將RPC利用高壓成型后(高壓下UHPC的孔隙率更低)，在250℃-400℃的條件下進行養護，RPC的抗壓強度可以達到500MPA-800MPA，此類混凝土被稱作PRC800。

　　各國之間的工藝制作水平和科學技術具有較大的差異性，各國對于UHPC的評定標準也具有很大差異性。一般來說抗壓強度超過150MPA的混凝土便可以稱作超高性能混凝(UHPC)了。

　　▲白塔寺雜院預制模塊設計，北京 / 度態建筑 攝影：孫海霆

　　UHPC相對的局限性

　　一般來說，UHPC如果想達到比較高的強度，便需要一定的高溫高壓熱養護作為必要條件，另一方面鋼纖維在攪拌過程中容易結團，需要大型的專業攪拌設備。而這些對于現場澆筑的施工條件來說基本很難達到。這也就導致了UHPC大多是需要在工廠提前制備完成的預制件。

　　▲中海左岸瀾庭項目的UHPC預制構件(圖片來自：上海天華)

　　UHPC應用案例

　　『卡塔爾國家博物館』 ▼ ▼ ▼

　　開放于2019年的卡塔爾博物館，以“沙漠玫瑰”這一獨特的自然意向為設計靈感，垂直結構起主要的承重結構，支撐起一片交錯的圓盤，未來感十足。建筑師讓·努維爾利用UHPC超強的力學性能，將圓盤作為熱帶沙漠環境主要的遮陽系統，創造了融合建筑、室外、感官一體化的獨特體驗。

　　▲卡塔爾國家博物館，多哈 / 讓·努維爾

　　『杭州余杭大劇院』 ▼ ▼ ▼

　　杭州余杭大劇院是我國建筑中對UHPC應用的首例，建筑整體采用“框剪+型鋼砼(混凝土)”的結構形式，滿足冰面開裂的設計靈感，建筑渾然一體具有極強的視覺效果。UHPC 表面細膩，為后期的維護也提供了諸多的便利。

　　▲杭州余杭大劇院，浙江 / Henning Larsen，攝影: Philippe Ruault 和 臨平新城

　　『阿布扎比盧浮宮』 ▼ ▼ ▼

　　阿布扎比盧浮宮同樣也是普利茲克獎得主讓·努維爾的代表作，建筑群的立面由3900塊高性能纖維混凝土(UHPC)形成造型獨特的穹頂結構。在超高混凝土強悍的性能下，整個穹頂機構基本不再需要其他的結構組件，純粹而又通透，配合周邊的水體環境，光影斑駁十分迷人。

　　▲阿布扎比盧浮宮 / 讓·努維爾

　　『上海歌劇院』▼ ▼ ▼

　　上海歌劇院建筑立面材料為UHPC外墻掛板和GRC掛板，整體呈鏤空狀，以砌磚圖案為主要的設計來源，簡潔的肌理與色彩與周圍環境步調一致，清靜雅麗。

　　▲上海歌劇院 攝影師:邵峰

　　『D?etovice河畔的橋梁』

　　橋梁的雙曲幾何結構有著10米的跨度和0.4米的弧度，橋梁利用UHPC以極其簡約的輕量結構，突破了傳統橋梁的局限性，具有迷人的科技感的同時，又仿佛源自于神話傳說，將我們帶往未知的隱秘角落。

　　▲D?etovice河畔的橋梁，捷克