超高性能混凝土轻型预制件在市政工程中应用探索

2021-04-10陈妍如张爱玲李敏

新型工业化 2021年7期

陈妍如，张爱玲，李敏

（四川大学锦城学院，四川成都 611731）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是具有超高强度、高韧性、高耐久性能、良好塑形能力的水泥基复合材料。UHPC的抗拉强度可以达到30MPa以上，UHPC的耐久性指标比普通混凝土高出数倍。

UH PC预制拼装部件的研究和探索发展迅速。美国TAKTL公司致力于UHPC轻型组装构件的研发，将UHPC运用到交通、基础设施中，让UHPC轻薄的特点和耐久性好的优势得到充分发挥[1]。法国、比利时和丹麦的建筑师利用UHPC良好的塑形能力，搭建出大块板状、镂空板式、圆浮点等风格各异的建筑外墙，极大丰富建筑元素[2]。

本文将UHPC引入市政工程中，既能满足市政部件的性能需求又更轻薄美观，维护费用低。

1 使用UHPC的市政建设轻型部件

1.1 UHPC路缘石

路缘石是公路桥梁的防护装置，是道路工程中重要的安全保障。混凝土路缘石主要病号为表面疏松、脱皮、缺棱、掉角等，在北方寒冷地区，上述病害尤其严重[3]。新疆建工集团专门针对高寒地区路缘石病害展开高耐久性混凝土路缘石的研制与生产，以解决高寒地区路缘石耐久性问题[4]。在文献［5］中，An MZ等考虑UHPC在盐溶液中冻融循环的破坏机理，证明UHPC在低温条件下也有再水化，可以填充缝隙修复冻融损伤。haheen等[6]进行带初裂缝的UHPC试件冻融循环过程实验，试件无明显的冻融破坏，表现出良好的耐久性。高寒地区和盐渍土区域，UHPC是路缘石材料首选，可以抵抗高寒和盐渍土区出现的问题。非严寒区域，由于UHPC良好的耐磨性、抗冲击能力、抗氯离子渗透和硫酸盐离子侵蚀，使用UHPC材料制作路缘石，也可以有效提高路缘石的耐久性，减少修护工作，降低更换频率。

1.2 UHPC透水砖

透水砖是海绵城市重要部件，需要满足强度和透水性要求。目前常用透水砖通常是高温烧结的大孔隙砖块，主要通过透水砖表面和内部空隙排水。文献［7］研究结果显示，在快速路和主干路、人行道、次干路和支路、停车场，不同场所堵塞物对透水路面渗透性能衰减作用不同，在停车场中最容易发生堵塞。为保持透水砖的透水性，需要定期对透水砖进行清洗，后续维护和保养费用较高。

相比烧结透水砖，UHPC透水砖通过镂空网格透水，排水速度快，不易堵塞，维护费用低。参考UHPC法国马塞塔（ La Marseillaise tower）遮阳板和Mu CEM博物馆的UHPC镂空幕墙，制造镂空透水砖可以实现工厂化生产，且镂空造型可以多变，既满足整体造型需求又实现透水功能。

1.3 UHPC公交站

公交站是城市的名片，是城市公共设施的重要组成部分。目前大部分公交站是不锈钢和铝制公交站。此类结构轻薄，安装和拆除速度快。钢制公交站拼接处耐腐蚀性不够好，防腐处理时间间隔短。钢制和铝制公交站夏季使用感较差，容易形成高温区域，候车环境差。座椅和扶杆夏季几乎不能坐靠，形同虚设。采用UHPC制作公交站，夏季遮阳和挡雨效果好，防腐蚀维护费用小。另外通过调整构件受力特点，将立柱、顶蓬和站台连接为一体，可以提高公交站台抗倾覆性。

UHPC材料具有良好的可塑性，造型能力比普通混凝土好。法国巴黎Thiais的RATP巴士调度总站，采用Ductal公司生产的UHPC预制面板，实现乐高玩具外壳，从地面到墙面的渐变。在加拿大卡尔加里邵尼斯，轻轨站亦是UHPC材料建造。该轻轨站仅使用多个独柱支撑在月台，每根独柱上接三根立柱，立柱支撑仅2cm后的车站天蓬。整体设计简单美观，没有结构冗余。

1.4 UHPC街道家具

街道家具起源于英国，随着城市的发展，品类逐渐丰富。文献［8］将街道家具分为公共服务、交通和景观小品三类。本文已将公交站台列出，将其他街道家具分为实用功能家具和景观家具。实用功能家具包括公共厕所、禁令标志、警告标志、告示标志、街牌、信息亭（牌、栏）、广告牌等；景观家具包括座椅、娱乐和健身器材雕塑、架廊、绿地组合等。实用功能街道家具首先按功能选择材料，本文仅讨论景观家具。

座椅和架廊通常选择木材，触感舒适且景观效果好。木制座椅易腐烂，即使使用防腐木也需要定期维修和更换。绿地组合池通常采用普通混凝土制作，造价低廉塑形能力好。有健身功能的步道，多采用彩色混凝土，既色彩鲜艳又有利于排水。

UHPC是塑性能力极好的材料。文献［4］中比利时图尔奈的Urbastyle公司采用UHPC混凝土生产优质的街道家具，并开发智能化、信息化管理运行的生产线。采用UHPC材料，可以丰富座椅、架廊和其他街道家具设计风格，并不拘泥于木制风格。例如，儿童较多的区域可以采用文献［4］中介绍的圆浮点渐变风格，模拟乐高款式，增加趣味性；散步人群多的区域可以采用镂空隔板形式让架廊顶部形状更丰富。另外，UHPC耐久性比普通混凝土更好，寿命更是数倍于木材。采用UHPC混凝土制作街道家具能够有效减少维修次数，降低维护费用。

街道家具也可以实现智能化生产，即使是不同风格的街道家具也可以交给生产线生产，降低生产成本。

2 使用UHPC材料制造市政部件的优势

尽管UHPC材料单价较高，但UHPC零部件强度高，同强度条件下结构更薄，结构自重小。文献［9］中，在南京诚信大道人防中使用装配整体式预应力UHPC顶板，单片梁重量降低50%，总造价比现浇钢筋混凝土板结构降低约17%。UHPC良好的耐久性，可以拉长市政部件的维护周期，降低维护中的人工费用和材料费用。UHPC良好的塑形能力，能够满足更多的使用需求和风格需求。UHPC从结构设计到表面造型都可以通过流水线生产，生产效率高且不需要单独造型，省去雕刻、切割、钻孔等费用。