纤维混凝土Ductal.docx

1、纤维混凝土Ductal一种高性能纤维增强水泥基复合材料Ductal一、Ductal是什么二、Ductal的性能三、为什么Ductal具有如此优异的性能四、Engineered Cementitious Composites五、Ductal的工程应用六、Ductal与可持续性建筑一、Ductal是什么？拉法基： “Ductal是一种无配筋的新型绿色结构建筑材料。其抗压强度是普通混凝土的68倍，抗折强度是普通混凝土的10倍，耐久性是标准指标的100倍，能在过载情况下，变形但不断裂。同时具有超高质量表面，隔热性能优良，是结构建筑的绝佳材料，尤其在桥梁上使用，更能比普通钢混桥梁节约35的原材料，降低5

2、3的二氧化碳排放。”事实上，Ductal是高性能纤维增强水泥基复合材料（High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites）的一种。与其它的纤维增强复合材料相比，它的强度更高。与普通的纤维增强混凝土（Fiber Reinforced Concrete）相比，高性能纤维增强水泥基复合材料都具有更优异的抗弯韧性（tensile ductility）。下表1是常见的几种高性能纤维增强水泥基复合材料。Ductal的主要特点：1) 韧性Ductal在承受持续的弯曲应力或拉伸力时不会突然断裂。其关键在于极大地改善其基材材料的性能，基材设计结构

3、为纤维的网状组织，以及控制纤维基体材料的良好界面。由于其韧性优异，使用Ductal后，建筑施工条件可以极大改善，施工时间可以大量节省。此外，Ductal流动性好，可以使用普通工具施工，浇注更便利。2) 耐久性Ductal是一种几乎不渗透的材料，碳化的危险以及氯化物与硫酸盐渗透的危险几乎不存在，因而具有很强的耐酸性。至于耐磨性，Ductal可以与岩石类的材料媲美。Ductal无需任何进一步处理加工便能呈现极佳的外观，能加工制作成任意形状和颜色的制品。建筑师与工程师可以使用这种材料设计和建造更轻巧、舒展的创新建筑物。3) 经济性降低建筑物的造价是历史潮流。用Ductal建筑结构时的混凝土用量是传统

4、混凝土结构用量的12到13，而且可以取消钢筋。这两项可以使建筑工程总造价大幅度降低：基础尺寸减小、施工组织和供应更方便、工期缩短、日后维修减少。总之，尽管原材料价格高于传统混凝土，但由于提高了技术含量，Ductal提高了从供应商、建筑商到最终客户这一产业链经济效益的附加值。表1 几种高性能纤维增强水泥基复合材料二、Ductal的性能图2 相同承载能力下不同材料截面对比（从左至右依次为Ductal、钢、预应力混凝土、钢筋混凝土）掺钢纤维Ductal的力学性能Ductal FM（2%体积含量钢纤维）3天（48小时内90度）28天保湿养护抗压强度（直径75mm，长150mm）MPa235195抗弯强

5、度（40*40*160mm）MPa4540弹性模量 GPa6057掺有机纤维Ductal的力学性能Ductal FO（4%体积含量PVA纤维）3天（72小时内60度）28天保湿养护抗压强度（直径75mm，长150mm）MPa150140抗弯强度（40*40*160mm）MPa3530弹性模量 GPa5050Ductal的其它性能HPC 高性能混凝土Ductal抗磨（相对体积损失）2.751.2冻融 %（残余弹性模量）90%100%碳化（碳化深度）2mm0氯离子渗透 10-12m2/s0.50.02收缩3000三、为什么Ductal具有如此优异的性能普通配比-即使掺入纤维也无法充分发挥作用 Du

6、ctal-更密实的结构，保 证纤维能够发挥作用图3 普通混凝土和Ductal微观结构对比Ductal优异性能的来源是其优化的微观结构，使得各组分性能得以充分发挥。四、Engineered Cementitious Composites这里再介绍一种高性能纤维增强水泥基复合材料-工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites)。Engineered Cementitious Composites（ECC）被称为是可以弯曲的混凝土。其抗拉应变能达到5%，如下图所示。造成它弯曲韧性优异的原因是纤维能够最大限度的发挥作用，在抗拉试验中看的很清楚，不同于普通混凝

7、土的脆性断裂，ECC的破坏的渐进式的，出现很多微小裂缝。图4 ECC抗拉应力应变曲线图5 ECC的多裂缝（Multi-cracking）现象图6 ECC的四点抗弯试验五、Ductal的工程应用1、拉法基的超绿色建筑（Hypergreen） 在建筑设计师Jacques Ferrier的努力下，Hypergreen项目已初现曙光。这座高246米的生态大楼完全符合“可持续发展建筑”的标准：环保型材料、可升级的建筑技术、对环境的日常尊重。这座多用途建筑的实用楼面空间超过了94000平方米，可用作店面、办公室、公寓、绿地、休闲区和停车场。 超绿色建筑详细内容见附件。2、Ductal制作的世界上首例大跨度

8、屋顶2001年美国伊利诺伊州一座高炉使用了Ductal作为大跨度屋顶。Ductal同时满足了强度、耐久性、韧性以及美观的要求。抗压强度高达220MPa，抗弯强度达到50MPa。该高炉直径18m，Ductal用来制作了24块厚度12.7mm的薄肋板。现场还有另外两座高炉使用的钢结构屋顶。相对于钢屋架，Ductal屋面板施工快捷，仅用11天，比钢屋架的35天节省三分之一还多。因为安装方便，使用人力少，施工更安全。Ductal的韧性比普通混凝土好很多。抗弯和抗拉承载力更大，即使在首裂缝出现之后依然有相当的承载力。3、建筑外墙面层板4、车站声屏障板上面方孔尺寸为15mmx15mm，板尺寸为2.3mx1

9、.9mx20mm）5、Shawnessy车站顶棚外观三维尺寸浇筑成型各构件预制吊装雪荷载、抗风揭测试6、桥梁韩国首尔的The Peace Footbridge，2002年建成。130m的拱桥完全由Ductal建成，中间没有支撑，厚度只有3cm。Peace Footbridge外观The Peace Footbridge 跨度及截面尺寸城市的“家具”世界各地其它一些采用Ductal建造的桥梁“可居住的基础设施”桥梁研究 “可居住的基础设施”：这一概念由建筑师、工程师Marc Mimram在与拉法基合作开展的一项研究中提出的。基础设施过于经常被看作是城市的“必要之恶”，人们对此普遍缺乏认识。而今，

10、把基础设施变成城市居民和谐生活一部分的时机已经成熟。四座桥梁，四个城市 桥梁是最基本的基础设施，正适合开展此项研究。Marc Mimram提出了四座适用于具体城市的创新桥梁：法国拉库尔讷沃（La Courneuve）地区的“景观桥”。这座城市被一条高速公路从公园一分为二，市郊的居住区和商业中心彼此分隔，是十分典型的不宜居环境。只有打破这种隔绝状况，改变此地的农村面貌，才能实现迫切需要的疏通。中国上海的“屋顶桥”。虽然上海因其快速发展而极具吸引力，但仍需解决流动性问题，这就需要利用无处不在的道路基础设施，无论是地面基础设施还是高架基础设施。将这些桥的顶部用作公共空间，意味着改变对这些现存工程的固

11、有观念。美国纽约的“可居住建筑”。如林的摩天大厦使纽约成为“垂直城市”的象征。这个美国大都市架设了各种桥梁，用于住宅、当地会馆和公共空间等等。俄罗斯莫斯科的“住人建筑”。Marc Mimram的项目将桥梁完全融合到城市之中，让人不禁想起佛罗伦萨阿尔诺河上的维琪奥桥。 Marc Mimram的研究表明，Ductal超高性能混凝土看来是这位工程师、建筑师营造其设想的轻巧而新颖的建筑外观最理想的实物解决方案。7、日本羽田机场跑道建在海面上的机场跑道，使用Ductal板，这个工程中是使用了钢筋的。养护完成之后表面喷涂聚脲用来防水。六、Ductal与可持续性建筑 可持续性建筑首先要考虑建筑的实际用途、建

12、造的目的，然后考虑使用相应的适合该建筑的材料。而且要使用全生命周期分析，这样才能保证建筑是可持续性的。 QEB（environmental quality of buildings）：混凝土是低能耗房屋(low-energy house)的最佳解决方案。与其它建筑材料相比，通过Mozart House来做对比试验证明，混凝土是可持续建筑的首选建筑材料。与普通混凝土相比，生产Ductal所需要的能源更少，更节省原材料。而且因为Ductal所需后期维护很少，所以用Ductal建造的建筑对环境的影响相对于用普通混凝土建造的建筑又减少了30%。Ductal用于桥梁建造1997年Ductal首次用于桥梁

13、建造以来，已经在世界各地完成桥梁15座，包括2009年完成6座，2010年还有10座准备开工。在这些桥梁工程中，Ductal用于制作梁、桥板、柱还有预制桥板系统所采用的接缝填充。Ductal的优异性能赋予设计者非常大的自由来设计各种创新的、优化的形状，除此之外，它的耐久性好、孔隙率低、抗弯强度、韧性都很高，这些都提高了它抵抗恶劣气候的能力。Ductal用于热桥隔断（以下内容来自网络-向欧洲绿色节能建筑学什么？英国、瑞士和法国节能建材与建筑节能考察报告）Ductal技术用于现浇混凝土住宅建筑的外墙内保温的热桥阻断技术,充分利用了Ductal材料的超高性能，与岩棉和钢筋复合构造成为热隔断部件，在外

14、墙内保温工程中，用于热桥部位的隔绝，如内外墙连接处、楼板与四周外墙连接处、钢筋混凝土柱或肋与内墙连接 处等。现场Ductal部件用于楼板与圈梁接合处，结合部使用岩棉作为隔热材料，锚杆为弯折成135左右的高强钢筋，岩棉上下用硬质塑料板固定，竖向受拉一侧使用厚度为1cm左右的Ductal板固定，锚杆伸入岩棉保温材料中的部分包裹直径2.5cm左右的Ductal材料，避免锚杆受拉时与高强纤维水泥板基面接触处发生应力集中破坏。锚杆一端弯钩，用于与混凝土柱的连接；另一端水平，植入内墙体。在工地上，我们还意外地发现一个相似的竞争性技术，不使用Ductal，而是使用聚苯板和不锈钢筋组合，显然这种结构安排的成本

15、要比Ductal高，为了节 省成本，不锈钢只用于一部分长度，这里涉及到不锈钢与普通钢筋的安全焊接技术。拉法基公司的技术开发主管告之，这种技术现在还有一定的不确定性，因为钢筋 在聚苯中没有水泥混凝土保护，暴露在空气中，长期抗腐蚀能力还需要受到时间的考验。而Ductal则是依靠其优异的性能不仅能保护而且还提供了承载能力。由于涉及不同材料的焊接，该竞争性技术只在顶层屋面板使用，因为不需要承重。这反映了对不锈钢焊接及其长期耐久性的担心。这种技术对内墙和楼板与外墙的接触处的热桥阻隔十分有效，降低了内保温体系热损失的35%。这是一个重要的进步。特别是对于不宜采用外墙外保温（安全性和耐久性）的现浇混凝土高层建筑，外墙内保温采用这种技术能够达到很低的综合传热系数。该项技术值得我们重视和研究。在施工现场看到，在现浇楼板与圈梁连接处使用聚苯乙烯板（EPS）作为隔热材料的部件，上下各用一块木板固定并通过多个单体构件的组合拼接形成一个封闭的热桥隔绝体系。钢筋一端弯曲并深入圈梁中用于固定，锚杆部分为普通钢筋，植入现浇楼板中。这两种体系均通过实验室检验，具有较好的隔绝热桥的性能，被拉法基公司称为热桥解决终端产品。采用该产品，可以将通过热桥散失的热量降低35%。体系已应用于其内保温示范工程。