淮安市华石建材有限公司 江苏淮安 223001
摘要：自从维利·古尔的环形椅户外混凝土家具出现以来，各种各样的混凝土家具不断涌现在人们的生活中。早在20世纪50年代，埃特尼特混凝土家具公司就开始研究预制混凝土家具的新方法，1999年雷切尔·雷诺兹工作室也开始对混凝土的脆性与自重进行改进。同年，英国巴比伦公司也开始对耐热性、装饰性进行研究。这些研究使混凝土产品在21世纪初，呈现出了百花齐放的盛况，混凝土家居产品也渐渐被人们当作是个性化的艺术品放在室内外进行陈设。到了当代，伴随着新材料的不断研发，混凝土坐具不仅仅作为艺术品陈设，更可通过外加剂、掺合料的添加创造出超性能的产品，赋予其更多的价值与内涵。
关键词：改性混凝土；公共坐具设计；应用
一、改性混凝土坐具设计要点与表现形式
1、功能设计要点——功能模块的自由组合
模块化设计是一种对环境污染少、使用与维护方便的绿色设计，核心原则是用最少的模块组合出最多的产品，搭配出满足用户各种需求的系列化产品。Shiro事务所设计的ULURU系列超高强度混凝土模块化座椅（见图1），充分考虑模块化设计与“人-机-环境系统”的关系，其中核心要点为人性化的充分关照。此模块化座椅设计兼顾功能需求与个性化需求，在满足人体工程学的前提下，设计出相应形态的模块座椅，让使用者可以根据自己的坐姿习惯选择不同的模块化座椅。既满足了本体功能，又满足了马斯洛人类需求中的交际和荣誉需求，同时还能兼顾个性化需求。隐形形态城市家具与城市周边环境空间的协调与呼应，能巧妙地为城市空间创造出一份别样宁静。ULURU系列模块化座椅的设计理念受自然现象启发，其靠背模拟经过上千年风化等自然因素打磨出的天然凸起石块造型，再现缓缓从地面升起，连绵起伏的微缩山体景观。设计师利用可塑性超强的超高强混凝土（UHSC），设计了该套极具艺术感染力的座椅，充分体现了产品设计的轻盈、流动与坚韧等美学水准。
根据我国2014年《普通混凝土配合比设计规程》，通常把强度等级大于等于C60强度等级的混凝土称作高强混凝土（HSC），大于C100强度等级的混凝土称作超高强混凝土（UHSC）（普通混凝土、高强混凝土、超高强混凝土的等级划分见表1）。高强或超高强混凝土通常是在普通混凝土的基材上添加减水剂等外加剂，同时掺入粉煤灰、硅粉、矿粉、矿渣等混合掺合料加工而成的一种新型建筑材料，主要表现为超强的抗压性，因其空隙率低、密度大的优势，所以常用在高层建筑中。这种新型材料有着很多的潜在特性，比如可以近似无空隙地诠释座椅表面花岗岩的质感。在保证抗压与耐磨性能的前提下，该项材料可做到20mm的超薄混凝土结构。本案例呈现出的超高强度混凝土坐具设计的功能复合化与个性模块化发展趋势，值得人们进一步探索与发掘。
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图1ULURU系列超高强度混凝土设计模块座椅
表1普通混凝土、高强混凝土、超高强混凝土的等级划分
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2、造型设计要点——超高性能与弯曲造型的实现
普通混凝土的抗拉、抗压、抗弯强度低，很难满足混凝土家具形态弯曲、外形轻薄的设计要求。超高性能混凝土（UHPC）是当代最具创新性的水泥基料，通过掺合超细颗粒、细骨料、纤维及添加高效减水剂来增强其综合性能，弥补普通混凝土的性能弱点（超高性能混凝土UHPC基本组成见表2）。UHPC拥有两个“超高”，一个是超高的耐久性，另外一个是超高的力学性能。它的抗压强度最高可达180MPa，抗弯强度的极限达35MPa，韧性比普通混凝土（NSC）大250倍，可与金属和石材媲美（普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料（主要）性能对比见表3）。超高性能混凝土的双“高”性能，为设计出弯曲造型的轻薄精巧混凝土家具提供了一个新的突破口。
表2超高性能混凝土UHPC基本组成
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表3普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料（主要）性能对比
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二、UHPC坐具设计的建造过程
本文归纳总结改性混凝土坐具的制作过程，可大致分为四个阶段。
第一阶段是改性混凝土的配置与配合比的确定。首先，根据坐具功能的需要选择合适的外加剂，如为了改善改性混凝土的凝结时间可添加早凝剂，为了改变流变性能可添加减水剂，为了减轻自重可添加轻骨料。其次，应结合设计的要求选择骨料的配置，不同的骨料也会影响坐具表面的肌理与质感。鉴于改性混凝土的配比问题异常复杂，需要根据设计的制作要求进行反复的计算、实验、制作和验证配合比。由于普通混凝土的特性达不到这款多功能模块化坐具的超薄与耐久性设计要求，也满足不了移动与入座的承载力要求，所以这款空腔带储存功能的坐具设计采用添加钢纤维、硅粉、超塑化剂等制成的超高性能混凝土（UHPC）进行制作。采用UHPC材料既能减轻坐具的自重，还可以拓展其模块化自由组合的可能性。
第二阶段是模具的设计与制作，这是改性混凝土坐具设计的关键阶段。为满足坐具的大小、结构、要求的荷载等模具要求，利用UG设计了分模模具的型芯与型腔，因坐具设计需有凹凸面，故同样需要设计滑块。通常坐具的模具应该能反复利用，因此模具一般可选用木质胶合板类、玻璃钢材、塑料板、石板材、硅胶等材料制作改性混凝土，以满足方便安装与拆卸的要求。鉴于此，本设计采用了玻璃钢材制作模具，设计完成后开始试模，合模，之后开始浇筑、加压、保压，然后开模顶出，最终完成模具的设计与制作。坐具表面或内部需特殊工艺处理时，还可以通过CNC（数控机床）和3D打印技术辅助完成。
第三阶段是成型工艺的选择。一般混凝土坐具多采用静压、辊压、振动挤压和浇筑振捣成型方式，其中浇筑振捣和静压这两种成型方式成本小，但都不适合大规模生产。振动挤压、辊压成型方式自动化程度较高，可实现大规模且连续生产。此款UHPC多功能混凝土模块化坐具设计通过高效强制搅拌机搅拌后利用一次性浇筑工艺完成。
第四阶段是养护与后期处理。改性混凝土坐具的养护工作直接影响着坐具的质量。通常在产品浇筑后，应防止水分蒸发，否则混凝土很容易脱落；在脱膜后，可通过手工和机械方式进行后期处理；在养护时，UHPC多功能混凝土模块化坐具应采用温度达到90℃的蒸压方式养护。特别需要说明的是，当它用在户外的公共空间时，为了防止潮湿和腐蚀，可以涂抹涂膜性材料或渗透性防水材料，以延长使用寿命。
结束语
通过分析近些年的改性混凝土坐具设计实践案例，发现利用矿物外加剂、聚合物、纤维等改性材料的添加来提高普通混凝土的力学性能，已取得了显著的成效。目前拥有巨大发展潜力的石墨烯及纳米碳纤维材料对混凝土综合性能的改进有待进一步研究。未来改性混凝土应实现多种材料混掺，互补优劣的综合研发趋势。
参考文献：
[1]孙磊.水泥基材料设计应用价值研究[J].包装工程，2016，37（12）：184-187.
[2]许晓云，解秋蕊.基于模块化设计原理的产品设计研究[J].美术大观，2017（9）：120-121.