超高性能混凝土 (UHPC) 标准化、研究与应用新进展

1. 桥梁结构创新

发展造价低、建造快的UHPC结构，是UHPC结构创新的主要努力方向。美国Sherif El-Tawil博士的报告“Cheaper to Build, Faster to Construct: Novel Short and Medium Span UHPC Bridges（低造价、快速施工：新型中小跨径UHPC桥梁）”，介绍了他们在密歇根州建造的两座桥面板为UHPC的小跨径桥梁案例：

案例一：Mostetler公路跨越Mostetler小溪桥，单跨双车道，上部结构11m宽，10.5m长，梁中心距2m，由6个预制钢-UHPC组合梁构成。组合梁为镀锌钢板折弯管梁（galvanized steel press brake tub girder ，PBTG）与UHPC桥面板组成，预制生产流程如图13所示；桥面板之间用UHPC湿接缝连接，架设安装快速高效。按照密歇根州交通部（MDOT）造价估算，同样功能的传统桥梁（下部结构相同）造价为$788,000美元，该新型桥梁实际造价只有$534,000美元， 造价降低 32.2%。该项目表明，新材料UHPC和新的钢结构制造工艺结合起来，可以生产出具有100年免维护使用寿命的、低初始造价的预制桥梁（更多应用还能进一步降低成本），并且UHPC/PBTG预制桥梁单元可以以更快的速度、经济高效地生产和安装。

图13：钢-UHPC组合梁桥——Mostetler公路跨越Mostetler小溪桥[5]

案例二：Bricker公路跨越Quackenbush排水沟桥，宽11m，跨径7.25m，由6块创新的超薄、超耐久3T UHPC桥面板构成。每块桥面板长8m、宽2m，纵向设3个高26cm肋（即所谓3T，可看作T梁与桥面板一体板，见图14），桥面板肋间板厚7.5cm、两侧板厚10cm，板与板之间用UHPC湿接缝连接。该桥按照现行AASHTO桥梁设计规范和AASHTO尚未发布UHPC结构设计指南进行设计和荷载试验。图15中配筋是确保足够的抗弯强度所必需的。抗剪计算显示，与需求相比抗剪强度足够，因此没有使用箍筋增强抗剪能力，图15中所设置的箍筋是为了方便钢筋布置和固定。与传统40cm（16英寸）厚桥面板相比，该桥面板体系重量减少了2/3。按照密歇根州交通部（MDOT）造价估算，同功能传统桥梁的造价为$560,000美元，该UHPC板桥实际造价为$379,000美元，造价降低了32.3%。费用包括道路工程、新桥台、UHPC板、人工和设备租赁。该桥在2022年9月经过荷载测试后开放交通，荣获本次会议基础设施小跨径桥梁最佳创新奖。

图14：新型超薄、超耐久3T UHPC板桥——Bricker公路跨越Quackenbush排水沟桥 [5]

加拿大正在设计研发工字梁与华夫板一体化UHPC桥梁结构构件（UHPC Decked I-Beam，简称DIB，构造见图16），并进行缩尺和足尺构件预制生产与结构性能测试。预制生产表明，该UHPC DIB构件可以使用常规设备浇筑生产、吊装和运输。试验测试证实，其优化截面拥有优异的结构性能，测试值远远超过设计值和预测。随着设计规范的改进完善，以及随着时间对UHPC信心的增长，该构件还可能得到进一步优化。此外，测试表明，即使没有箍筋，UHPC DIB构件的抗剪能力也超过了预测破坏载荷的2倍，并具有更为传统的剪切行为，不用箍筋可以是未来设计的选项。

上述新型桥梁，包括钢-UHPC组合梁、超薄3T UHPC桥面板和UHPC DIB梁板一体桥梁上部结构，桥面板均为UHPC预制并用UHPC湿接缝连接，确保了在最恶劣环境（如冬季使用化冰盐环境）桥梁上部结构的耐久性和百年以上的免维护服役寿命。深入研究与优化UHPC结构，突破传统混凝土结构设计观念的束缚、建立UHPC独立的结构设计方法与标准规范，使UHPC结构更轻量化、材料用量更少，UHPC结构的初始造价也可以很有竞争力。

2. 高耐久、长寿命结构

美国加拿大桥梁、码头的基础常使用打入式桩，比较困扰的问题之一是混凝土桩和钢桩的耐久性，UHPC桩则可能是很好的解决方案。本次会议有三个关于UHPC桩的报告。Philip Loh先生介绍了加拿大完成的第一个UHPC桩基项目，是Lily河一个新建的绕道小桥工程，桩基础用相同外形尺寸的预应力H形UHPC桩代替原设计的H形钢桩，桩截面对比见图17。该项目的实施表明，UHPC桩可以用传统设备运送和打桩，也可以用与钢桩相同的技术进行测试，获得要求的极限土体抗力UHPC桩的深度比钢桩浅，UHPC桩隐含碳排放和其他环境指标相对更好。美国阿拉巴马州和佛罗里达州交通部正在研发UHPC桩，会上分别介绍了设计优化和试验测试的进展，所优化和选择的UHPC桩都是H形截面。

图17：H形UHPC桩与钢桩截面对比（引自会议报告ppt）

确保地下核废料储存设施300多年的水密性，防止场址周围的地下水受放射性污染，是一个挑战。目前核废料桶用土层、沥青膜和砾石层保护，防水寿命有限，需要对传统技术方案进行改进或补充。实现300多年的使用寿命防水保护，UHPC材料是不二的选择，UHPC水封层的概念设计得到法国核废料运营公司ANDRA认可。法国正在设计研发用互锁式大型UHPC板（Giant Tile）覆盖核废料储存设施形成新的防水系统，并通过详细设计来检验技术和经济可行性。经过大量足尺板预制、安装、荷载与功能测试，检验是否满足设计考虑的服务负荷、抗震、抗风暴和水密性等要求以及可施工性。目前，在各方面专家（土木、地震、地质和预制生产）的通力合作下，经过强度、刚度以及高耐久锚固安装等优化，测试证实这种复杂的“拼图式”互锁构件组成的防护和防水系统是可行的，能够实现300年预期使用寿命，有望在核废料存储设施获得实际应用，还可能用于其他需要长寿命的“屋面”。

图18：互锁式大型UHPC板（Giant Tile）防水系统和测试 [7]

本次会议评选的使用UHPC创新获奖项目没有提供文字介绍。从ppt所展示最佳建筑物创新获奖项目的图片看（图2），UHPC是用于一个新建钢结构办公楼的楼板，大概是预制轻量化UHPC楼板。最佳建筑设计与艺术创新获奖项目则是由表面纹理丰富的镂空UHPC幕墙和屋面构成的建筑（图3）。

会议有一些报告介绍新近完成的UHPC建筑幕墙、遮阳板、立柱、屋面，以及雕塑和街具，下面是部分图片展示。

图19：复杂构造UHPC幕墙板（美国，引自会议报告ppt和 [8]）

图20：用于建筑的各种UHPC构件（欧洲，引自会议报告ppt，可参考 [9]）

图21：UHPC雕塑作品（加拿大，引自会议报告ppt）

丹麦Bendt Aarup先生的报告分享了Hi-Con公司在降低UHPC构件的碳足迹方面做出的努力和取得的进步。Hi-Con公司专业设计和预制生产UHPC构件，典型产品是阳台、楼梯、幕墙和墙板以及桥梁（如图22所示）。由于UHPC建筑构件如阳台板、楼梯较为轻薄或细长，钢筋保护层只有10～15mm，大多数建筑应用中使用UHPC的最大骨料粒径为 4mm。对于较大型构件如图22所示桥梁，则在UHPC中再加入5～8mm粗骨料，使浆体体积减少约30%，相当于减少水泥和CO₂排放约30%。尝试降低碳足迹的努力还包括，用高炉矿渣粉（矿粉GGBS）、粉煤灰和石灰石粉等掺和料替代水泥。用矿粉替代25～50%水泥，不会降低强度和工作性，这个方案将用于荷兰的工厂，因为当地有矿粉资源[10]。

Aarup先生介绍，他们在10～12年前首次被要求提供LCC（Life Cycle Analysis 寿命周期分析）和EPD（Environmental Product Declaration环保产品声明），主要来自挪威、瑞典、荷兰等国家，如今这成为了常规要求。丹麦从2012年开始在许多建筑实施DGNB system (Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen德国可持续建筑委员会评价系统)。这些建筑针对许多参数包括社会、经济、建筑和环境进行评估和打分，根据得分来认证。产品提供EPD，以及建筑有良好的保温隔热性能、较低原材料使用量、无需维护等，有助于获得高分。Hi-Con公司的产品在2017年获得EPD，今年到期需要更新。如果每平方米比较，他们UHPC的碳足迹很高（如同大多数UHPC，水泥含量较高），但对比一个功能构件，例如1平方米的阳台，与传统的混凝土和钢结构阳台相比，UHPC阳台的碳足迹最低，因为UHPC阳台板的厚度仅为80～100mm。从2023年1月起，丹麦对新建筑有一项新的要求——每年每平方米建筑的CO₂排放量要低于12kg，这个数字包括建筑物的建造、运营能源消耗等（按建筑物50年的使用寿命计算），并且每2年要降低一次，预计到2027年会降低到每年9kg/m²。虽然这个限制对于Hi-Con现在的UHPC产品不是问题，但仍然需要改进来满足未来的要求[10]。

用寿命周期和可持续发展指标分析评价，有利于UHPC在建筑上应用。限制建筑物建造与运营的每平方米建筑年度CO₂排放量，则需要提高围护墙体的保温隔热性能，UHPC与高效保温材料组合的墙板，可以大幅提升墙体轻量化和保温隔热性能。UHPC为建筑节能减碳可以大有作为，也有很大创新发展空间。

图22：丹麦Hi-Con公司预制生产的UHPC构件 [10]

特拉华州在老桥混凝土桥面板铺装UHPC保护面层，表面打磨刻槽后直接作为行车路面（不铺设沥青磨耗层）。参观过程，大家对刻槽UHPC暴露在表面比较担心，因为很多钢纤维暴露在表面，用手轻抚表面感觉很扎手，担心可能扎鞋、扎轮胎。特拉华州交通部人员解释，近两、三年的实际应用还没有出现这样的问题，但这并没有完全消除担忧，外露钢纤维可能不会扎透汽车轮胎，但存在扎透自行车和摩托车轮胎的可能性。长时间后，暴露钢纤维锈蚀、磨损后，也许这就不是问题了。

此外，会议上UHPC Solution公司的报告“Grenzbruecke Basel—The First Swiss Exposed UHPC Overlay”，介绍在Basel瑞士与德国的跨境混凝土箱梁桥，由于运输车辆停、启频繁，沥青混凝土有严重的车辙。2022年该桥梁采用100～180mm厚UHPC罩面维修保护，UHPC分两层铺装（下层的表面采用水力拉毛保证层间良好粘接），UHPC顶面打磨刻槽后直接作为行车路面。这是瑞士第一个暴露UHPC罩面的桥面。

图23：特拉华州纪念大桥（Delaware Memorial Bridge）桥面的UHPC罩面（无沥青磨耗层）

图24： 特拉华州小跨径公路桥桥面的UHPC罩面刻槽表面（无沥青磨耗层）

七、UHPC发展展望

UHPC未来会有怎样的发展？加拿大V.H.(Vic) Perry先生作出了判断“The Future of Ultra-High Performance Concrete（UHPC的未来）” [11]。他使用乔布斯（Steve Jobs）的书中所提供的突破性技术市场发展基本规律——S形发展曲线，预测UHPC市场发展，认为“到2040年，全球对 UHPC 材料的需求估计每年为1000亿美元；基于 UHPC 的工程建设，整体行业规模可达每年1万亿美元“ （见图26）。

UHPC具备技术突破性与重大进步的特征，例如，UHPC使水泥基材料的力学性能和耐久性有了跨越式提高，并拥有独特的韧性性能，能很好解决混凝土结构和钢结构的”痛点“和”瓶颈“难题；UHPC既能使新建工程结构耐久性及免维护服役寿命呈倍数提高，也能较完善地修复和保护老化或有缺陷工程结构，使老结构继续长期安全地服役；UHPC大幅度提升了水泥和钢材的使用效率，使工程建设产生的碳排放、资源消耗、环境友好、可持续发展等环境指标上了新的台阶，等等。因此，可以相信UHPC市场会遵循S形发展规律，并且UHPC也拥有这样巨大的市场发展空间（如图26所示）。我们现在正处于UHPC市场稳步增长期，未来会进入高速发展期，市场接近饱和后发展又将变的平缓。现在预测未来的难点，是什么时候UHPC会进入高速发展期（S形曲线中段）？Perry先生预测是大约在10年后，有这个可能性，前提是能将UHPC材料和应用技术做好做扎实，把标准规范和市场发展好，少走弯路。为此，还需要付出巨大努力！

最后，借用法国F.Toutlemonde先生在他报告总结的一句话：“UHPC is fantastic but not automatic…”（UHPC很美好但不会自动呈现它的美…）。也就是说，我们要把UHPC材料制备好、结构设计好，并做好预制构件生产和现浇施工的每一个细节，UHPC的美才会呈现在我们面前。（全文完）