2023年度超高性能混凝土(UHPC) 技術與應用發(fā)展報告

文章來源：CCPA 超高性能水泥基材料與工程技術 (UHPC) 分會 發(fā)布時間： 2024-07-14

本報告是CCPA-UHPC分會成立后撰寫的第五個中國UHPC年度發(fā)展報告(2019～2023)，記錄和概要介紹2023年中國在UHPC領域(UHPC包含超高性能纖維增強混凝土UHPFRC、活性粉末混凝土RPC和超高韌性混凝土STC)取得的研究成果、標準規(guī)范編制進展、產業(yè)發(fā)展、新的工程應用以及開展的技術交流活動。

總體上，2023年中國UHPC研究與技術開發(fā)活動在增加，UHPC應用場景和領域在擴大，用量在增長。UHPC應用突破和創(chuàng)新亮點包括：風電塔筒應用實現(xiàn)零的突破；鋼-UHPC組合梁、桁架梁等新結構發(fā)展與應用；用免拆模板提升工程施工的安全與效率；超大體積橋梁結構成功施工；在役橋梁快速維修和加固；助力建造新一代超低能耗建筑；新產品如公路防撞護欄改造升級護板、工業(yè)屋面瓦、預應力幕墻板等等。

一、UHPC研究與應用技術發(fā)展

1.研究發(fā)展趨勢

在中國知網(wǎng)(cnki.net)上，以“超高性能混凝土+UHPC”、“活性粉末混凝土+RPC”和“超高韌性混凝土+STC”(在中國使用的三個名稱)為主題詞，分別查詢過去二十年(2001-2022)每年在中文期刊發(fā)表的論文數(shù)量和碩士博士論文年度數(shù)量增長趨勢見圖1a和1b。

 

(a)年度期刊發(fā)表論文數(shù)量                                  (b)年度碩士博士論文數(shù)量

圖1：以RPC、STC和UHPC為主題的中文論文年度數(shù)量(2001-2022，知網(wǎng)查詢)

三峽大學、福建理工大學團隊統(tǒng)計了UHPC相關的國家級資助研究項目和中英文文獻增長狀態(tài)，見圖2a和2b；分析了UHPC相關研究的分布見圖3，分析表明：“UHPFRC研究主要聚焦在工程應用、材料科學和施工技術三個重點領域，占所有研究的78%。本構關系是工程應用和材料科學的核心問題之一。學者們圍繞UHPFRC本構關系已開展了大量研究，但研究結果呈現(xiàn)出方法各異、形式多樣、結果各有優(yōu)劣、適用場景各不相同的特點。”[1]

在世界范圍，2007年以來UHPC相關的學術論文數(shù)量急劇增加。如圖2b所示，2022年發(fā)文量達到了2007年的9倍以上，估計其中超過一半是中國貢獻的，因為英文論文中有不小的比例來自中國的科研與技術人員。UHPC研究的活躍度越來越高，加入研究的人員越來越多，研究向更大的廣度和深度發(fā)展，加速了技術進步與積累，有力地支撐了UHPC工程應用、創(chuàng)新和產業(yè)發(fā)展。

 

(a)中國年度國家項目數(shù)量趨勢                                                 (b)年度中英文文獻數(shù)量趨勢

圖2：超高性能纖維增強混凝土(UHPFRC)研究現(xiàn)狀[1]

 

圖3：UHPFRC相關研究分布分析[1]

2.材料、試驗方法研究與綠色評價

材料研究

國內期刊2023年發(fā)表的論文，關于UHPC材料制備和性能研究，所嘗試的原材料種類繁多，包括納米碳管、納米偏高嶺土、納米氧化鋁、低熱和中熱水泥、秸稈灰、空心玻璃微珠、玻璃粉、鋼渣粉、鋼渣尾泥、陶瓷拋光廢料、膨潤土、膨脹珍珠巖砂(輕質砂)、再生砂、風積砂、陶砂、碳化硼骨料、高鈦礦渣、鉻鐵渣等；使用的纖維包括聚丙烯(PP)纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維、超高分子量聚乙烯(UHMWPE、HDPE)纖維、聚甲醛(POM)纖維、玄武巖纖維、銑削型鋼纖維、回收輪胎鋼纖維等，以及纖維混雜使用。下面摘要介紹幾篇論文：

長沙理工大學和湖南德習湘棟科技公司研發(fā)了具有足夠施工時間的超早強UHPC。采用硫鋁酸鹽-硅酸鹽水泥復合體系(SAC-OPC體系)，借助早強組分(硫酸鋰、硫酸鋁)、增強組分(納米碳酸鈣)、調凝組分(粉體緩凝劑、四硼酸鈉)，制備了初凝時間36min、3h抗壓/抗折強度41.4/17.0MPa，以及初凝時間40min、3h抗壓/抗折強度36.2/13.9MPa的超早強UHPC。[2]

中交一公局四公司和中交公路長大橋建設國家工程研究中心，試驗研究了礦物膨脹劑、塑性膨脹劑單摻和雙摻對UHPC工作性、抗壓強度和自收縮的影響，以及對UHPC早齡期收縮的補償效果。結果表明，單摻適量的礦物膨脹劑可顯著降低UHPC硬化后的自收縮，氧化鎂類和CSA復合膨脹劑對抗壓強度影響較小，氧化鈣類和HCSA復合膨脹劑略微降低了28d抗壓強度；單摻塑性膨脹劑對UHPC擴展度和初凝時間基本無影響，可有效抑制UHPC塑性階段的收縮，但對28d抗壓強度有不利影響；雙摻適量塑性膨脹劑與CSA復合膨脹劑時，塑性與自收縮顯著降低，抗壓強度也降低，強度略低于兩者單摻。早期開裂試驗和環(huán)約束試驗表明，調控后的UHPC抗裂性能較好。[3]

佛山市建盈發(fā)展、佛山交通科技公司等單位，試驗研究了粗骨料摻量與細骨料種類對UHPC力學性能及收縮的影響。結果表明，隨著粗骨料摻量的增加(0~800kg/m³)，UHPC抗壓強度先提高后降低，靜力受壓彈性模量幾乎呈線性提高；粗骨料摻量為0~200kg/m³時，UHPC的抗彎拉強度變化較小，粗骨料摻量在200~800kg/m³范圍增加時，UHPC的抗彎拉強度明顯降低；隨粗骨料摻量的增加(0~800kg/m³)，UHPC的收縮逐漸減小。[4]

同濟大學研究了超低溫下UHPC受彎力學性能演變及其本構關系模型。試驗測試在不同溫度(20℃、0℃、-20℃～-170℃)下UHPC受彎力學行為，構建低溫下受彎本構模型。結果表明，UHPC的初裂和峰值抗彎強度分別從10.4MPa和19.3MPa(20℃)增至19.3MPa和42.5MPa(-170℃)；UHPC脆性則隨溫度降低而先減小后增大，分別在-80℃和-170℃呈現(xiàn)出最小和最大脆性。線性-非線性本構模型的具有較好的預測精度。該研究對于UHPC在低溫、超低溫環(huán)境中應用具有重要意義。[5]

試驗方法

在改進完善UHPC相關的試驗測試方法方面，下列研究值得關注：

UHPC單軸拉伸試驗，也稱作直拉試驗，是分析UHPC抗拉性能和直拉本構關系的基礎材性試驗，為進一步保證直拉試驗成功率，三峽大學、福州工程學院和福州大學采用試驗研究和數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)分析了常見的4種試件連接方式和3種試件局部加強方式對試驗成功率的影響，比選出最優(yōu)試驗方法。結果表明，面內夾持裝置具有連接可靠、操作簡單的優(yōu)點，適合推廣。但夾具的尺寸加工誤差或微變形可能導致其與試件的接觸面變窄、加劇夾持引發(fā)的試件應力集中，致使主裂紋位于測距范圍之外；試件與夾具的接觸區(qū)域進行柔性加強(粘貼碳纖維布)和剛性加強(粘貼鋁片)均能有效解決上述問題，提高試驗成功率。[6]

河海大學和蘇交科集團試驗研究UHPC的劈拉破壞特征，采用了數(shù)字圖像相關(Digital Image Correlation， DIC，DIC)方法非接觸觀測裂縫演化，同時結合聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)技術對UHPC的破壞全過程進行動態(tài)監(jiān)測，并基于DIC應變云圖、AE參量分析試件的破壞特征。該試驗與分析證明，DIC法進行試件變形測量，可以獲得連續(xù)的變形數(shù)據(jù)，完整地捕捉裂縫的開展演化過程；基于RA-AF值分析，可以快捷、有效地判斷混凝土中裂縫的開展類型。[7]

UHPC與普通混凝土(NSC)的界面黏結強度較高，往往高于普通混凝土的抗拉強度，導致界面粘結性能測試時容易發(fā)生基體失效，不能準確評價界面性能及其影響因素。針對這個問題，山東大學和哈工大提出了基體約束加強的方法，將失效位置控制在UHPC-NSC界面，測得真實的UHPC-NSC界面黏結強度，可以有效分析NSC表面粗糙度或構造、表面狀態(tài)等因素對界面粘結的影響。[8]

UHPC的綠色評價

內蒙古科技大學研究采用生命周期評價(LCA)方法構建UHPC碳排放定量分析模型，對比分析鋼-UHPC橋面板與常規(guī)鋼-混橋面板結構在全生命周期內的碳排放。結果表明：雖然生產階段UHPC的碳排放量約1245.84kgCO₂eq/m³，是普通混凝土的1.58倍，但從性能上來說，UHPC碳強度是普通混凝土的62.25%，是一種更綠色的建材；在整個生命周期內，與常規(guī)鋼-混橋面板相比，鋼-UHPC橋面板的年均碳排放量下降了35.76%，具有巨大的碳減排潛力，有助于基礎設施的可持續(xù)性發(fā)展；鋼-UHPC橋面板方案具有工程比選優(yōu)勢，經(jīng)濟性合理，同時其單位產值碳排放為0.89tCO₂eq/萬元，是常規(guī)鋼-混橋面板的86.41%，具有更好的減碳效果。[9]

3.裝配式鋼-UHPC組合梁橋創(chuàng)新與應用

湖南大學邵旭東教授為本報告介紹了他們團隊研發(fā)的兩個鋼-UHPC組合梁橋新結構及應用，如下：

型鋼-UHPC組合梁(π梁，外接型鋼)

型鋼材料具有無需焊接、成本低、施工方便、抗疲勞性能強等優(yōu)點。但常規(guī)組合梁采用型鋼時，梁高受型鋼高度限制，且型鋼上翼緣不能充分發(fā)揮作用，因而實際工程中很少采用型鋼組合梁結構。

對于型鋼-UHPC組合梁結構，可以打破原有思路，將主梁腹板分為采用型鋼和UHPC兩部分，如圖4a所示，

這樣做組合梁高度就不再受型鋼高度的限制，且在正彎矩作用下，將型鋼全部置于高拉應力區(qū)，充分發(fā)揮了鋼材的性能；低拉應力區(qū)由UHPC腹板承受，利用UHPC的應變硬化性能。試驗表明，當UHPC腹板下緣出現(xiàn)0.05mm可視微裂紋時，其名義拉應力可達30MPa。

長沙市某高架橋J匝道橋采用了上述方案(圖4b)，目前正在施工中(圖4c)。主要技術指標：橋梁跨徑30m，寬8.5m，橫向由2片型鋼-UHPC組合梁組成，預制梁寬4.15m。組合梁高1.8m，其中UHPC主梁高0.9m，

H型鋼高0.9m，型鋼采用HN900×300，單片梁吊裝重量91t。每平米橋面的材料用量：鋼112.9kg，UHPC 0.22m³。

 

圖4：型鋼-UHPC組合梁

鋼-UHPC組合箱梁

長沙市同一高架橋G匝道橋原設計為跨徑41m簡支鋼箱梁(圖5a)。因該方案現(xiàn)場施工工序較多，對橋下既有城市主干道影響大，后變更為鋼-UHPC組合箱梁(圖5b)，矩形鋼箱頂部橋面板由8mm鋼板+100mm厚UHPC板組成，無縱肋，懸臂部分則由120mm厚純UHPC板構成。

組合箱梁在橋址附近預制，分2片吊裝就位(圖5c)，之后結構部分只需澆筑一條縱縫，對橋下主干道交通的影響減至最低。主要技術指標：橋梁跨徑41m，寬9.0m，橫向由2片鋼-UHPC組合箱梁組成，預制梁寬4.4m。組合梁高2.2m，單片梁吊裝重量119t。每平米橋面的材料用量：鋼315.5kg，UHPC 0.12m³。

 

圖5：鋼-UHPC組合箱梁

上述兩座裝配式鋼-UHPC組合梁橋由中鐵五局總包，中交公路規(guī)劃設計院有限公司設計，湖南大學UHPC橋梁研發(fā)團隊主持新結構研發(fā)，湖南中路華程橋梁科技股份有限公司負責UHPC部分的施工。

4.建筑應用研究

浙江宏日泰耐克新材料科技有限公司繼2022年完成建造余姚市雙河裝配式UHPC變電站后(見2022年報告)，又對裝配化節(jié)點連接結構進行優(yōu)化并經(jīng)過試驗驗證，顯著提升了構件預制和裝配安裝的施工效率，進一步完善了該裝配式UHPC建筑體系。

珠海星杓新材料科技有限公司開發(fā)了自有知識產權的預應力大尺寸薄型幕墻板。將預應力技術應用在UHPC重型幕墻板結構中，取消或最大程度減少背負鋼架的使用。經(jīng)廣東省建設質量安全檢測總站及華南理工大學土木與交通檢測中心檢測，該UHPC幕墻板(包括鏤空板)經(jīng)受50kg重物、882J能量的沖擊后(按GB/T38264-2019測試，見圖6a)，無開裂現(xiàn)象、狀態(tài)完好，抗沖擊性能達到3級(最高等級)要求，可承受載荷超過7.5kPa，能滿足包括高層、超高層建筑的各種幕墻技術指標要求，大大擴展了UHPC幕墻的使用范圍。

圖6 b是浙江寶思博新材料有限公司預制生產的UHPC外墻板實體正在進行抗震試驗，經(jīng)歷模擬9.6級地震，僅墻板掛點處出現(xiàn)輕微裂縫，板體完好無損。試驗證明，這種輕質、立體(3D)構造的UHPC外墻板及其安裝錨固節(jié)點具有優(yōu)異的抗震性能。

 

圖6 (a)預應力大尺寸薄型UHPC幕墻板的抗沖擊試驗(珠海星杓提供的視頻截圖)

圖6 (b)3D構造UHPC外墻板抗震試驗(浙江寶思博提供的視頻截圖)

2023年，中國有多個建筑采用UHPC建造外維護墻板，提升建筑質量和節(jié)能水平，其中華東師范大學鹽城實驗中學的示范項目值得關注(參見第四部分)。丹麥在這方面也有很好的發(fā)展，得益于對建筑低碳節(jié)能要求的提高。

在美國2023年舉辦的“第三屆超高性能混凝土互動國際研討會”(UHPC 2023)上，丹麥Hi-Con公司Aarup先生介紹，他們在10年前首次被要求提供LCA(Life Cycle Analysis壽命周期分析)和EPD(Environmental Product Declaration環(huán)保產品聲明)，以前這種要求主要來自挪威、瑞典、荷蘭等國家，如今這成為了常規(guī)要求。丹麥從2012年開始在許多建筑實施DGNB評價系統(tǒng)(Deutsche Gesellschaftfür Nachhaltiges Bauen德國可持續(xù)建筑委員會評價系統(tǒng))。這些建筑針對許多參數(shù)包括社會、經(jīng)濟、建筑和環(huán)境進行評估和打分，根據(jù)得分來認證。產品提供EPD，以及建筑有良好的保溫隔熱性能、較低原材料使用量、無需維護等，有助于獲得高分。從2023年1月起，丹麥對新建筑有一項新的要求——每年每平方米建筑的CO2排放量要低于12kg，這個數(shù)字包括建筑物的建造(按50年使用壽命分攤)、運營能源消耗等，并且要逐漸降低，

預計到2027年會降低到每年9kg/m²。雖然這個限制對于Hi-Con現(xiàn)在的UHPC產品不是問題，但仍然需要不斷改進來滿足未來的要求[10]。

用壽命周期和可持續(xù)發(fā)展指標進行分析評價，是發(fā)展趨勢，有利于UHPC在建筑上應用。限制建筑物建造與運營的每平方米建筑年度CO₂排放量，則需要提高圍護墻體的保溫隔熱性能。用UHPC面板(平板或立體構造)復合高效能保溫層，可設計制造防火-抗裂防水-保溫-裝飾一體化、輕量化、抗震且超長免維護的建筑圍護墻體，是低碳節(jié)能、高質量建筑的重要發(fā)展方向之一，有很大創(chuàng)新發(fā)展空間。

5.風電塔筒

陸上風力發(fā)電降本增效的重要手段是風電機組大型化，與此同時對支撐結構設計和建造提出了更高要求，即適應更高的載荷水平、滿足更嚴格的共振頻率要求。上海風領新能源有限公司順勢而為，研發(fā)設計UHPC與鋼的混合結構風電塔筒，2023年8月開始與蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司合作，采用UC150等級UHPC預制生產風電塔筒管片，于2023年10月24日在江蘇漣水巨石風電項目安裝完成了世界第一個UHPC風電混塔——風機輪轂中心高度180m，UHPC塔段高度157.4m(見圖7)。這是UHPC新應用也是風電塔架結構性能提升的一個重要突破。2023年8月至12月，上海風領新能源生產塔筒管片使用了35,193m³ UHPC，完成安裝50個UHPC風電混塔，成為UHPC用量的主要增長點。

有理由相信，隨著風電結構對結構強度、韌性和可靠性的要求越來越高，UHPC也將獲得越來越多的應用。

 

圖7：世界第一個及后續(xù)安裝UHPC風電塔筒(上海風領新能源提供照片)

6.公路混凝土防撞護欄升級改造

交通部2017年發(fā)布了行業(yè)標準《公路交通安全設施設計規(guī)范》(JTGD81—2017)，早期建設的公路混凝土防撞護欄存在防撞等級不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的情況。根據(jù)交通部2019年發(fā)布的《提升公路橋梁安全防護能力專項行動技術指南》，我國現(xiàn)有大量公路混凝土護欄需要提升改造。針對這一需求，浙江宏日泰耐克新材料科技有限公司與寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司合作，設計開發(fā)了預制UHPC護板結構的防撞護欄提升改造裝置并獲得專利權(見圖8)，用于提升現(xiàn)有混凝土護欄的防護能力。經(jīng)過國家檢測認證機構測試(各種車型的實車足尺碰撞試驗)，現(xiàn)有混凝土護欄安裝UHPC護板裝置改造升級后，防護能力能夠滿足2017版標準要求。2023年該UHPC護板裝置在寧波杭州灣跨海大橋南岸連接線土建養(yǎng)護工程應用。

在北方，混凝土護欄常見的耐久性問題是凍融循環(huán)特別是鹽水凍融損害，以及鹽水引發(fā)的鋼筋銹蝕。安裝了UHPC護板，能夠防止道面積水特別是化冰鹽水噴濺到混凝土護欄表面，有效保護混凝土護欄，一舉兩得。

 

圖8：公路混凝土防撞護欄改造升級用UHPC護板結構(浙江宏日泰耐克提供圖片)

7.水利工程

珠江三角洲水資源配置工程是廣東省歷史上投資額最大、輸水線路最長、受水區(qū)域最廣的水資源調配工程，輸水線路總長113.1km，總投資約354億元。馬玉全博士為本報告介紹了，鼎興土木技術團隊與廣東省水利電力勘測設計研究院合作，針對該項目設計施工中的問題，應用UHPC并通過試驗分析，優(yōu)化設計與施工方案，如下：

UHPC預制免拆模板

采用傳統(tǒng)方法施工，輸水工程的工作井操作層和屋蓋現(xiàn)澆混凝土面板的施工過程，支架與模板工程量非常大，且施工風險高、施工速度慢。為解決這個問題，鼎興土木與設計院一起開發(fā)了適用于工作井的UHPC預制免拆模板(見圖9)，提高了施工安全性、保證工程進度要求和工程質量。免拆模板采用立方體抗壓強度150MPa(UC150等級)的UHPC預制生產，操作層用的板厚6cm，屋蓋用的板厚4cm，兩種板中均配置了鋼筋網(wǎng)。根據(jù)27塊足尺預制板抗彎試驗研究結果，UHPC預制免拆模板不配鋼筋網(wǎng)也能夠滿足工程施工要求，配筋則進一步提高了結構的安全性和可靠性。

 

圖9：UHPC預制免拆模板(鼎興土木提供圖片)

型鋼-UHPC組合結構(內包型鋼)

該工程中，工作井設計為超深、圓形大跨度的超常規(guī)、異形結構。如何施工和提高耐久性？鼎興土木與設計院聯(lián)合研發(fā)出一種新型屋蓋結構體系——型鋼-UHPC組合結構屋蓋，成功解決了結構施工、受力、耐久性等多方面的問題。型鋼-UHPC組合結構屋蓋采用等梁高設計，梁高150cm，上下翼緣寬60cm，內置焊接工字鋼，外包UHPC層(采用UC130等級)，厚5-7.5cm。為深度掌握該組合梁力學性能、驗證該結構的可靠性并為后續(xù)設計優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，2023年6月鼎興土木技術團隊在華南理工大學結構試驗室進行了組合梁足尺破壞試驗，同時組織試驗現(xiàn)場觀摩和試驗直播，組合梁試驗直播在業(yè)界同仁中引起了廣泛關注。試驗結果表明，型鋼-UHPC組合梁強度、剛度、抗裂性能均滿足設計要求，并有充裕的安全儲備。

 

圖10：型鋼-UHPC組合結構屋蓋(鼎興土木提供圖片)

8.其他應用技術發(fā)展

2023年還有一些UHPC新結構、新產品和新應用場景的開發(fā)及應用，如工業(yè)屋面瓦、橋梁伸縮縫安裝和快速維修、舊房加固改造、垂直綠墻模塊面板、小蓋板、料倉隔倉板，等等(參見第四部分)。

二、UHPC的標準化進展

UHPC標準體系建立完善，在內國外都取得了許多新進展，收集到的信息如下：

1.國內標準

新發(fā)布標準：

湖南省地方標準：《超高性能混凝土集成模塊建筑技術標準》(DBJ43/T387-2022)

廣東省地方標準：《裝配式超高性能混凝土市政橋梁結構技術規(guī)程》(DBJ/T15-244-2022)

中國工程建設標準化協(xié)會標準：《公路超高性能混凝土(UHPC)橋梁技術規(guī)程》(T/CECSG：D60-02-2023)

上海市土木工程學會標準：《橋梁工程超高性能混凝土施工技術標準》(T/SSCE0007-2023)

待批準和待審查標準：

交通部行業(yè)標準(JGT)：《鋼-高韌性混凝土組合橋

面設計與施工規(guī)范》和《公路橋涵超高性能混凝土應用規(guī)范》

中國勘察設計協(xié)會標準(CECA)：《超高性能混凝土橋梁技術規(guī)程》

中國建材聯(lián)合會/中國混凝土與水泥制品協(xié)會標準(CBMF/CCPA)：《超高性能混凝土用減水劑技術要求》

中國工程建設標準化協(xié)會標準(CECS)：《橋梁濕接縫用超高性能混凝土應用技術規(guī)程》和《超高性能混凝土肋裝配式樓板應用技術規(guī)程》

在編標準：

CBMF/CCPA標準：《超高性能混凝土幕墻工程技術規(guī)范》《超高性能混凝土加固既有混凝土結構技術規(guī)程》《超高性能混凝土噴射施工技術規(guī)程》《風電塔筒用超高性能混凝土管片》《風電塔筒用超高性能混凝土管片應用技術規(guī)程》和《超高性能混凝土預混料質量分級標準》

廣東省建設工程綠色與裝配式發(fā)展協(xié)會標準：《超高性能混凝土(UHPC)裝配式樓梯技術規(guī)程》

新立項標準：

國家標準(GB):《超高性能混凝土》(修改名稱、修訂GB/T31387-2015)和《超高性能混凝土試驗方法》(制定)

建材行業(yè)標準(JC)：《綠色建材評價超高性能混凝土及構件》

中國工程建設標準化協(xié)會標準(CECS)：《鋼與超高性能混凝土組合構件應用技術規(guī)程》

2.國外標準進展

—PCI(美國預制/預應力混凝土學會)2022年發(fā)布指南：TR-9-22, Guidelines for the Use of Ultra-High Performance Concrete (UHPC) in Precast and Prestressed Concrete 《預制和預應力混凝土的UHPC應用指南》

FHWA(美國聯(lián)邦公路管理署)2022年發(fā)布技術文件：FHWA-HRT-22-065, Design and Construction of UHPC-Based Bridge Preservation and Repair Solutions《基于UHPC的橋梁保護和修復方案的設計與施工》

AASHTO ( 美 國 國 家 公 路 和 運 輸 官 員 協(xié) 會 ) 2022 年 發(fā) 布 標 準：AASHTO T397 Standard Method of Test for Uniaxial Tensile Response of Ultra-High Performance Concrete《UHPC 單軸拉伸響應標準試驗方法》

AASHTO 2023 發(fā) 布 指 南：AASHTO Guide to Preservation of Highway Bridge Decks《AASHTO 公路橋面 板保護指南》包含了 UHPC 罩面方案

AASHTO LRFD Guide Specification for UHPC (UHPC 結構設計指南 ) 編制完成，經(jīng)投票獲得所有州橋梁工程 師一致通過，預計 2023 年內發(fā)布；AASHTO 的 UHPC 材 料標準已完成編制，將于 2024 年春季進行投票。

?BV ( 奧地利建筑技術協(xié)會 ) 2023 發(fā)布指南：UHPC Richtlinie 《UHPC 指南》( 包含材料、設計與施工 )

ACI ( 美國混凝土學會 ) 的 ACI 239-C Guide on the Structural Design of UHPC (UHPC 結構設計指南 ) 和 ACI 239-D Guide on Materials and Methods of Construction for UHPC (UHPC 材料和施工方法指南 ) 正在編制中。

三、中國UHPC市場規(guī)模與產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

CCPA-UHPC分會2023年12月19日發(fā)放《2023年UHPC工程、產品和用量調查表》和《2023年UHPC用量統(tǒng)計表》(以下簡稱“調查表”)，調查中國2023年UHPC工程應用、產品創(chuàng)新情況，統(tǒng)計分類的UHPC用量，包括橋梁(鋼橋面、濕接縫、預制及現(xiàn)澆結構)、建筑(幕墻、結構構件)、市政/電力/水利工程、維修加固、風電結構和其他。共計收到40個企業(yè)的“調查表”反饋，涵蓋了中國頭部UHPC生產應用企業(yè)(企業(yè)名單見“致謝”)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)很好地展示中國UHPC市場與產業(yè)狀況。

2023年1月～12月，中國UHPC用量超過14.65萬m³(“調查表”收集到工程用量)，其中56%使用UHPC預混料，約18萬噸；其余44%為直接使用原材料制備UHPC。

中國UHPC最大的工程應用領域仍然是橋梁，占比為39%，以鋼-UHPC復合橋面、橋梁構件連接(濕接縫)應用為主。市政、電力與水利工程，占比為17%。建筑應用主要是預制幕墻、墻板和結構構件，占比約12%。2023年新增UHPC用量的較大部分來自風電結構，主要用于預制塔筒管片，用量占比達25%。維修加固用量占比約1%。2023年中國UHPC用量分布及近5年UHPC用量及增長情況見圖11、圖12。

 

圖11：2023年中國UHPC用量分布

 

圖12：中國UHPC年度用量增長情況

與2022年相比，2023年中國UHPC用量增加了6.5萬立方米，增幅為79%，增幅中45%來自風電結構應用，其他各方面應用均有所增長。

從企業(yè)走訪調研情況看，中國UHPC生產、預制和施工企業(yè)特別是頭部企業(yè)，注重長遠發(fā)展，培養(yǎng)自己的研發(fā)團隊、與高?；蚩蒲袡C構合作，敢于投入開發(fā)新應用，努力提高材料性能和質量穩(wěn)定性，提升完善生產裝備和工藝技術。也有企業(yè)在做UHPC全產業(yè)鏈布局，自主控制原材料的生產和質量，精細化控制UHPC的性能與質量穩(wěn)定性。

目前，行業(yè)發(fā)展存在的主要問題是UHPC產能增長大大超過了市場需求的發(fā)展，部分常規(guī)UHPC應用的價格競爭較為激烈，并出現(xiàn)以次充好或偷工減料的情況，需要引起高度重視。把UHPC做好用好，UHPC未來將有大發(fā)展(參見第六部分)。要從標準選用及性能指標要求、從生產施工及驗收全過程質量控制、從企業(yè)技術能力和質量控制水平評估等多個方面，讓認真做、重質量的企業(yè)來主導UHPC發(fā)展，避免或減少前行道路上不必要的“曲折”。

四、UHPC的工程應用

1.橋梁應用

鋼-UHPC復合橋面

據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年施工完成超過34.9萬m²的鋼-UHPC復合橋面，UHPC用量2.48萬m³，橋梁數(shù)量達到43座。

 

圖13：佛山富龍西江特大橋UHPC鋪裝與濕接縫施工(佛山交通科技、湖南中路華程提供圖片)

表1：富龍西江特大橋UHPC性能要求與實測結果(佛山交通科技提供數(shù)據(jù))

 

廣東佛山富龍西江特大橋為雙塔雙索面鋼-UHPC組合梁+混凝土梁斜拉橋。組合梁采用8mm鋼+15cm UHPC輕型橋面板，91片梁段在工廠生產和鋪裝UHPC，梁段安裝后現(xiàn)澆UHPC連接鋪裝層(見圖13)，UHPC用量達6700m³，性能要求及實測結果見表1。

該橋由廣東交通規(guī)劃設計院設計，佛山交通科技供應UHPC材料，湖南中路華程承擔UHPC施工，2023年11月完成全部UHPC鋪裝。

以下簡要介紹2023年完成的幾個較大和特色橋梁的鋼橋面UHPC鋪裝工程：

·G104京嵐線濟南黃河公路大橋擴建工程主橋長1028m，主跨跨徑488m，是目前黃河上跨徑最大、公軌分層合建橋梁。該橋上層橋面由密橫梁體系+UHPC輕型組合鋼橋面板組成(見圖14)，UHPC鋪裝層厚50mm，用量1563m³，鋪裝面積約31000m²，單次鋪裝長度達300m，由中交一公局土木工程建筑研究院與中交武漢港灣工程設計研究院聯(lián)合體施工。

·濟南繞城高速二環(huán)線北環(huán)段黃河大橋主橋，全長5837m，采用UHPC輕型組合鋼橋面，鋪裝UHPC用量1500m³，山東高速工程檢測公司施工。

·汕頭牛田洋大橋主橋為公軌共建雙塔雙索面雙層鋼桁梁斜拉橋，其鋼桁梁長800.2m，寬38.2m，正交異性鋼橋面鋪裝采用50mm厚STC+高粘高彈瀝青粘層+40mm厚SMA-13瀝青砼鋪裝方案，STC層鋪裝面積約26210m²，廣東冠生土木施工。

·云南永大高速公路上的楚雄永仁特大橋是雙塔單跨鋼箱加勁梁懸索橋，全長1668m，主跨920m，橋面寬31m。該橋UHPC鋪裝層厚50mm，UHPC用量1130m³，鋪裝面積22491m²(見圖15)，由中鐵橋研科技施工。該工程UHPC施工克服的困難包括：缺水風大(常年風力在6級以上最大達11級)，攤鋪及養(yǎng)護難度大；工期緊，合同工期只有20天。

·青島東岸產業(yè)園區(qū)基礎設施綜合改造項目，五個標段采用鋼-UHPC組合橋面結構、UHPC橋面連續(xù)結構，UHPC用量1000m³，湖南中路華程施工。

·杭甬復線寧波一期項目濱海互通是目前在建的亞洲最大海上互通樞紐，UHPC鋪裝用量723m3，浙江宏日泰耐克和宏日和興綠建施工。

 

圖14：G104京嵐線濟南黃河公路大橋及UHPC鋪裝施工(中交一公局土木工程建筑研究院、中交武漢港灣工程設計研究院提供圖片)

 

圖15：楚雄永仁懸索橋和UHPC鋪裝施工(中鐵橋研科技提供圖片)

 

圖16：部分采用UHPC鋪裝的橋梁(上海復培、浙江宏日泰耐克、湖南中路華程提供圖片)

橋梁結構構件連接(濕接縫)

據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年UHPC用于橋梁的結構連接(包括預制構件濕接縫連接、橋梁拓寬拼接、墩頂負彎矩區(qū)抗裂等)的用量超過2萬m³，是提升橋梁性能也是用量較大的應用。

沈海高速汕尾陸豐至深圳龍崗段的改擴建工程中，受建設地理環(huán)境限制，為減少便道影響，梅隴特大橋、梅隴農場1和2號特大橋(全長約8.888km)，建設采用裝配式施工。橋梁上部結構采用預應力混凝土小箱梁、預應力混凝土雙T梁，下部結構采用預制蓋梁、預制方柱墩、現(xiàn)澆承臺和預制管樁基礎。立柱與承臺、立柱與蓋梁、蓋梁與蓋梁以及梅隴特大橋預制管樁與蓋梁的節(jié)點采用UHPC連接，UHPC用量1960m³，保利長大二公司施工。常溫環(huán)境中，UHPC的1d抗壓強度≥55MPa、28d≥120MPa，滿足了樁梁一體機2.5d/跨的橋梁建設進度要求。

解決橋梁墩頂負彎矩區(qū)開裂問題，傳統(tǒng)的方法是采用預應力將橋梁體系“由簡支轉連續(xù)”，但施工工序多、效率低。在負彎矩區(qū)使用配筋UHPC的高抗拉性能，非預應力實現(xiàn)橋梁的簡支轉連續(xù)，施工工序少、效率高，能有效抑制負彎矩區(qū)混凝土開裂，2023年在寧波舟山港六橫公路大橋、嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程、象山灣疏港高速等工程中應用(浙江宏日泰耐克、二航武漢港灣、中交路橋建設等公司施工)。

二航武漢港灣施工完成了孝感北樞紐互通福銀高速1、2號拼寬橋的新舊橋接縫連接。拼寬橋原設計采用特殊單元式多向變位橋梁伸縮縫與福銀高速連接過渡拼寬，但根據(jù)以往的經(jīng)驗，順橋向伸縮縫在運營期間容易出現(xiàn)損壞導致局部凸起(錯位)，成為行車安全隱患，且運營期間伸縮縫損壞較難維修、安全風險大；另外，福銀高速此處橋梁約20年橋齡，相對穩(wěn)定，會與新修拼寬橋產生沉降差。

基于這些考慮結合現(xiàn)場勘察，項目負責與參加單位決定對工程設計進行變更，拼寬橋與福銀高速拼寬方式由伸縮縫拼寬更改為橋面連續(xù)連接，新舊橋面接縫材料選用UC120等級UHPC。

山東高速工程檢測公司施工完成了濟廣高速濟菏段改擴建工程中的新舊橋梁拼寬，方式為在拼縫兩側各1.5m寬度范圍內澆筑10cm厚UHPC，利用新型拼縫結構以及UHPC的超高性能將新舊結構連成整體，優(yōu)化了結構受力形式，充分保證了橋梁通行效率和行車舒適性，很好解決了公路橋梁連續(xù)梁拼寬、錯位拼寬等難點問題。

此外，上海復培、上海瑞史坦環(huán)保科技、浙江宏日泰耐克、浙江固路交通科技、濟寧聚豐、武漢源錦、中建西部研究院、廣東冠生土木、湖南中路華程、佛山市交通科技、廣州朋悅建材等企業(yè)也施工完成了一批UHPC濕接縫連接混凝土預制構件的工程，包括預制防撞墻連接，箱梁之間連接，橋面板或疊合梁橋面板連接，墩柱與基礎、與蓋梁連接，等等。

鋼-UHPC組合梁(UHPC橋面板)

2023年12月4日北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)文昌大道跨涼水河橋——文昌橋竣工(見圖17)。該橋采用提籃拱橋結構形式，拱肋全長約150m、高54m，橋面最寬處65.8m。橋面板為預制UHPC華夫板，跨徑達5.0m。由北京市政總院設計，中鐵十二局總包，武漢源錦建材供應UHPC預混料，北京燕通建筑構件公司承擔UHPC橋面板預制生產。

該項目在前期設計、試生產階段在北京交通大學開展大量試驗研究，并在中建技術中心進行了構件足尺模型試驗，確保設計方案的安全性、合理性，充分驗證了UHPC構件輕薄、高強且耐久的特性。

 

圖17：北京文昌大道跨涼水河橋(照片引自[11])

貴州德余高速烏江特大橋為上承式鋼管混凝土拱橋，主跨504m，采用UHPC預制橋面板。橋面板UHPC使用5～8mm粗骨料(用量719kg/m³)，鋼纖維體積摻量2%，滿足設計要求的強度和彈性模量指標。該項目使用UHPC共計1600余m³[12]，中交一公局四公司生產施工，中交公路長大橋建設國家工程研究中心技術支持。

UHPC梁橋

中路杜拉2023年為多個橋梁工程預制生產UHPC梁，如粵西舊橋改造UHPC工字梁(廣東省建筑工程機械施工公司施工)、高門橋UHPC工字梁(廣東冠粵路橋公司施工)、中開高速拓寬更換邊梁UHPC-U梁(中國水利水電第十四工程局施工)(見圖18)，以及汕頭牛田洋快速干道人行天橋(達濠市政建筑公司施工)和廣花路過街人行天橋(廣州第三市政工程公司施工)的UHPC-U梁。

 

圖18：UHPC梁橋的工字梁、U梁(中路杜拉提供照片)

UHPC塔梁結合段

 

圖19：沱江大橋塔梁固結段(圖片引自[13])

位于四川簡陽的沱江大橋是一座四邊空間異型獨塔雙索面非對稱混合梁斜拉橋，主橋長455m，南北引橋、主橋合計長度1010m。主梁標準寬度68m，最寬處位于主塔塔梁固結區(qū)，寬達79m，是世界上在建的最寬的斜拉橋。該橋建造的技術難度較大，體現(xiàn)在超寬橋面導致的結構超大橫載，且塔柱承擔全橋約90%荷載。為確保鋼混組合段及塔梁固結區(qū)域結構安全，塔梁固結段采用RPC(UHPC)制成混凝土箱梁形式主梁(見圖19)，位于上下塔柱之間，尺寸為49.4m×49m×4m。對RPC的力學性能要求：抗壓強度≥140MPa，抗拉強度≥7.5MPa，用量6560m³。經(jīng)過前期大量試驗準備，該超大體積RPC結構在2023年8月19日順利澆筑完成。這是迄今世界上最大的民用UHPC結構，由中國鐵建大橋局、中建西部建設研究院和浙江固路交通科技施工。

鋼-UHPC桁架結構人行橋

2023年12月竣工的三逕村天橋(廣州市增城區(qū))是國內首座鋼-UHPC組合桁架人行橋，橋面總寬度為4.5m(包括花槽)，主橋總長41.8m；兩側梯道的寬度為3.0m；橋下凈高大于5.0m。主橋上下弦桿及橫梁采用UHPC，腹桿采用鋼結構；橋面板采用預制UHPC混凝土橋面板；鋼混節(jié)點采用PBL+栓釘組合連接鍵。鋼-UHPC組合桁架采用節(jié)段預制拼裝的方法進行施工，構件在工廠預制并在現(xiàn)場吊裝拼接(見圖20)。該橋由廣州市增城區(qū)道路養(yǎng)護中心投資、廣州市交通設計研究院設計、廣州公路工程集團建造、中路杜拉預制UHPC構件、廣東工業(yè)大學科技攻關(復雜節(jié)點構造、UHPC收縮、抗剪承載力等)、廣州誠信公路建設監(jiān)理咨詢公司監(jiān)理。

 

圖20：鋼-UHPC組合桁架人行橋(三逕村天橋)

橋梁伸縮縫安裝與快速維修

公路橋梁伸縮縫破損是運營期間極易發(fā)生的病害之一，且維修成本高、對交通通行影響較大。吉黑高速(全長151.6km)地處黑龍江嚴寒環(huán)境，如何提升工程耐久性是吉黑項目的重點攻關方向。為提高橋梁伸縮縫耐久性和使用壽命，該項目在全線100m以上大橋伸縮縫使用UHPC安裝，中交二航武漢港灣新材料有限公司施工。

收到“調查表”中，UHPC安裝橋梁伸縮縫的應用在增加，如浙江宏日泰耐克、上海瑞史坦環(huán)?？萍嫉裙痉謩e在寧波、上海完成了一些采用UHPC安裝伸縮縫的工程(見圖21a)。這說明，采用UHPC提升安裝橋梁伸縮縫的質量和使用壽命，越來越受到業(yè)界認可。此外，維修現(xiàn)有損壞的伸縮縫，且快速維修減少對交通的干擾，應用UHPC也是最佳方案。

 

圖21：橋梁伸縮縫安裝與快速維修(浙江宏日泰耐克、廣州朋悅提供照片)

廣州洛溪大橋伸縮縫維修限制的總施工時間在7小時內，從晚上11點封路，第二天早上6點必須開放交通。廣州朋悅建材應用自主研發(fā)的快硬UHPC預混料，達到了維修鋪裝后3小時開放交通的技術目標(見圖21b)。2023年還在中江高速海龍大橋、許廣高速、淇澳大橋等交通系統(tǒng)的快速維修中成功應用。

工字梁濕接縫UHPC小蓋板(免拆模板)

中山市東環(huán)高速，設計先張法工字梁之間的濕接縫寬50cm，是高處施工作業(yè)安全的關鍵風險點。為簡化橋面施工流程、全面降低施工的安全風險，保利長大四公司創(chuàng)新性地采用輕量化UHPC預制蓋板(100×63×2cm及100×85×2cm)作為永久底模(免拆模板)進行橋面施工的新工藝。該項目需使用UHPC預制蓋板約90萬塊，為此建立了自動化生產線，產能100萬件/年，在2023年12月投產。此外，采用電動小車安裝UHPC板，減少高空作業(yè)人員，提高施工安全性和效率(見圖22)。

 

圖22：工字梁濕接縫UHPC小蓋板生產與安裝(保利長大四公司提供照片)

2.建筑應用

建筑幕墻與外立面

據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年預制生產的UHPC建筑幕墻和外立面墻板超過36.8萬m²。UHPC材料提高了建筑幕墻或外立面構件的設計制造自由度、安全性、輕量化和綠色化程度，正在獲得越來越多的應用。以下是完成或參與單位通過“調查表”提供的2023年完成的部分項目介紹及圖片。

華新億噸砂工廠配套的中控樓，采用UHPC鏤空板作為建筑外立面(見圖23)。UHPC板尺寸為1.6m×1.4m，鏤空率為25%～30%。整體設計即不影響玻璃幕墻采光，又具有靈動的設計外觀。華新超可隆供應UHPC預混料，湖北銘振古建公司預制生產UHPC鏤空板。

 

圖23：華新億噸機制砂工廠中控室鏤空幕墻板(華新超可隆提供圖片)

上海臨港新片區(qū)規(guī)劃展示館位于滴水湖北島，設計理念是外觀融于自然。結合滴水湖周邊環(huán)境，采用UHPC幕墻材料來呈現(xiàn)云朵形狀的裝飾立面，通體白色的外立面、S型弧線、云隨浪動，在波光粼粼的湖面掩映中，以云朵的建筑形式還原“湖中云，云中城”的畫卷(見圖24)。幕墻包含白色UHPC單曲、雙曲、折板，共計約10,000m²，上海砼創(chuàng)采用澆筑工藝成型生產。

 

圖24：上海臨港新片區(qū)規(guī)劃展示館(上海砼創(chuàng)提供圖片)

珠海三角島城市會客廳位于珠海市香洲區(qū)，地處港珠澳三地幾何中心。根據(jù)當?shù)氐乩砑皻夂驐l件，城市會客廳建筑外立面采用20mm厚的UHPC平板、曲板、柱子等造型拼接而成(見圖25)。依靠UHPC超高力學和耐久耐候性能，抵抗海風鹽霧侵蝕，保護主體結構，遮擋陽光。白色UHPC平板、雙曲板總面積3300m²，上海砼創(chuàng)采用澆筑工藝成型生產。

 

圖25：珠海三角島城市會客廳(上海砼創(chuàng)提供圖片)

華東師范大學鹽城實驗中學9#樓教師培訓中心，是綠色智慧建筑(新一代房屋)課題研究與示范工程，按綠色建筑三星級標準設計(見圖26)。技術目標包括：建筑能耗比《民用建筑能耗標準》本氣候區(qū)同類建筑的約束值降低不少于30%，即建筑能耗不大于60kWh/m²；

碳排放比2005年基準值降低不少于45%；室內環(huán)境用戶滿意度高于75%；可再生循環(huán)材料使用率超過10%。該建筑由東南大學建筑設計研究院設計，EPC單位為中交第一航務工程勘察設計院，一航局四公司施工。共計使用了15,000m²的UHPC構件，最大板塊尺寸為8000×2000×30mm，由浙江寶思博生產，2023年底完成了全部UHPC構件安裝。

 

圖26：華東師范大學鹽城實驗中學9#樓教師培訓中心(浙江寶思博提供圖片)

2023年還完成了一些UHPC幕墻項目，如杭州中控科技園區(qū)提升改造(城市更新)項目、江陰國樂島項目(見圖27)。此外，還有一批設計使用UHPC幕墻或墻板的工程正在施工，將在明年的年度報告介紹。

 

圖27：中控科技園區(qū)提升改造和江陰國樂島項目UHPC幕墻(浙江寶思博提供圖片)

結構構件及連接(濕接縫)

上海大歌劇院的造型取“中國扇”之意，建筑屋面如同一把展開的中國扇，自然形成螺旋樓梯，連接了地面與天空。作為“扇柄”部分的室外螺旋樓梯設計為輕薄且無支撐的結構形態(tài)，其整體懸挑長度達30m，包含15m的超長懸挑梁板結構，且梁截面高度受建筑尺寸限制僅為725mm高，鋼結構等常規(guī)工藝很難實現(xiàn)此建筑形體，因此，核心區(qū)A區(qū)結構采用UHPC進行打造。該項目由上海建工四建承建，上海建工建材科技承擔螺旋樓梯UHPC懸挑預制梁生產(見圖28)，2023年9月11日完成了懸挑樓梯UHPC濕接縫澆筑，將62根UHPC預制梁板連接成為一體化結構的樓梯。

 

圖28：上海大歌劇院螺旋樓梯UHPC懸挑預制梁及安裝(上海建工建材科技和濟寧聚豐提供圖片)

桁架式屋架

岳陽市中心醫(yī)院門診大廳的采光屋頂，由7榀UHPC魚腹型桁架結構與玻璃屋面組合而成(見圖29)，單榀桁架構件長40.81m、高3.1m，構件厚度0.25m。屋架采光頂總面積約1300m²，總重量超過400噸。由岳陽市城市建設工程有限公司承擔建設。

 

圖29：岳陽市中心醫(yī)院門診大廳UHPC桁架屋架(圖片引自[15])

UHPC鋼筋桁架樓承板

收到的“調查表”中，有多個企業(yè)介紹在2023年生產供應了UHPC鋼筋桁架樓承板(見圖30)，包括漯河匯聯(lián)新型建材、廣州市政工程機械施工公司/中路杜拉、新疆展熠科技、浙江宏日泰耐克等。新疆展熠科技2023年生產的鋼筋桁架樓承板總面積高達62,950m²。

 

圖30：UHPC鋼筋桁架樓承板(漯河匯聯(lián)、新疆展熠提供圖片)

3.維修加固

建筑維修與加固

浙江宏日泰耐克在2023年做了兩個建筑維修加固的成功嘗試。一個是上海某別墅使用UHPC維修和加固，包括地下室地坪和側墻、屋面鋪設UHPC層加固和防水，梁柱、樓板、陽臺板和樓梯用UHPC進行加固，全面提升建筑質量、安全性和耐久性。另一個是臨安於潛鎮(zhèn)危舊房維修改造，對原有房屋進行整體加固，利用了UHPC的施工和力學性能與既有混凝土結構優(yōu)異的粘結性能，通過薄層澆筑實現(xiàn)框架體系構建及樓層板的加固，有效改善房屋整體性能(見圖31)。

憑借優(yōu)異力學性能、良好粘結能力以及對舊結構的保護能力，UHPC必將在危舊房加固改造、建筑抗震加固、城市更新等工程中扮演重要角色。

 

圖31：別墅房和危舊房維修加固(浙江宏日泰耐克提供照片)

橋梁加固

新滘立交橋位于華南快速干線一期，主線分為左、右幅，上部結構均為普通鋼筋混凝土異型板連續(xù)結構。因地鐵隧道盾構下穿施工影響，造成橋墩沉降，進而引起橋梁上、下部結構、支座系統(tǒng)及橋面系的損傷。需要維修加固的項目較多，包括：沉降樁基后壓漿加固、固結墩增大截面、蓋梁粘貼鋼板及增大截面、異形板底板增大截面、支座更換、裂縫封閉等維修項目。其中，左右幅37～38#孔混凝土異型板板底采用UHPC進行增大截面加固，增大厚度為11cm，UHPC層中設置鋼筋網(wǎng)，通過植筋與底板進行連接。板底加固采用低收縮、自然養(yǎng)護型UHPC，性能要求為：擴展度范圍為650～750mm，抗壓強度≥120MPa，抗拉強度≥5MPa。施工工藝流程：施工準備→表面處理→植入鋼筋→布置底板鋼筋→立模澆注UHPC→UHPC養(yǎng)護(保濕養(yǎng)護14d)。板底加固UHPC用量為180m³，由廣東冠生土木施工完成(見圖32)。

 

圖32：新滘立交橋混凝土板板底加固(廣東冠生土木提供照片)

順河高架是濟南市第一個城市高架橋，也是濟南南北向交通的大動脈之一。由于服役年限較長，交通量逐年增加，預應力混凝土簡支空心板出現(xiàn)了病害，包括支點附近剪切裂縫，翼板、底板和腹板也有不同方向的裂縫。為減小對交通的影響，進行維修加固的施工周期必須短，故采用梁端注入特殊UHPC增大梁端截面，提高結構的抗剪承載能力。2023年3～5月大修加固的對象為跨徑18m～20m的先張法空心板內外邊板?？紤]到空心板梁端腹板剪切裂縫存在萌生發(fā)展趨勢，對已出現(xiàn)及未出現(xiàn)梁端腹板斜裂縫的同類板均進行加固。施工在夜間進行，晚上11點后封閉施工，早上6點開放交通。所使用的UHPC凝結時間約4小時，8小時強度可達20MPa，既保證了施工的便利性，又具備高的早期強度，實現(xiàn)了早高峰開放交通的目標。山東高速工程檢測公司制備早強UHPC和施工。

橋梁墩柱

五龍河大橋是威海-青島高速公路上的一座大橋，2000年建成通車。由于地處濱海環(huán)境且服役年限較長，大橋上下部結構出現(xiàn)裂縫、露筋、銹脹等病害。此次，針對橋墩的鋼筋銹蝕、凍融等耐久性問題，采用外包UHPC進行維修保護(見圖33)，山東高速工程檢測公司施工。

 

圖33：五龍河大橋橋墩維修保護(山東高速工程檢測公司提供照片)

橋面、路面、地坪快速維修

廣州朋悅建材研發(fā)的快硬UHPC預混料，除了用于橋梁伸縮縫快速維修，也用于混凝土橋面、路面和地坪的快速修補或罩面，最薄鋪裝厚度可低至5mm，降低了維修的材料消耗。

4.其他應用

料倉隔倉板

傳統(tǒng)臨時建設場站的砂石料倉一般采用鋼筋混凝土及波形鋼板隔墻結構，項目結束后需破除且基本不能回收利用，缺乏綠色經(jīng)濟性。為此，保利長大四公司發(fā)展了一種新型裝配式的鋼-UHPC組合隔墻結構，由工字鋼立柱和預制UHPC隔倉板組裝而成。這種隔墻的使用可大幅縮短臨建隔墻工程施工工期，且預制UHPC隔倉板可重復安拆、周轉使用，是切實可行、降本且增效的新技術路徑。

 

圖34：臨建場站料倉隔墻用UHPC隔倉板(保利長大四公司提供照片)

管廊隔倉板

中路杜拉開發(fā)的管廊UHPC隔倉板(詳見2021年報告)，獲得新的應用(見圖35)。

 

圖35：管廊UHPC隔倉板(中路杜拉提供照片)

工業(yè)屋面瓦與墻面板

華新陽新億噸機制砂石工廠是全球最大、最先進的機制砂生產系統(tǒng)，生產流程短、運行穩(wěn)、能力大，能耗低于行業(yè)平均的30%以上，配套建設了綠色礦山和智慧物流。球形堆棚和生產線的封閉傳統(tǒng)上采用玻璃纖維增強塑料板(玻璃鋼)，但耐候性不足，使用壽命較短。為此，華新超可隆使用UHPC材料開發(fā)和生產了高韌性、高耐久的屋面瓦和墻面板產品，并在陽新億噸機制砂石項目上應用(見圖36)，總面積高達347,000m²。

 

圖36：UHPC工業(yè)屋面瓦與墻面板(華新超可隆提供照片)

垂直綠墻模塊、面板

廣州朋悅建材設計制作的垂直綠墻模塊/垂直綠墻模塊面板，為白色清水UHPC裝飾結構一體化構件，既有綠化和安裝太陽能電池板功能，也同時具備圍墻的維護功能，見圖37。

 

圖37：垂直綠墻模塊、面板(廣州朋悅提供照片)

樹圍

圖38是建華建材為南通崇川區(qū)平安路美麗街道改造工程制作的UHPC樹圍。

 

圖38：UHPC樹圍(建華建材提供照片)

此外，UHPC蓋板、井蓋類產品，因具有輕質高強、開啟方便、耐腐蝕、免維護、使用壽命長等優(yōu)點，正在獲得越來越多的應用。特別是在腐蝕性環(huán)境或覆蓋寬度較大溝槽，UHPC蓋板的技術經(jīng)濟優(yōu)勢較高。

五、UHPC的技術交流

1.CCPA-UHPC分會組織召開“首屆全國UHPC技術發(fā)展與創(chuàng)新應用大會”

該大會原計劃在2022年舉辦，因疫情兩次推遲，最終于2023年3月2-4日在佛山舉辦。大會以“新標準、新技術、新應用促新發(fā)展，UHPC筑建美麗中國”為主題，邀約了38個專題技術報告，組織了2場圓桌對話和“致敬巴赫先生”活動，來自二十多個省市自治區(qū)的設計單位、施工單位、原材料與設備企業(yè)、制品企業(yè)、科研院所、高校的六百多位專家、學者、企業(yè)家、技術人員等參加了會議，首屆大會圓滿成功舉辦。會后，經(jīng)征詢大會各位報告人的意愿，2023年5月至7月陸續(xù)在“混凝土和UHPC”微信公眾號上發(fā)布了獲得許可的29個報告視頻或PPT或視頻+PPT。

2.CCPA-UHPC分會的科普與信息交流

在“混凝土和UHPC”微信公眾號上發(fā)布UHPC相關推文，包括UHPC科普文、工程應用案例、技術文獻、行業(yè)發(fā)展信息等。2023年1月以三次連載方式發(fā)布“2022年中國超高性能混凝土(UHPC)技術與應用發(fā)展報告”。

2023年6月，分會秘書長趙筠前往美國，參加“第三屆超高性能混凝土互動國際研討會”(Third International Interactive Symposium on Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC 2023，2023年6月4～7日在美國特拉華州威爾明頓市召開)。會后撰寫“超高性能混凝土(UHPC)標準化、研究與應用新進展”(分兩次發(fā)布在微信公眾號上)，介紹國際上UHPC技術、應用與標準的最新發(fā)展情況。

2023年8月5日，分會秘書長趙筠在佛山舉辦的“全國UHPC(S-UHPC)橋梁建設技術交流會”上做了題為“UHPC的過去、現(xiàn)在和未來”報告。

3.2024年將開展的重要UHPC技術交流與競賽活動

在CCPA行業(yè)大會期間(2024年5月31日～6月2日，南京國際博覽中心)組織舉辦“第三屆全國UHPC設計定制大賽”，舉辦“第二屆UHPC預混料及專用外加劑大賽”，舉辦“第四屆超高性能水泥基材料與應用技術(UHPC)論壇”。

在2024年四季度，舉辦“第二屆全國UHPC技術發(fā)展與創(chuàng)新應用大會”。

第六屆德國系列UHPC國際研討會“HiPerMat 2024”將于2024年3月6～8日在德國Kassel市舉辦。中國混凝土與水泥制品協(xié)會將組團赴德國參會，之后在德國、荷蘭、比利時三國交流與調研UHPC及相關行業(yè)的發(fā)展。

第四屆法國系列國際研討會“UHPFRC 2024”將于2024年10月21～23日在法國Menton市舉辦。德國和法國兩個系列研討會是國際上重要的UHPC技術交流活動。

六、UHPC的未來發(fā)展

2023年中國在UHPC領域的多個方面取得重要進展，發(fā)展勢頭良好，UHPC的價值也被更好地認識到，并得到越來越多、越來越好地利用。那么，UHPC未來會有怎樣的發(fā)展？在美國UHPC 2023國際研討會上，加拿大V.H.(Vic) Perry先生作出了判斷“The Future of Ultra-High Performance Concrete(UHPC的未來)”[16]。他使用喬布斯(Steve Jobs)的書中所提供的突破性技術市場發(fā)展基本規(guī)律——S形發(fā)展曲線，預測UHPC市場發(fā)展，認為“到2040年，全球對UHPC材料的需求估計每年為1000億美元；基于UHPC的工程建設，整體行業(yè)規(guī)?？蛇_每年1萬億美元”(見圖39)。

 

圖39：全球UHPC市場發(fā)展預測[16]

UHPC具備技術突破性與重大進步的特征，例如，UHPC使水泥基材料的力學性能和耐久性有了跨越式提高，并擁有獨特的韌性性能，能很好解決混凝土結構和鋼結構的“痛點”和“瓶頸”難題；UHPC既能使新建工程結構耐久性及免維護服役壽命呈倍數(shù)提高，也能較完善地修復和保護老化或有缺陷工程結構，使老結構繼續(xù)長期安全地服役；UHPC大幅度提升了水泥和鋼材的使用效率，使工程建設產生的碳排放、資源消耗、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展等環(huán)境指標上了新的臺階，等等。因此，可以相信UHPC市場會遵循S形發(fā)展規(guī)律，并且UHPC也會擁有如圖39所示的巨大市場發(fā)展空間。現(xiàn)在正處于UHPC市場穩(wěn)步增長期，未來會進入高速發(fā)展期，市場接近飽和后發(fā)展又將變的平緩。

現(xiàn)在預測未來的難點，是什么時候UHPC會進入高速發(fā)展期(S形曲線中段)？Perry先生預測是大約在10年后，有這個可能性，前提是能將UHPC材料和應用技術做好做扎實，把標準規(guī)范和市場發(fā)展好，少走彎路。為此，還需要付出巨大努力！

最后，借用在美國UHPC2023國際研討會上，法國F.Toutlemonde先生所做報告的總結詞：“UHPC is fantastic but not automatic…”(UHPC很美好但不會自動呈現(xiàn)它的美…)。也就是說，我們要把UHPC材料制備好、結構設計好，并做好預制構件生產和現(xiàn)澆施工的每一個細節(jié)，UHPC的美才會呈現(xiàn)在我們面前。

致謝

衷心感謝湖南大學邵旭東教授、鼎興土木馬玉全博士為本報告提供文字材料和圖片，感謝下列企業(yè)為本報告提供的支持和信息(以收到調查表時間為序)。

廣東蓋特奇新材料科技有限公司

保利長大工程有限公司第二和第四分公司

湖南明湘科技發(fā)展有限公司

中建西部建設建材科學研究院

漯河匯聯(lián)新型建材科技有限公司

上海復培新材料科技有限公司

中交第二航務工程局有限公司

中交二航武漢港灣新材料有限公司

北京駐地新材料科技有限公司

山東高速工程檢測有限公司

濟寧聚豐機械有限公司

中交一公局土木工程建筑研究院有限公司

武漢源錦建材科技有限公司

上海瑞史坦環(huán)保科技有限公司

新疆展熠科技有限公司

中建工程產業(yè)技術研究院有限公司

上海建工建材科技集團股份有限公司

上海風領新能源有限公司

中鐵橋研科技有限公司

浙江宏日泰耐克新材料科技有限公司

廣州朋悅建材科技發(fā)展有限公司

珠海星杓新材料科技有限公司

廣東冠生土木工程技術股份有限公司

砼創(chuàng)(上海)新材料科技股份有限公司

佛山市交通科技有限公司

華新超可隆新型建材科技(黃石)有限公司

江蘇蘇博特新材料股份有限公司

珠海山泰創(chuàng)新材料科技有限公司

建華建材(中國)有限公司

上海義誠巨新建筑科技有限公司

江西省建材科研設計院有限公司

江西省晶磊工程新技術開發(fā)有限公司

上海三達利裝飾工程有限公司

湖南固力工程新材料有限責任公司

浙江寶思博新材料有限公司

中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司

浙江固路交通科技有限公司

中路新材(廣州)科技股份有限公司

湖南中路華程橋梁科技股份有限公司

中路杜拉國際工程股份有限公司

參考文獻

[1]鄧金嵐、楊簡、陳寶春、徐港、李洋，超高性能纖維增強混凝土單軸本構關系和鋼纖維增強作用對其影響[J]，復合材料學報，https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20230613.001

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[3]王志金、謝恩慧，超高性能混凝土雙階段收縮調控技術研究[J]，公路，2023年1月，第1期

[4]李星、楊騰宇、劉科強、邱文俊、丁慶軍、周昌盛、解鵬洋，低收縮高模量超高強混凝土制備技術研究[J]，新型建筑材料，2023.06

[5]艾金華、何倍、張翼、張紅恩、蔣正武，超低溫作用下UHPC受彎力學行為及其本構關系研究[J/OL]，建筑材料學報，https://kns.cnki.net/kcms2/detail/31.1764.TU.20230606.1433.004.html

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[8]馮碩、石新波、王威、徐凡、肖會剛，UHPC-NSC界面黏結性能的評價方法[J]，建筑材料學報，2023年11月

[9]丁超、賈子杰、王振華、丁玉賢，基于生命周期評價的UHPC碳排放控制潛力評估[J]，硅酸鹽通報，2023年4月

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[11]胡楊木https://mp.weixin.qq.com/s/4qIhSA3WtPaPMeOoDU84_g

[12]高原、謝恩慧、姚庚、徐英喧、高全青、任京華，普通混凝土生產工藝制備非預混UHPC的實踐與驗證，混凝土，2023年第1期

[13]中建西部建設建材科學研究院，“沱江大橋足尺試驗結果分析”(ppt),2022年11月

[14]混凝土和UHPC https://mp.weixin.qq.com/s/YVLPkyBFk0JvhjqJ7SHQBA

[15]岳陽城運集團https://mp.weixin.qq.com/s/FK11sSw3e_JqrxSlaPoHAw

[16]V.H.(Vic) Perry, The Future of Ultra-High Performance Concrete, Third International Interactive Symposium on Ultra-High Performance Concrete (UHPC2023), Wilmington, Delaware, USA, June 6~7, 2023.