从“叫好”到“叫座”——超高性能混凝土的研究现状与应用统计

刘明虎的图书馆 2021-09-22

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1周前

青龙洲大桥UHPC矮肋桥面板

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力学性能和超高的耐久性能，被认为过去三十年最优异的水泥基复合材料之一，能较好地适应当前土木工程结构大型化、复杂化的趋势，也能符合社会可持续发展对高性能材料发展要求。近年来，UHPC材料与结构已成为了热点研究方向，相关专利与论文数量呈指数型增长，UHPC应用数量、范围与地区不断攀升，各类规范与标准也在不断地制定与修订之中。本文围绕超高性能混凝土的研究与工程运用现状，梳理超高性能混凝土在桥梁工程、建筑工程以及防护工程等领域的应用现状，为超高性能混凝土材料今后进一步研发与应用提供参考。

热点研究发展迅猛

1994年，Larrard与Sedran首次提出了超高性能混凝土UHPC（Ultra-High Performance Concrete）的概念。同年，法国的Richard报道了最具代表性的超高性能混凝土——活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），宣告混凝土进入超高性能时代。超高性能混凝土一经问世，便得到土木工程领域的广泛关注，近年来UHPC材料与结构相关研究发展迅速。图1基于文献数据库检索结果显示，从1996年至2019年国内外发表与UHPC相关的论文及申报的专利呈指数型增长趋势，UHPC的研究与应用已发展成为了土木工程领域的研究热点之一。在我国工程院战略咨询中心等单位发布的《全球工程前沿报告2018》中，超高性能混凝土与智能水泥基复合材料位列土木、水利与建筑工程领域前沿发展第2位。

图1 UHPC相关论文及专利数发展趋势

尽管UHPC材料的研究日臻完善，但是UHPC应用仍然处于较为初级的阶段，在实际工程建造中离取代传统土木工程材料（如普通混凝土）仍有相当大的距离。制约其大规模化应用的关键之一是，当前UHPC应用中仍主要沿用传统混凝土结构形式与设计理论，难以充分发挥UHPC性能优势、获取性价比优异的高性能结构。

图2 UHPC发展国内外大事年表

图2给出了UHPC发展的主要大事年表，可以较为清晰地看出UHPC发展的几个不同的阶段。20世纪80年代以前，受技术限制，只能通过一些特殊手段（如真空拌和和高温养护）来提高混凝土的致密性和强度。虽然这种混凝土具有高抗压强度，但韧性很差，且在制作过程中的能耗较高，难以应用于实际工程。20世纪80年代，丹麦学者研发成功DSP，加入了超塑化剂和硅灰，抗压强度可以达到345MPa，由于材料很脆，通常掺入钢纤维来改善其韧性。20世纪90年代，活性粉末混凝土（RPC）被研发成功，RPC是以DSP为胶凝材料，配以较小粒径、间断级配的石英砂和钢纤维所组成，抗压强度可达200MPa～800MPa，具有良好的施工和易性，便于实际工程应用。同时，法国Larrard等首次将基于DSP配制而成的混凝土材料统称为超高性能混凝土UHPC，此后这一概念被广泛采用。2000年以后，UHPC得到快速发展，性能不断改进，组分也不断优化，价格也逐渐降低，应用日趋广泛。近十年，UHPC的研究主要集中在如何充分利用UHPC性能特点创新结构形式、制定相关的设计与施工规范，为大规模化推广与应用提供基础。

经过30年左右的发展，UHPC材料与结构研究已经深入到与之相关的方方面面。早期研究主要侧重UHPC自身材料层面，包括：组成和配合比、掺入纤维性能与影响、拌合物性能、力学性能、变形性能、长期性能、养护方法等方面。近期研究中，主要侧重UHPC结构研发与应用，包括：UHPC基本构件性能、组合构件与结构性能、连接构件性能、基于UHPC的既有结构加固，以及基于UHPC的新结构与新体系的研发。当然，由于UHPC具有面向需求的可调配性与可设计性，面向结构性能需求设计功能化的UHPC也是近期研究中的热点问题之一。就UHPC研究而言，总体上呈现出由UHPC材料研究向结构与应用研究过渡的特征。可以预见，这些研究都将推动UHPC材料的大规模化应用、结构范式的变革，以及高性能结构时代的到来。

桥梁应用集中于亚洲

由于UHPC所具有超高力学性能与耐久性能，UHPC结构通常被认为具有结构自重小、韧性好、耐久性高、设计自由度大、符合可持续发展等特点。下面将从桥梁工程、建筑工程、防护工程等方面梳理UHPC的运用现状。

桥梁工程

在桥梁工程中，UHPC已被应用于主梁结构、拱桥主拱、桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等多方面。目前，将UHPC材料作为主要或部分建筑材料的桥梁主要分布在亚洲（东亚、东南亚）、欧洲、北美洲和大洋洲，包括马来西亚、中国、日本、韩国、越南、缅甸、法国、德国、瑞士、荷兰、奥地利、捷克、意大利、斯洛文尼亚、西班牙、加拿大、美国、澳大利亚、新西兰等国家。其中，马来西亚、美国、加拿大、中国、日本等国家应用UHPC材料的桥梁均在70座以上。在UHPC桥梁结构的应用和推广方面，仅马来西亚一国就已经建成150座UHPC桥梁（截至2019年底），绝大多数为主梁结构采用UHPC材料。北美洲（加拿大和美国）主要将UHPC材料应用于桥梁接缝，约有350座采用UHPC材料的桥梁，其中约有25座为主体结构（主梁）采用UHPC材料，其余均为将UHPC应用于桥面板接缝等局部构造。而中国目前约有80座桥梁采用了UHPC材料，其中约有20座桥梁主体结构（主梁、拱圈等）采用UHPC材料，其余主要用于钢-UHPC轻型组合桥面结构、现浇接缝、维修加固等方面。近年来UHPC在桥梁中的应用主要集中在亚洲，这与亚洲多国仍处于大规模基础建设时期有关，也与UHPC在这些国家具有相对较低的价格有关。

a.南京长江五桥施工图

b.广东高恩刚架拱桥

图3 UHPC在我国桥梁中的应用实例

建筑工程

UHPC在建筑结构领域也得到了较为广泛的关注。2001年美国伊利诺伊州，建成了18m直径的RPC圆形屋盖，设计中考虑了RPC优异的抗拉性能和延性。该屋盖用时11天现场拼装而成，采用钢结构，现场拼装大约为35天，使用RPC方案在获得良好性能的同时，也大大缩短了施工工期。该屋盖的设计因先进建筑材料与结构形式完美结合，获得了2003年Nova奖提名。相比其他国家，UHPC在法国建筑行业认可度更高，得到建筑师的普遍青睐。1998年，就在卡特农核发电厂中采用了预制预应力UHPC梁。此后，UHPC广泛运用于建筑幕墙、屋盖、外墙挂板中，如图5所示。在我国，深圳的超高层建筑“京基100”（京基金融中心）、杭州的余杭大剧院、宁波的未来城科普中心、南京雨花中学等结构中部分运用了UHPC材料。

总体上，相比桥梁结构，UHPC在建筑结构中应用相对较少，目前主要侧重中非承重装饰性构件上。这一现状的主要原因是：建筑结构相比桥梁结构跨越要求低，传统普通混凝土就能够较好地胜任，考虑价格因素等，一定程度上限制了UHPC在建筑结构上的应用。

防护工程

由于涉密原因，鲜有资料公开基于UHPC研发的军事防护结构与性能。但是，目前已有大量的文献广泛地研究了UHPC梁、板和柱等构件在不同冲击荷载（如低速撞击、侵彻、爆炸荷载）作用下的性能。总体上，这些研究工作的主要结论为：相比普通混凝土，UHPC具有优异的抗冲击性能，能够显著减小防护结构在冲击荷载作用下的损伤，在军事防护结构中具有广泛的研究前景。

除了军事防护结构中，UHPC近年在民用低速冲击防护中也逐步得到关注。例如，考虑寒区等恶劣环境因素，有学者利用UHPC超高的耐久性和抗撞性能，提出了UHPC与普通混凝土组合的新型防撞护栏、钢-UHPC组合的防撞消能装置，为实际车/船撞防护提供了新思路。

其他领域

除了上述3个主要领域，UHPC还在市政、电力、轨道交通工程方面有所应用，诸如井盖结构，电缆沟槽、支架、盖板，轻型电杆、重载电杆，装配式变电房，地铁疏散平台，隔声板和构件，预制轻型排水沟等。这些应用也表明UHPC的高性能使其具有强健的适应能力，具有广阔的应用空间与前景。

标准规范相继涌现

随着近年来UHPC在工程中的运用，相应的技术规范或标准已逐步制定或正在制定。表 3统计了世界各国已制定或正在制定的技术规范与标准。由表2可知，大部分UHPC相关规范或标准是近5年内制定的，有相当一部分规范或标准尚处于编制中（特别是在我国），反映出目前UHPC应用尚处于初始阶段。随着各类规范或标准的出台，将极大推动UHPC在土木工程领域的应用。然而，值得注意的是，由于UHPC成为学界和工程界的热点，多种多样相似的UHPC技术标准与规范正在制定中。这些标准与规范的出台带来便利的同时，也可能给工程技术人员带来困扰。因此，如何提高UHPC工程技术规范体系的先进性对UHPC应用与长期发展至关重要。

UHPC期待结构创新

推动UHPC大规模化应用的过程中，除了进一步降低UHPC材料造价外，更重要的是把握工程需求，创新结构形式，发展与UHPC相适应的结构。过去二十余年，笔者团队在这方面做了一些探讨与研究。

钢-UHPC新型组合结构。笔者团队于2010年提出了正交异性钢板-薄层UHPC轻型组合桥面结构。UHPC组合桥面结构在基本不增加自重的前提下，大幅提高了桥面的局部刚度，并且为沥青面层提供了易黏结的混凝土基面，从而可同时解决正交异性钢桥面的两大难题。同时，项目组对UHPC进行针对性强化，通过掺入纳米组分、混杂钢纤维和重配筋协同增韧，并施以高温蒸汽养护，将其抗裂强度提升至30%～42MPa，获得了钢桥面专用UHPC材料，称其为超高韧性混凝土STC（Super Toughness Concrete）。此外，为了降低大跨径钢-混凝土组合梁的自重，研发了钢-UHPC矮肋桥面板组合桥梁结构，在降低自重的同时确保桥面刚度。此新结构相比传统组合梁可减小30%～40%的自重，而桥面板+铺装的综合单价仅为传统钢桥面系的一半。

基于UHPC的大跨径箱梁桥新结构。针对大跨预应力混凝土连续箱梁桥自重过大、主跨过度下挠和梁体开裂等难题，笔者团队提出了单向预应力UHPC薄壁连续箱梁新结构。因自重轻、强度高、徐变小，UHPC箱梁可避免传统大跨预应力箱梁桥主跨过度下挠和梁体开裂的风险，并将混凝土连续梁桥的极限跨径拓展至500m，且经济性通常优于同等跨径的斜拉桥和悬索桥。这种新型箱梁结构将在广东英德市S292线一座跨径102m简支梁上实施。