超高性能混凝土 (UHPC) 標準化、研究與應用新進展

1. 橋梁結構創新

發展造價低、建造快的UHPC結構，是UHPC結構創新的主要努力方向。美國Sherif El-Tawil博士的報告“Cheaper to Build, Faster to Construct: Novel Short and Medium Span UHPC Bridges（低造價、快速施工：新型中小跨徑UHPC橋梁）”，介紹了他們在密歇根州建造的兩座橋面板為UHPC的小跨徑橋梁案例：

案例一：Mostetler公路跨越Mostetler小溪橋，單跨雙車道，上部結構11m寬，10.5m長，梁中心距2m，由6個預制鋼-UHPC組合梁構成。組合梁為鍍鋅鋼板折彎管梁（galvanized steel press brake tub girder ，PBTG）與UHPC橋面板組成，預制生產流程如圖13所示；橋面板之間用UHPC濕接縫連接，架設安裝快速高效。按照密歇根州交通部（MDOT）造價估算，同樣功能的傳統橋梁（下部結構相同）造價為$788,000美元，該新型橋梁實際造價只有$534,000美元， 造價降低 32.2%。該項目表明，新材料UHPC和新的鋼結構制造工藝結合起來，可以生產出具有100年免維護使用壽命的、低初始造價的預制橋梁（更多應用還能進一步降低成本），并且UHPC/PBTG預制橋梁單元可以以更快的速度、經濟高效地生產和安裝。

圖13：鋼-UHPC組合梁橋——Mostetler公路跨越Mostetler小溪橋[5]

案例二：Bricker公路跨越Quackenbush排水溝橋，寬11m，跨徑7.25m，由6塊創新的超薄、超耐久3T UHPC橋面板構成。每塊橋面板長8m、寬2m，縱向設3個高26cm肋（即所謂3T，可看作T梁與橋面板一體板，見圖14），橋面板肋間板厚7.5cm、兩側板厚10cm，板與板之間用UHPC濕接縫連接。該橋按照現行AASHTO橋梁設計規范和AASHTO尚未發布UHPC結構設計指南進行設計和荷載試驗。圖15中配筋是確保足夠的抗彎強度所必需的。抗剪計算顯示，與需求相比抗剪強度足夠，因此沒有使用箍筋增強抗剪能力，圖15中所設置的箍筋是為了方便鋼筋布置和固定。與傳統40cm（16英寸）厚橋面板相比，該橋面板體系重量減少了2/3。按照密歇根州交通部（MDOT）造價估算，同功能傳統橋梁的造價為$560,000美元，該UHPC板橋實際造價為$379,000美元，造價降低了32.3%。費用包括道路工程、新橋臺、UHPC板、人工和設備租賃。該橋在2022年9月經過荷載測試后開放交通，榮獲本次會議基礎設施小跨徑橋梁最佳創新獎。

圖14：新型超薄、超耐久3T UHPC板橋——Bricker公路跨越Quackenbush排水溝橋 [5]

加拿大正在設計研發工字梁與華夫板一體化UHPC橋梁結構構件（UHPC Decked I-Beam，簡稱DIB，構造見圖16），并進行縮尺和足尺構件預制生產與結構性能測試。預制生產表明，該UHPC DIB構件可以使用常規設備澆筑生產、吊裝和運輸。試驗測試證實，其優化截面擁有優異的結構性能，測試值遠遠超過設計值和預測。隨著設計規范的改進完善，以及隨著時間對UHPC信心的增長，該構件還可能得到進一步優化。此外，測試表明，即使沒有箍筋，UHPC DIB構件的抗剪能力也超過了預測破壞載荷的2倍，并具有更為傳統的剪切行為，不用箍筋可以是未來設計的選項。

上述新型橋梁，包括鋼-UHPC組合梁、超薄3T UHPC橋面板和UHPC DIB梁板一體橋梁上部結構，橋面板均為UHPC預制并用UHPC濕接縫連接，確保了在最惡劣環境（如冬季使用化冰鹽環境）橋梁上部結構的耐久性和百年以上的免維護服役壽命。深入研究與優化UHPC結構，突破傳統混凝土結構設計觀念的束縛、建立UHPC獨立的結構設計方法與標準規范，使UHPC結構更輕量化、材料用量更少，UHPC結構的初始造價也可以很有競爭力。

2. 高耐久、長壽命結構

美國加拿大橋梁、碼頭的基礎常使用打入式樁，比較困擾的問題之一是混凝土樁和鋼樁的耐久性，UHPC樁則可能是很好的解決方案。本次會議有三個關于UHPC樁的報告。Philip Loh先生介紹了加拿大完成的第一個UHPC樁基項目，是Lily河一個新建的繞道小橋工程，樁基礎用相同外形尺寸的預應力H形UHPC樁代替原設計的H形鋼樁，樁截面對比見圖17。該項目的實施表明，UHPC樁可以用傳統設備運送和打樁，也可以用與鋼樁相同的技術進行測試，獲得要求的極限土體抗力UHPC樁的深度比鋼樁淺，UHPC樁隱含碳排放和其他環境指標相對更好。美國阿拉巴馬州和佛羅里達州交通部正在研發UHPC樁，會上分別介紹了設計優化和試驗測試的進展，所優化和選擇的UHPC樁都是H形截面。

圖17：H形UHPC樁與鋼樁截面對比（引自會議報告ppt）

確保地下核廢料儲存設施300多年的水密性，防止場址周圍的地下水受放射性污染，是一個挑戰。目前核廢料桶用土層、瀝青膜和礫石層保護，防水壽命有限，需要對傳統技術方案進行改進或補充。實現300多年的使用壽命防水保護，UHPC材料是不二的選擇，UHPC水封層的概念設計得到法國核廢料運營公司ANDRA認可。法國正在設計研發用互鎖式大型UHPC板（Giant Tile）覆蓋核廢料儲存設施形成新的防水系統，并通過詳細設計來檢驗技術和經濟可行性。經過大量足尺板預制、安裝、荷載與功能測試，檢驗是否滿足設計考慮的服務負荷、抗震、抗風暴和水密性等要求以及可施工性。目前，在各方面專家（土木、地震、地質和預制生產）的通力合作下，經過強度、剛度以及高耐久錨固安裝等優化，測試證實這種復雜的“拼圖式”互鎖構件組成的防護和防水系統是可行的，能夠實現300年預期使用壽命，有望在核廢料存儲設施獲得實際應用，還可能用于其他需要長壽命的“屋面”。

圖18：互鎖式大型UHPC板（Giant Tile）防水系統和測試 [7]

本次會議評選的使用UHPC創新獲獎項目沒有提供文字介紹。從ppt所展示最佳建筑物創新獲獎項目的圖片看（圖2），UHPC是用于一個新建鋼結構辦公樓的樓板，大概是預制輕量化UHPC樓板。最佳建筑設計與藝術創新獲獎項目則是由表面紋理豐富的鏤空UHPC幕墻和屋面構成的建筑（圖3）。

會議有一些報告介紹新近完成的UHPC建筑幕墻、遮陽板、立柱、屋面，以及雕塑和街具，下面是部分圖片展示。

圖19：復雜構造UHPC幕墻板（美國，引自會議報告ppt和 [8]）

圖20：用于建筑的各種UHPC構件（歐洲，引自會議報告ppt，可參考 [9]）

圖21：UHPC雕塑作品（加拿大，引自會議報告ppt）

丹麥Bendt Aarup先生的報告分享了Hi-Con公司在降低UHPC構件的碳足跡方面做出的努力和取得的進步。Hi-Con公司專業設計和預制生產UHPC構件，典型產品是陽臺、樓梯、幕墻和墻板以及橋梁（如圖22所示）。由于UHPC建筑構件如陽臺板、樓梯較為輕薄或細長，鋼筋保護層只有10～15mm，大多數建筑應用中使用UHPC的最大骨料粒徑為 4mm。對于較大型構件如圖22所示橋梁，則在UHPC中再加入5～8mm粗骨料，使漿體體積減少約30%，相當于減少水泥和CO₂排放約30%。嘗試降低碳足跡的努力還包括，用高爐礦渣粉（礦粉GGBS）、粉煤灰和石灰石粉等摻和料替代水泥。用礦粉替代25～50%水泥，不會降低強度和工作性，這個方案將用于荷蘭的工廠，因為當地有礦粉資源[10]。

Aarup先生介紹，他們在10～12年前首次被要求提供LCC（Life Cycle Analysis 壽命周期分析）和EPD（Environmental Product Declaration環保產品聲明），主要來自挪威、瑞典、荷蘭等國家，如今這成為了常規要求。丹麥從2012年開始在許多建筑實施DGNB system (Deutsche Gesellschaft fu?r Nachhaltiges Bauen德國可持續建筑委員會評價系統)。這些建筑針對許多參數包括社會、經濟、建筑和環境進行評估和打分，根據得分來認證。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。Hi-Con公司的產品在2017年獲得EPD，今年到期需要更新。如果每平方米比較，他們UHPC的碳足跡很高（如同大多數UHPC，水泥含量較高），但對比一個功能構件，例如1平方米的陽臺，與傳統的混凝土和鋼結構陽臺相比，UHPC陽臺的碳足跡最低，因為UHPC陽臺板的厚度僅為80～100mm。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，這個數字包括建筑物的建造、運營能源消耗等（按建筑物50年的使用壽命計算），并且每2年要降低一次，預計到2027年會降低到每年9kg/m²。雖然這個限制對于Hi-Con現在的UHPC產品不是問題，但仍然需要改進來滿足未來的要求[10]。

用壽命周期和可持續發展指標分析評價，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，UHPC與高效保溫材料組合的墻板，可以大幅提升墻體輕量化和保溫隔熱性能。UHPC為建筑節能減碳可以大有作為，也有很大創新發展空間。

圖22：丹麥Hi-Con公司預制生產的UHPC構件 [10]

特拉華州在老橋混凝土橋面板鋪裝UHPC保護面層，表面打磨刻槽后直接作為行車路面（不鋪設瀝青磨耗層）。參觀過程，大家對刻槽UHPC暴露在表面比較擔心，因為很多鋼纖維暴露在表面，用手輕撫表面感覺很扎手，擔心可能扎鞋、扎輪胎。特拉華州交通部人員解釋，近兩、三年的實際應用還沒有出現這樣的問題，但這并沒有完全消除擔憂，外露鋼纖維可能不會扎透汽車輪胎，但存在扎透自行車和摩托車輪胎的可能性。長時間后，暴露鋼纖維銹蝕、磨損后，也許這就不是問題了。

此外，會議上UHPC Solution公司的報告“Grenzbruecke Basel—The First Swiss Exposed UHPC Overlay”，介紹在Basel瑞士與德國的跨境混凝土箱梁橋，由于運輸車輛停、啟頻繁，瀝青混凝土有嚴重的車轍。2022年該橋梁采用100～180mm厚UHPC罩面維修保護，UHPC分兩層鋪裝（下層的表面采用水力拉毛保證層間良好粘接），UHPC頂面打磨刻槽后直接作為行車路面。這是瑞士第一個暴露UHPC罩面的橋面。

圖23：特拉華州紀念大橋（Delaware Memorial Bridge）橋面的UHPC罩面（無瀝青磨耗層）

圖24： 特拉華州小跨徑公路橋橋面的UHPC罩面刻槽表面（無瀝青磨耗層）

七、UHPC發展展望

UHPC未來會有怎樣的發展？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）” [11]。他使用喬布斯（Steve Jobs）的書中所提供的突破性技術市場發展基本規律——S形發展曲線，預測UHPC市場發展，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，整體行業規模可達每年1萬億美元“ （見圖26）。

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、環境友好、可持續發展等環境指標上了新的臺階，等等。因此，可以相信UHPC市場會遵循S形發展規律，并且UHPC也擁有這樣巨大的市場發展空間（如圖26所示）。我們現在正處于UHPC市場穩步增長期，未來會進入高速發展期，市場接近飽和后發展又將變的平緩。現在預測未來的難點，是什么時候UHPC會進入高速發展期（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，把標準規范和市場發展好，少走彎路。為此，還需要付出巨大努力！

最后，借用法國F.Toutlemonde先生在他報告總結的一句話：“UHPC is fantastic but not automatic…”（UHPC很美好但不會自動呈現它的美…）。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澆施工的每一個細節，UHPC的美才會呈現在我們面前。（全文完）