洪 輝（上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，上海 200032）

超高性能混凝土 (Ultra-High Performance Concrete，UHPC)，是過去 30 a 中研究、應(yīng)用、創(chuàng)新、發(fā)展最具活力的水泥基復(fù)合材料之一，可較好地適應(yīng)土木工程結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢[1-2]。隨著在橋梁工程和高層建筑中的越來越多地被應(yīng)用，UHPC 已成為用于工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)供應(yīng)的工程材料。其產(chǎn)品類型和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，在工程材料的性能方面實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。

1 UHPC 研究與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展

1.1 國外研究

1979 年，丹麥 Hans Henrik Bache 教授申請注冊了首個(gè) UHPC 專利權(quán)并建立了 DSP （Densified System with Ultra-Fine Particles）理論，是 UHPC 發(fā)明的一個(gè)重要開端。丹麥于 20 世紀(jì) 80 年代開始進(jìn)行 UHPC 有關(guān)應(yīng)用研究。在當(dāng)時(shí)，UHPC 又被叫作 Ny Beton（新型混凝土）、CRC（Compact Reinforced Composite，密實(shí)增強(qiáng)復(fù)合材料，即 R-UHPC 或纖維和鋼筋增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料），以及 Densit? 商標(biāo)的商業(yè)化 UHPC 預(yù)混料產(chǎn)品。20 世紀(jì) 90 年代，法國是 UHPC 研究發(fā)展最活躍的國家。其中，法國多個(gè)企業(yè)參加的“活性粉末混凝土”（RPC）研究項(xiàng)目，發(fā)布了系列產(chǎn)品使 RPC 或 UHPC 在全球范疇得到高度重視，進(jìn)而成重要的研究方向。法國最早進(jìn)行 UHPC 的標(biāo)準(zhǔn)化工作，至2018 年實(shí)施了具體的系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，包括 UHPC 材料、設(shè)計(jì)方案和工程施工。UHPC 這一名稱是 1994 年由法國專家提議，因其能更準(zhǔn)確表述此類超強(qiáng)性能水泥纖維提高材料的優(yōu)勢能力，逐漸被普遍接納和運(yùn)用[3]。

1.2 國內(nèi)研究及應(yīng)用情況

1999 年，清華大學(xué)覃維祖教授首次在國內(nèi)介紹了超高性能混凝土，并第一時(shí)間進(jìn)行研究[3]。遼寧省鞍山市昌宏鋼纖維廠最先在中國大批量生產(chǎn)細(xì)微高強(qiáng)度鋼纖維，完成了UHPC 重要材料的國內(nèi)生產(chǎn)制造。經(jīng)過 20 a 的發(fā)展，我國一些高校、企業(yè)已經(jīng)造就出一批專注于 UHPC 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)而成為我國 UHPC 技術(shù)進(jìn)步和推廣應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力。

湖南大學(xué)黃政宇、邵旭東和方志教授等有關(guān)團(tuán)隊(duì)，在我國最早開始進(jìn)行 UHPC 材料和結(jié)構(gòu)特性研究、橋梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究及其工程項(xiàng)目實(shí)踐。邵旭東專家團(tuán)隊(duì)發(fā)展的鋼-UHPC復(fù)合型橋面結(jié)構(gòu)切實(shí)解決了困惑鋼橋的 2 個(gè)難點(diǎn)—橋面鋪裝壽命短和鋼結(jié)構(gòu)易疲勞損傷，并設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)研究了多種多樣的 UHPC 結(jié)構(gòu)、鋼-UHPC 復(fù)合結(jié)構(gòu)橋梁[4]。最重要的是，鋼-UHPC 復(fù)合橋面在我國已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用，其他橋型已經(jīng)踏入工程項(xiàng)目運(yùn)用。

1.3 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化情況

我國第一部關(guān)于 UHPC 的技術(shù)文件是 2006 年國家鐵路局公布的《客運(yùn)專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》。2015 年公布的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 31387－2015《活性粉末混凝土》是我國首部有關(guān) UHPC 的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)包括上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會(huì)《橋梁工程超高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（2020 年立項(xiàng)編制）、《鋼橋面鋪裝應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《超高性能纖維混凝土組合加固橋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》，廣東省交通運(yùn)輸行業(yè)地方標(biāo)準(zhǔn)《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以及河北省、福建省和湖南省的地方標(biāo)準(zhǔn)等。

自 2016 年起，隨著我國團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展，我國UHPC 相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的編制工作密集展開，已編制完成或在編的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種。

（1）中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》《超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)要求》《公路超高性能混凝土（UHPC）橋梁技術(shù)規(guī)程》和《建筑及道路工程超高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》。

（2）中國建筑材料聯(lián)合會(huì)以及中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)（CCPA)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》，中國建筑材料聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》《超高性能混凝土現(xiàn)場澆注施工技術(shù)規(guī)程》。

（3）中國公路學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土加固橋梁技術(shù)指南》。

2 UHPC 設(shè)計(jì)理論和材料性能

2.1 設(shè)計(jì)理論

UHPC 設(shè)計(jì)理論是擁有最大堆積密度基礎(chǔ)理論，由具備不一樣粒度的材料構(gòu)成，以最佳占比產(chǎn)生最緊湊型的整體。即用微米級(jí)顆粒物（混凝土、煤灰、礦物粉）填補(bǔ)了毫米尺寸的顆粒物（聚集體）的空隙。微米級(jí)顆粒物的間隙則用亞微米級(jí)顆粒物（硅灰）填充，最大程度減少材料的內(nèi)部缺陷（氣孔和微裂紋），從而獲得超高強(qiáng)度和高耐久性。

2.2 UHPC的性能優(yōu)勢

普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能對(duì)比如表 1 所示。從密度上看，UHPC 稍高于普通混凝土（NSC）和高性能混凝土（HPC），不能稱作傳統(tǒng)定義上的質(zhì)輕材料。在力學(xué)性能和使用性能層面，UHPC 大幅超過了上述 2 種材料，具有結(jié)構(gòu)自重小、韌性好、設(shè)計(jì)自由度大等特點(diǎn)，因此 UHPC 被視為一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料。在強(qiáng)度質(zhì)量比和彎曲剛度質(zhì)量比層面，建筑鋼筋提高 UHPC 梁可做到鋼柱同樣的水準(zhǔn)，使混凝土結(jié)構(gòu)變得細(xì)薄輕巧，不再是肥梁胖柱。在極端環(huán)境中，UHPC 的結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)估比 HPC 結(jié)構(gòu)使用壽命高 2 倍以上。在海洋資源中，UHPC 結(jié)構(gòu)的工作使用壽命很有可能超出 200 a[5]。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)工程，高溫變軟是一個(gè)致命性缺陷，必須采用外絕緣層或屏蔽層等防火安全對(duì)策，而摻一定量的聚丙烯纖維即可使 UHPC 結(jié)構(gòu)本身達(dá)到充足的防火等級(jí)或防火時(shí)間。

表1 普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能對(duì)比

3 UHPC 成本分析

3.1 材料成本分析

目前，UHPC 的材料成本費(fèi)是其運(yùn)用的關(guān)鍵阻礙。UHPC 的材料組成包含混凝土、硅灰、沙子、金屬纖維、高效減水劑等，而金屬纖維的成本占比較大，達(dá)到 UHPC 總材料成本費(fèi)的 1/2 之上。UHPC 基材原料里可用高品質(zhì)純天然砂替代石英砂，用礦粉、粉煤灰替代其中一部分石英粉和水泥，使用低成本超細(xì)粉煤灰或礦粉取代一部分硅灰，但其控制成本的空間較有限。UHPC 現(xiàn)階段運(yùn)用經(jīng)營規(guī)模小，纖維價(jià)格持續(xù)上升，這也是其成本費(fèi)較高的緣故。伴隨著運(yùn)用經(jīng)營規(guī)模擴(kuò)大和混凝土纖維的規(guī)模性工業(yè)生產(chǎn)，UHPC 的成本費(fèi)有望減少。

以上海市 UHPC 原材料價(jià)格為例，分析目前的 UHPC生產(chǎn)成本。上海市 UHPC 原材料如表 2 所示。根據(jù)各生產(chǎn)廠商目前各自的質(zhì)量控制成本及不同等級(jí)的 UHPC 可知，目前 UHPC 的材料成本為 3 500～5 000 元/m3，而目前市售 UHPC 的價(jià)格為 7 000～10 000元/m3。但 UHPC 的利潤也有限，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，單項(xiàng)工程用量較小，合同額較低，總體獲利也較低。隨著 UHPC 市場逐步地打開，應(yīng)用水平逐漸提高后，其價(jià)格在未來 3～5 a 將會(huì)有一個(gè)較大幅度的降低，達(dá)到 6 000～7 000 元/m3。

表2 上海市 UHPC 原材料

3.2 物流成本分析

UHPC 目前是預(yù)混的半成品，從生產(chǎn)廠商到項(xiàng)目工地一般采用陸路運(yùn)輸。短途運(yùn)輸和市內(nèi)運(yùn)輸，物流成本相對(duì)較低，一般為 50～100 元/t，合計(jì)增加物流成本150～300元/m3。長途的輸送以及配套倉庫的租賃等，成本相對(duì)較高。以上海市到長沙市輸送為例，目前成本為400 元/t，合計(jì)達(dá) 1 000 元/ m3。

目前國內(nèi)部分 UHPC 廠商已經(jīng)考慮以就地生產(chǎn)的方式來減少長距離運(yùn)輸?shù)某杀?，需要考慮需求量和本地大宗原材料質(zhì)量及供應(yīng)情況。若為沿海城市，可以考慮選擇海運(yùn)的方式。但是海運(yùn)仍需注意碼頭的租賃、整船運(yùn)輸?shù)膬r(jià)格、到岸之后短駁的費(fèi)用和海運(yùn)所需要的時(shí)間成本等。

綜合考慮，陸路運(yùn)輸目前比較適宜的輸送距離在 300 km以內(nèi)，再遠(yuǎn)的距離，相對(duì)物流成本將會(huì)增加，陸路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢就會(huì)比較小。

配置、生產(chǎn)和施工工藝的復(fù)雜性和高成本決定了 UHPC成為不會(huì)被廣泛使用的工程材料，而是用于解決工程問題或更好的性能和更美觀工程的現(xiàn)代工程材料的有用補(bǔ)充。因此，應(yīng)在可以充分利用其優(yōu)勢并體現(xiàn)其價(jià)值的情況下，使UHPC 不會(huì)顯著增加或增加結(jié)構(gòu)的事故成本，甚至可減少整個(gè)項(xiàng)目成本并獲得長期利益。

4 UHPC 與可持續(xù)發(fā)展

目前，我國正處在都市化迅速發(fā)展階段，以鋼筋混凝土為主導(dǎo)的項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)營規(guī)模日益擴(kuò)大，混凝土使用量大幅提升，混凝土、砂、石等建筑材料使用量持續(xù)增長，CO2、煙塵等排出對(duì)資源和環(huán)境的影響也逐漸提高。高質(zhì)量混凝土是一種關(guān)鍵的綠色建筑材料，對(duì)推動(dòng)節(jié)能降耗、節(jié)省建筑材料、提升基本建設(shè)工程施工質(zhì)量等具有實(shí)際意義?；炷辽a(chǎn)造成的 CO2排放量，約占全球人為 CO2總排放量的 5%。近些年，盡管混凝土工業(yè)生產(chǎn)盡力節(jié)能減排，但遠(yuǎn)抵不上混凝土生產(chǎn)量持續(xù)增長而提升的碳排放量。預(yù)估 2005～2050 年混凝土的碳排放量會(huì)提高 2.5 倍。減少混凝土的使用量和需要量是混凝土和混凝土工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能降耗的關(guān)鍵方式之一。據(jù)權(quán)威專家估計(jì)，以現(xiàn)階段我國每年混凝土的需求量 4×108m3 計(jì)算，依賴營銷推廣高質(zhì)量混凝土，合理使用引起劑，每立方米混凝土可節(jié)省混凝土 25 kg，完成年節(jié)省混凝土 1×108t，進(jìn)而降低耗費(fèi)石灰石1.1×108t、黏土 6×107t，節(jié)省耗煤量 1.2×107t，降低排出 CO27.5×107t[6]。

5 結(jié) 語

UHPC 的使用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿θQ于其極高的力學(xué)性能和高耐久性能。UHPC 可用于建造新的輕型和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。根據(jù)在一些場所充分運(yùn)用 UHPC 的特性優(yōu)點(diǎn)，能夠減少結(jié)構(gòu)或新項(xiàng)目的綜合性成本費(fèi)。UHPC 結(jié)構(gòu)的耐用性大幅超過了傳統(tǒng)式工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)材料，使 UHPC 結(jié)構(gòu)具備較長的使用期限和較低的維護(hù)成本費(fèi)，并得到了比傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)更低的生命期成本費(fèi)。因而，UHPC 修建的結(jié)構(gòu)具備明顯的環(huán)保節(jié)能、節(jié)約材料和降低 CO2排放量的實(shí)際效果，有益于建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。