超高性能混凝土的應用

唐勇 李旭

超高性能混凝土（UHPC）是近年來在土木工程領域炙手可熱的一種新材料，也可以說是當前最先進的水泥基復合材料。本文首先簡介了UHPC 的特點，然后列舉了UHPC 的幾種應用，最后對當前UHPC 的發展提出自己的看法。

一、UHPC 的特性及材料組成

1.UHPC 的特性

超高性能混凝土，英文為Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC，1994 年被提出，是一種極具創新性的水泥基材料。超高混凝土的超高性能主要表現在超高的力學性能和耐久性，與其他水泥基材料相比，UHPC的主要特點有：

（1）超高的抗壓強度，UHPC 的抗壓強度一般都大于120MPa，不同國家對UHPC 的最低抗壓強度規定有所不同，但其最低抗壓強度都遠高于普通混凝土。

（2）很好的抗拉強度，UHPC 的抗拉強度可穩定達到7Mpa，有的還可達到10Mpa 或更高。

（3）超強的耐久性能，UHPC 結構及其致密，其抗碳化、抗凍性、抗水滲透性、硫酸鹽侵蝕等性能都非常優異，甚至可以說是免疫。

（4）具有極高的韌性和延性，表現在斷裂能是普通混凝土的幾百倍；極限拉應變大，一般要求大于1000με，最大可達4000με 左右。

此外，UHPC 在制備、造價及應用還具有如下特點：

（1）對制備條件和技術要求高，需專業人員選擇材料和配比，并以干混料供應。

（2）由于組分的多樣性并且對組分的品質要求較高，UHPC 的生產成本高，可達到普通混凝土的10 倍；但由于UHPC 的優良力學性能，使得很多創新的結構體系可以實現，超強的耐久性大大減少了使用階段得維修次數和維修費用，綜合來看其在全壽命周期內的經濟成本和社會成本是小于傳統混凝土結構的。

（3）UHPC 不適用于大體積現澆，養護條件較高，一般需蒸汽養護或高溫養護；但其可以用于預制裝配構件。

2.UHPC 的材料組成

UHPC 也屬于纖維增強水泥基復合材料的一種，主體為高強度水泥，其所加纖維為經過防銹處理的鋼纖維；不含粗骨料，所加骨料為高強小粒徑級配良好的優質骨料；UHPC 中添加多種超細活性摻合料，水化時可通過化學反應降低孔隙率，提高密實度；UHPC 中還添加多種外加劑，其中主要的是高性能減水劑，以降低水膠比，減小孔隙率，減小干縮。

此外，UHPC 還可在制備時根據不同的工程需要，對組分進行調整使其具有不同的特點。如高配筋UHPC，可泵送UHPC，自密實UHPC 等。

二、UHPC 的應用

1.UHPC 在中小跨徑橋梁的應用

UHPC 在橋梁領域應用廣泛，據統計目前世界范圍內應用了UHPC 材料的橋梁已超過100 座，使用UHPC 作為主體結構的橋梁可以少用鋼筋甚至不用鋼筋，UHPC 在施工過程中還可作為永久性模板。

1997 年加拿大建成了世界上第一座UHPC 人行橋；2001 年，法國建成了世界上最早的UHPC 公路橋，橋梁為兩跨，每跨長22m。下部結構采用鋼筋混凝土，上部結構采用預制UHPCΠ 型梁，先張預應力，梁與梁縱橫向接口均用UHPC 現場澆筑填充，最終形成無縫整體式的橋面。全橋盡在接口處設連接鋼筋，自重也僅有傳統混凝土橋梁的1/3。整個施工過程均使用傳統施工機具，快速且順利。2012 年的檢測評估表面，該橋依然狀態良好。此后，澳大利亞、美國等國都建設了許多UHPC 公路橋和人行橋，梁的形式也多種多樣，包括I 型、Π 型、T 型和箱型梁等。其中美國應用最多的井字式UHPC 橋面板，可通過預制后直接鋪設在混凝土梁或鋼梁上，通過剪力連接件連接，可在一夜間完成對老橋、病橋的上部結構改造。

奧地利與2010 年建成第一座UHPC 拱橋，橋長154m，拱的形式為雙桁架拱，是拱橋向輕型化發展的一次重大突破。我國也于2015 年建成了第一座UHPC 人行拱橋，該橋位于福州大學校內，形式為無推力系桿拱橋。主跨長10m，寬2.1m，主拱為UHPC 板拱，系桿為鋼筋混凝土。滿堂支架現澆施工，后期蒸汽養護，施工順利。雖然跨徑較小，但對我國UHPC 拱橋的設計和施工仍有借鑒意義。

2.UHPC 在大跨徑橋梁中的應用

當前大跨徑橋梁主要存在以下三個方面的問題：

（1）預應力混凝土連續梁橋下撓大，墩頂負彎矩區開裂嚴重，維修次數多，成本高，甚至難以維修。

（2）組合結構橋梁依然存在墩頂負彎矩區開裂的問題，自重大，限制了組合結構的跨越能力。

（3）大跨徑鋼橋存在橋面板疲勞問題，鋪裝層老化損傷嚴重，對鋼橋面板的保護性差，維修費用高。

將UHPC 應用于大跨徑橋梁可有效解決以上三個問題：

（1）目前已有研究人員提出了一種UHPC 連續箱梁新結構，適用于超大跨徑。該體系運用了密集橫隔板薄壁箱梁，和部分體外預應力技術，將有效跨徑提升到了500m，而且解決了大跨徑預應力混凝土梁橋的下撓嚴重和開裂的問題，并且具有很好的經濟性。

（2）UHPC 強度高、韌性大，與鋼結構組合使用時變形協調，有學者提出將UHPC 直接澆筑在鋼梁上表面形成組合結構，并通過試驗驗證了這種想法的合理性，這種結構在自重僅為傳統鋼-混組合結構一半的情況下，承載能力卻翻倍，抗裂能力更是傳統組合結構的4 倍，有效解決了傳統鋼-混組合結構自重大，負彎矩區開裂嚴重的問題，使得組合結構早保證經濟性的同時可用跨徑進一步提升；同時UHPC 在中小跨徑橋梁中的應用仍可應用于大跨徑橋梁，如利用UHPC 現場澆筑濕接縫，也可解決組合結構開裂的問題。

（3）目前鋼橋面鋪裝多采用環氧瀝青混凝土，不僅造價高，且維修次數多成本大，鋼橋面板的疲勞開裂問題尤為突出。利用UHPC 作為鋼橋面鋪裝，研究表明這時鋼橋面的受力更為合理，開裂問題得到明顯改善；UHPC本身又是一種高韌性、高耐久性的材料，適合用于橋面鋪裝材料這種重載、沿海的交通環境。

此外，使用UHPC 材料一些新的橋梁結構形式也得以實現，如韓國提出的的UHPC 新型結構斜拉橋，其施工成本和維修成本均可降低20%。我國即將通車的長江五橋，也是應用了UHPC 的一座組合結構斜拉橋。

3.使用UHPC 進行結構修復

UHPC 用于結構修復也是其較為廣泛的應用。方法為需要修復結構的損傷部分清除，然后澆筑UHPC 保護層，由于UHPC 非常致密，使其與原有結構的結合非常好，同時利用UHPC 的超強耐久性保護結構。也可以在需要修復的結構外使用預制的UHPC 板進行加固和防護。UHPC 的修復特別適用于環境嚴酷地區，如海岸、港口等。

4.UHPC 用于裝飾、美化工程

由于UHPC 的特點，使其可以應用于以前只有鋼結構才能應用的領域。如使用UHPC 建造的薄殼結構，加拿大的Shawnessy 輕軌站，法國的Millau 收費站都采用的這種薄殼結構；使用UHPC 建造的陽臺、樓梯等，一改傳統鋼筋混凝土的厚重，對建筑的美觀效果有很大提升；UHPC 還可用于建筑的裝飾性構件、藝術建筑的稱重結構，如歐洲與地中海文明博物館的幕墻，2013 年建成的巴黎Stade Jean Bouin 體育場的屋面等；此外，UHPC 還可以用來做雕塑，甚至家具，設計師們也有了更大的發揮空間。

三、結語

UHPC 自誕生以來對國內外土木工程都產生了很大的影響，無論是學術界還是工程界。近年來，我國對UHPC的研究突飛猛進，但在應用上還與國外很多國家有差距。隨著對UHPC 應用的經驗越來越多，相信UHPC 在我國有相當大的應用前景。目前的研究應該在進一步提升UHPC 性能的基礎上盡量降低造價，造價高是國內UHPC應用不多的一個主要原因；同時對于計算方法的研究，規范的指定也是尚待解決的問題。