超高性能混凝土的應用與經濟性分析

洪 輝（上海市建筑建材業市場管理總站，上海 200032）

超高性能混凝土 (Ultra-High Performance Concrete，UHPC)，是過去 30 a 中研究、應用、創新、發展最具活力的水泥基復合材料之一，可較好地適應土木工程結構大型化、復雜化的發展趨勢[1-2]。隨著在橋梁工程和高層建筑中的越來越多地被應用，UHPC 已成為用于工業生產和商業供應的工程材料。其產品類型和應用領域的不斷擴展，在工程材料的性能方面實現了巨大的飛躍。

1 UHPC 研究與應用技術發展

1.1 國外研究

1979 年，丹麥 Hans Henrik Bache 教授申請注冊了首個 UHPC 專利權并建立了 DSP （Densified System with Ultra-Fine Particles）理論，是 UHPC 發明的一個重要開端。丹麥于 20 世紀 80 年代開始進行 UHPC 有關應用研究。在當時，UHPC 又被叫作 Ny Beton（新型混凝土）、CRC（Compact Reinforced Composite，密實增強復合材料，即 R-UHPC 或纖維和鋼筋增強水泥基復合材料），以及 Densit? 商標的商業化 UHPC 預混料產品。20 世紀 90 年代，法國是 UHPC 研究發展最活躍的國家。其中，法國多個企業參加的“活性粉末混凝土”（RPC）研究項目，發布了系列產品使 RPC 或 UHPC 在全球范疇得到高度重視，進而成重要的研究方向。法國最早進行 UHPC 的標準化工作，至2018 年實施了具體的系列產品標準，包括 UHPC 材料、設計方案和工程施工。UHPC 這一名稱是 1994 年由法國專家提議，因其能更準確表述此類超強性能水泥纖維提高材料的優勢能力，逐漸被普遍接納和運用[3]。

1.2 國內研究及應用情況

1999 年，清華大學覃維祖教授首次在國內介紹了超高性能混凝土，并第一時間進行研究[3]。遼寧省鞍山市昌宏鋼纖維廠最先在中國大批量生產細微高強度鋼纖維，完成了UHPC 重要材料的國內生產制造。經過 20 a 的發展，我國一些高校、企業已經造就出一批專注于 UHPC 的研發團隊，進而成為我國 UHPC 技術進步和推廣應用的主要驅動力。

湖南大學黃政宇、邵旭東和方志教授等有關團隊，在我國最早開始進行 UHPC 材料和結構特性研究、橋梁設計與應用研究及其工程項目實踐。邵旭東專家團隊發展的鋼-UHPC復合型橋面結構切實解決了困惑鋼橋的 2 個難點—橋面鋪裝壽命短和鋼結構易疲勞損傷，并設計方案和實驗研究了多種多樣的 UHPC 結構、鋼-UHPC 復合結構橋梁[4]。最重要的是，鋼-UHPC 復合橋面在我國已實現產業化運用，其他橋型已經踏入工程項目運用。

1.3 國內標準化情況

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

工程建設行業標準、地方標準包括上海市城鄉建設和管理委員會《橋梁工程超高性能混凝土應用技術標準》（2020 年立項編制）、《鋼橋面鋪裝應用技術標準》，陜西省地方標準《超高性能纖維混凝土組合加固橋梁設計與施工技術規程》，廣東省交通運輸行業地方標準《超高性能輕型組合橋面結構技術規程》以及河北省、福建省和湖南省的地方標準等。

自 2016 年起，隨著我國團體標準的快速發展，我國UHPC 相關團體標準的編制工作密集展開，已編制完成或在編的團體標準主要有以下幾種。

（1）中國工程建設標準化協會標準《超高性能混凝土結構規程》《超高性能混凝土（UHPC）技術要求》《公路超高性能混凝土（UHPC）橋梁技術規程》和《建筑及道路工程超高性能混凝土應用技術規程》。

（2）中國建筑材料聯合會以及中國混凝土與水泥制品協會（CCPA)《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》，中國建筑材料聯合會標準《超高性能混凝土結構設計技術規程》《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》《超高性能混凝土現場澆注施工技術規程》。

（3）中國公路學會標準《超高性能混凝土加固橋梁技術指南》。

2 UHPC 設計理論和材料性能

2.1 設計理論

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

2.2 UHPC的性能優勢

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），不能稱作傳統定義上的質輕材料。在力學性能和使用性能層面，UHPC 大幅超過了上述 2 種材料，具有結構自重小、韌性好、設計自由度大等特點，因此 UHPC 被視為一種輕質高強材料。在強度質量比和彎曲剛度質量比層面，建筑鋼筋提高 UHPC 梁可做到鋼柱同樣的水準，使混凝土結構變得細薄輕巧，不再是肥梁胖柱。在極端環境中，UHPC 的結構使用壽命預估比 HPC 結構使用壽命高 2 倍以上。在海洋資源中，UHPC 結構的工作使用壽命很有可能超出 200 a[5]。對于鋼結構工程，高溫變軟是一個致命性缺陷，必須采用外絕緣層或屏蔽層等防火安全對策，而摻一定量的聚丙烯纖維即可使 UHPC 結構本身達到充足的防火等級或防火時間。

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比

3 UHPC 成本分析

3.1 材料成本分析

目前，UHPC 的材料成本費是其運用的關鍵阻礙。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，達到 UHPC 總材料成本費的 1/2 之上。UHPC 基材原料里可用高品質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 現階段運用經營規模小，纖維價格持續上升，這也是其成本費較高的緣故。伴隨著運用經營規模擴大和混凝土纖維的規模性工業生產，UHPC 的成本費有望減少。

以上海市 UHPC 原材料價格為例，分析目前的 UHPC生產成本。上海市 UHPC 原材料如表 2 所示。根據各生產廠商目前各自的質量控制成本及不同等級的 UHPC 可知，目前 UHPC 的材料成本為 3 500～5 000 元/m3，而目前市售 UHPC 的價格為 7 000～10 000元/m3。但 UHPC 的利潤也有限，因為在實際工程中，單項工程用量較小，合同額較低，總體獲利也較低。隨著 UHPC 市場逐步地打開，應用水平逐漸提高后，其價格在未來 3～5 a 將會有一個較大幅度的降低，達到 6 000～7 000 元/m3。

表2 上海市 UHPC 原材料

3.2 物流成本分析

UHPC 目前是預混的半成品，從生產廠商到項目工地一般采用陸路運輸。短途運輸和市內運輸，物流成本相對較低，一般為 50～100 元/t，合計增加物流成本150～300元/m3。長途的輸送以及配套倉庫的租賃等，成本相對較高。以上海市到長沙市輸送為例，目前成本為400 元/t，合計達 1 000 元/ m3。

目前國內部分 UHPC 廠商已經考慮以就地生產的方式來減少長距離運輸的成本，需要考慮需求量和本地大宗原材料質量及供應情況。若為沿海城市，可以考慮選擇海運的方式。但是海運仍需注意碼頭的租賃、整船運輸的價格、到岸之后短駁的費用和海運所需要的時間成本等。

綜合考慮，陸路運輸目前比較適宜的輸送距離在 300 km以內，再遠的距離，相對物流成本將會增加，陸路運輸的優勢就會比較小。

配置、生產和施工工藝的復雜性和高成本決定了 UHPC成為不會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代工程材料的有用補充。因此，應在可以充分利用其優勢并體現其價值的情況下，使UHPC 不會顯著增加或增加結構的事故成本，甚至可減少整個項目成本并獲得長期利益。

4 UHPC 與可持續發展

目前，我國正處在都市化迅速發展階段，以鋼筋混凝土為主導的項目建設經營規模日益擴大，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增長，CO2、煙塵等排出對資源和環境的影響也逐漸提高。高質量混凝土是一種關鍵的綠色建筑材料，對推動節能降耗、節省建筑材料、提升基本建設工程施工質量等具有實際意義?；炷辽a造成的 CO2排放量，約占全球人為 CO2總排放量的 5%。近些年，盡管混凝土工業生產盡力節能減排，但遠抵不上混凝土生產量持續增長而提升的碳排放量。預估 2005～2050 年混凝土的碳排放量會提高 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生產節能降耗的關鍵方式之一。據權威專家估計，以現階段我國每年混凝土的需求量 4×108m3 計算，依賴營銷推廣高質量混凝土，合理使用引起劑，每立方米混凝土可節省混凝土 25 kg，完成年節省混凝土 1×108t，進而降低耗費石灰石1.1×108t、黏土 6×107t，節省耗煤量 1.2×107t，降低排出 CO27.5×107t[6]。

5 結 語

UHPC 的使用價值和發展潛力取決于其極高的力學性能和高耐久性能。UHPC 可用于建造新的輕型和高強度結構。根據在一些場所充分運用 UHPC 的特性優點，能夠減少結構或新項目的綜合性成本費。UHPC 結構的耐用性大幅超過了傳統式工程項目結構材料，使 UHPC 結構具備較長的使用期限和較低的維護成本費，并得到了比傳統式結構更低的生命期成本費。因而，UHPC 修建的結構具備明顯的環保節能、節約材料和降低 CO2排放量的實際效果，有益于建筑行業的可持續發展。