超高性能混凝土應用成本分析與控制

滕 達 萬小鋒

（中鐵建安工程設計院有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

1993年，法國布依格公司（Bouygues Group）研發出活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）并申請了專利。1994年，法國學者De Larrard等將這類新材料命名為超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱“UHPC”）。UHPC的基本原理是利用超細粉料、纖維和特殊的水泥基材料，通過優化配合比和高壓高溫養護，形成致密的微觀結構和均勻的宏觀結構，從而實現超高的力學性能和耐久性能。

創新、低碳、綠色環保、可持續是時代發展的主旋律，也是先進水泥基材料UHPC發揮作用的大舞臺。UHPC可實現工程結構輕量化、節材減碳建造及免維護超長服役壽命，可解決工程建設中的部分痛點難點問題，引領水泥基材料產品、結構性能大幅度提升或升級換代。本文就目前國內UHPC的應用情況進行分析，并對其中影響UHPC成本的主要材料進行梳理，并提出控制成本的一些思路。

1 UHPC國內外應用現狀

UHPC在國內外橋梁工程中已經有了廣泛的應用，例如主梁結構、拱橋主拱、華夫板橋面結構、橋梁接縫及舊橋加固等。除了橋梁工程，UHPC還可以應用于建筑構件和幕墻、工業建筑、維修加固、水利工程抗沖磨等領域。

加拿大魁北克建有世界上第一座UHPC人行橋——Sherbrooke人行橋，由于UHPC的使用，結構自重大大減輕，并有效抵抗了當地嚴冬零下40℃條件下的反復凍融侵蝕。日本是亞洲使用UHPC較多的國家之一，日本不僅應用UHPC建造高層住宅，而且用其制造預應力混凝土橋梁、預應力混凝土樁、桁架、管、電桿等。

我國經過近30年研究與技術發展，UHPC在橋梁、建筑、維修加固等領域的應用已卓有成效并初具規模，材料、設計與施工的標準及規范技術體系正在逐步建立和完善。UHPC已在很多工程中得以成功應用，例如北京大興國際機場、中山聯石灣特大橋、青藏鐵路等。如今，我國已成為世界上UHPC應用開發與創新最具活力的國家之一，UHPC正在成長為一個新興且具有生命力的產業，并伴隨其發展逐步形成完整的產業鏈。

2 UHPC應用中面臨的挑戰

2.1 成本

與傳統混凝土相比，UHPC仍然相對昂貴，既表現在各組成成分的材料成本居高不下，也表現在嚴格的生產工藝、復雜的生產過程和高難度的施工過程等方面。其中，UHPC的材料成本占總成本約57%，施工及養護成本分別占約31%和12%。

2.2 配合比設計

UHPC的配合比設計直接影響其力學性能，也會影響施工應用的工藝參數。UHPC各種優異的性能是內部各組分通過復雜的反應形成的。為控制成本、保證施工性能，需要對配合比進行深入的研究。

2.3 標準和規范

為便于UHPC的結構設計及推廣應用，過去10多年中，法國、日本、美國、瑞士、中國等相繼已制定并頒布了UHPC材料及結構設計的技術規程及指南；但相對于傳統混凝土而言，其結構設計理論還需不斷完善。

3 UHPC拌合物的典型配合比

UHPC拌合物的典型配合比范圍如表1所示。

表1 1m3UHPC拌合物的典型配合比[1]

4 UHPC材料成本分析

4.1 膠凝材料

UHPC所使用的膠凝材料主要有水泥和硅灰，除此之外還通常包含有粉煤灰、礦渣、石英粉等材料。UHPC含有大量水泥，通常是高標號硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥比例高的混合水泥。UHPC的強度主要來自于水泥成分中的硅酸二鈣和硅酸三鈣，而鐵鋁酸四鈣對強度的貢獻有限，鋁酸三鈣的水化反應需水量較高，因此宜設法降低鐵鋁酸四鈣和鋁酸三鈣的含量。

硅灰是一種超細顆粒，堆積在水泥顆粒的空隙中，以提高UHPC的密實度，降低孔隙率；硅灰可以與水泥水化產物發生二次反應，生成更多的鈣硅酸鹽水化物，增強UHPC的強度和耐久性；硅灰還能改善UHPC的工作性和流動性，減少混凝土內部的缺陷和應力集中。硅灰的價格數倍于水泥的價格，每噸價格在2000元以上，但由于其所具有的重要作用，曾被認為是不可取代的組分。國內有研究對使用粉煤灰和礦粉代替硅灰進行了討論[2]；也有研究指出，當水泥充分磨細后，所形成的超細水泥可以代替硅灰用于UHPC的制備[3]。

4.2 骨料

石英砂是一種常用的UHPC 細集料，其價格在700元/t左右，與其他優質骨料相比價格不算高。國內有研究采用河砂（約350元/t）代替石英砂[4]，一定程度上降低了UHPC的制備成本和制備工藝難度，替代的意義更主要體現在降低對自然環境的破壞方面，具有一定實用性，仍在進一步研究中。

4.3 鋼纖維

UHPC 通常包含鋼纖維以提高其韌性和延展性。UHPC所使用的鋼纖維對纖維長度、長徑比、纖維抗拉強度等性能都有明確的要求。鋼纖維是UHPC材料成本中最昂貴的部分，價格高達10000元/t以上，占到了總成本的35%以上。

目前，還沒有找到完全能夠替代鋼纖維的材料，但有一些研究正在探索使用其他纖維或添加劑來改善UHPC的性能。例如植物纖維[5]或碳纖維、玻璃纖維等人造纖維來替代或部分替代鋼纖維；有些研究使用水玻璃、膨脹劑或泡沫劑來調節UHPC的孔隙結構和密度。

UHPC的其他組分，如膠凝材料、骨料和外加劑等，都屬于通用的優質材料，雖需擇優選用導致成本升高，但升高幅度有限。而降低鋼纖維的成本則能顯著降低UHPC的成本，其中改善纖維的分布方式、提高纖維的增強增韌效率是關鍵所在。

4.4 外加劑

UHPC的配制需要使用一些高品質的外加劑來保證其性能和質量，例如，減水劑可以使混凝土的流動性更好，提高其可加工性和耐久性；消泡劑可以在混凝土制備過程中有效降低混凝土表面的氣泡，提高混凝土的密實性和耐久性。一般而言，高性能的外加劑價格相對較高，但由于用量較少，所以對成本的影響不顯著。需要注意的是，選擇低成本的外加劑并不一定能降低生產成本，反而可能會降低混凝土的性能和質量。因此，在選擇外加劑時，需要綜合考慮其性能和成本，選擇性價比最高的產品。一些高品質的外加劑雖然價格相對較高，但可以提高混凝土的性能和穩定性，降低維護成本，因此在建造高端建筑物和重要工程時，使用高品質的外加劑可以提高工程的質量和安全性，具有較高的成本效益。

5 降低成本的途徑

UHPC單位產品的成本較大，也與應用規模相對較小有關。隨著使用范圍的擴大，規模的擴大，配套設備和管理的升級，必然帶來生產成本的下降。

（1）原材料優化。使用本地材料替代進口材料、使用實惠的材料替代昂貴的材料。例如利用粉煤灰等材料部分替代水泥、采用其他的超細顆粒代替硅灰、使用植物纖維取代人造纖維等。

（2）配合比設計。根據所采用的原材料優化配合比的設計，也可對UHPC高昂的材料及應用成本起到顯著的改善作用。另外配合比也直接影響到材料拌合施工的和易性，有助于控制材料的施工與養護成本。

（3）完善標準體系。在技術的不斷研發和創新的基礎上，制定更完善的標準可以促進UHPC的規范化生產和使用，從而推動技術的普及和成熟，增加市場競爭，促進技術進步，降低生產成本。

（4）提高生產效率。采用更高效的生產工藝可以減少制造成本。例如控制原材料配比、調整加工工藝和生產線的運行參數；提高生產線的自動化程度；選擇質量穩定的原材料，并對原材料進行充分的篩選優化；采用標準化生產、預制件工藝等降低材料浪費。

（5）擴大生產規模。目前UHPC的產業體量太小，難以形成材料的大量需求，無法吸引上游供應商擴大生產。隨著UHPC的研究和推廣，將逐步實現有效的市場競爭，提高品質，降低成本。

6 結束語

目前，我國的UHPC產業仍處于起步階段，市場規模較小，但有著巨大的發展潛力。在下一步的應用過程中，應致力于提升UHPC材料設計的準確性，進一步降低生產及應用成本，使UHPC能夠適應各種各樣的應用環境，在我國的工程建設中發揮更大的作用。