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青龍洲大橋UHPC矮肋橋面板

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力學性能和超高的耐久性能，被認為過去三十年最優(yōu)異的水泥基復合材料之一，能較好地適應當前土木工程結構大型化、復雜化的趨勢，也能符合社會可持續(xù)發(fā)展對高性能材料發(fā)展要求。近年來，UHPC材料與結構已成為了熱點研究方向，相關專利與論文數量呈指數型增長，UHPC應用數量、范圍與地區(qū)不斷攀升，各類規(guī)范與標準也在不斷地制定與修訂之中。本文圍繞超高性能混凝土的研究與工程運用現狀，梳理超高性能混凝土在橋梁工程、建筑工程以及防護工程等領域的應用現狀，為超高性能混凝土材料今后進一步研發(fā)與應用提供參考。

1994年，Larrard與Sedran首次提出了超高性能混凝土UHPC（Ultra-High Performance Concrete）的概念。同年，法國的Richard報道了最具代表性的超高性能混凝土——活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），宣告混凝土進入超高性能時代。超高性能混凝土一經問世，便得到土木工程領域的廣泛關注，近年來UHPC材料與結構相關研究發(fā)展迅速。圖1基于文獻數據庫檢索結果顯示，從1996年至2019年國內外發(fā)表與UHPC相關的論文及申報的專利呈指數型增長趨勢，UHPC的研究與應用已發(fā)展成為了土木工程領域的研究熱點之一。在我國工程院戰(zhàn)略咨詢中心等單位發(fā)布的《全球工程前沿報告2018》中，超高性能混凝土與智能水泥基復合材料位列土木、水利與建筑工程領域前沿發(fā)展第2位。

圖1 UHPC相關論文及專利數據發(fā)展趨勢

盡管UHPC材料的研究日臻完善，但是UHPC應用仍然處于較為初級的階段，在實際工程建造中離取代傳統土木工程材料（如普通混凝土）仍有相當大的距離。制約其大規(guī)?；瘧玫年P鍵之一是，當前UHPC應用中仍主要沿用傳統混凝土結構形式與設計理論，難以充分發(fā)揮UHPC性能優(yōu)勢、獲取性價比優(yōu)異的高性能結構。

圖2 UHPC發(fā)展國內外大事年表

圖2給出了UHPC發(fā)展的主要大事年表，可以較為清晰地看出UHPC發(fā)展的幾個不同的階段。20世紀80年代以前，受技術限制，只能通過一些特殊手段（如真空拌和和高溫養(yǎng)護）來提高混凝土的致密性和強度。雖然這種混凝土具有高抗壓強度，但韌性很差，且在制作過程中的能耗較高，難以應用于實際工程。20世紀80年代，丹麥學者研發(fā)成功DSP，加入了超塑化劑和硅灰，抗壓強度可以達到345MPa，由于材料很脆，通常摻入鋼纖維來改善其韌性。20世紀90年代，活性粉末混凝土（RPC）被研發(fā)成功，RPC是以DSP為膠凝材料，配以較小粒徑、間斷級配的石英砂和鋼纖維所組成，抗壓強度可達200MPa～800MPa，具有良好的施工和易性，便于實際工程應用。同時，法國Larrard等首次將基于DSP配制而成的混凝土材料統稱為超高性能混凝土UHPC，此后這一概念被廣泛采用。2000年以后，UHPC得到快速發(fā)展，性能不斷改進，組分也不斷優(yōu)化，價格也逐漸降低，應用日趨廣泛。近十年，UHPC的研究主要集中在如何充分利用UHPC性能特點創(chuàng)新結構形式、制定相關的設計與施工規(guī)范，為大規(guī)?；茝V與應用提供基礎。

經過30年左右的發(fā)展，UHPC材料與結構研究已經深入到與之相關的方方面面。早期研究主要側重UHPC自身材料層面，包括：組成和配合比、摻入纖維性能與影響、拌合物性能、力學性能、變形性能、長期性能、養(yǎng)護方法等方面。近期研究中，主要側重UHPC結構研發(fā)與應用，包括：UHPC基本構件性能、組合構件與結構性能、連接構件性能、基于UHPC的既有結構加固，以及基于UHPC的新結構與新體系的研發(fā)。當然，由于UHPC具有面向需求的可調配性與可設計性，面向結構性能需求設計功能化的UHPC也是近期研究中的熱點問題之一。就UHPC研究而言，總體上呈現出由UHPC材料研究向結構與應用研究過渡的特征?？梢灶A見，這些研究都將推動UHPC材料的大規(guī)模化應用、結構范式的變革，以及高性能結構時代的到來。

由于UHPC所具有超高力學性能與耐久性能，UHPC結構通常被認為具有結構自重小、韌性好、耐久性高、設計自由度大、符合可持續(xù)發(fā)展等特點。下面將從橋梁工程、建筑工程、防護工程等方面梳理UHPC的運用現狀。

橋梁工程

在橋梁工程中，UHPC已被應用于主梁結構、拱橋主拱、橋面結構、橋梁接縫及舊橋加固等多方面。目前，將UHPC材料作為主要或部分建筑材料的橋梁主要分布在亞洲（東亞、東南亞）、歐洲、北美洲和大洋洲，包括馬來西亞、中國、日本、韓國、越南、緬甸、法國、德國、瑞士、荷蘭、奧地利、捷克、意大利、斯洛文尼亞、西班牙、加拿大、美國、澳大利亞、新西蘭等國家。其中，馬來西亞、美國、加拿大、中國、日本等國家應用UHPC材料的橋梁均在70座以上。在UHPC橋梁結構的應用和推廣方面，僅馬來西亞一國就已經建成150座UHPC橋梁（截至2019年底），絕大多數為主梁結構采用UHPC材料。北美洲（加拿大和美國）主要將UHPC材料應用于橋梁接縫，約有350座采用UHPC材料的橋梁，其中約有25座為主體結構（主梁）采用UHPC材料，其余均為將UHPC應用于橋面板接縫等局部構造。而中國目前約有80座橋梁采用了UHPC材料，其中約有20座橋梁主體結構（主梁、拱圈等）采用UHPC材料，其余主要用于鋼-UHPC輕型組合橋面結構、現澆接縫、維修加固等方面。近年來UHPC在橋梁中的應用主要集中在亞洲，這與亞洲多國仍處于大規(guī)?；A建設時期有關，也與UHPC在這些國家具有相對較低的價格有關。

a.南京長江五橋施工圖

b.廣東高恩剛架拱橋

圖3 UHPC在我國橋梁中的應用實例

建筑工程

UHPC在建筑結構領域也得到了較為廣泛的關注。2001年美國伊利諾伊州，建成了18m直徑的RPC圓形屋蓋，設計中考慮了RPC優(yōu)異的抗拉性能和延性。該屋蓋用時11天現場拼裝而成，采用鋼結構，現場拼裝大約為35天，使用RPC方案在獲得良好性能的同時，也大大縮短了施工工期。該屋蓋的設計因先進建筑材料與結構形式完美結合，獲得了2003年Nova獎提名。相比其他國家，UHPC在法國建筑行業(yè)認可度更高，得到建筑師的普遍青睞。1998年，就在卡特農核發(fā)電廠中采用了預制預應力UHPC梁。此后，UHPC廣泛運用于建筑幕墻、屋蓋、外墻掛板中，如圖5所示。在我國，深圳的超高層建筑“京基100”（京基金融中心）、杭州的余杭大劇院、寧波的未來城科普中心、南京雨花中學等結構中部分運用了UHPC材料。

總體上，相比橋梁結構，UHPC在建筑結構中應用相對較少，目前主要側重中非承重裝飾性構件上。這一現狀的主要原因是：建筑結構相比橋梁結構跨越要求低，傳統普通混凝土就能夠較好地勝任，考慮價格因素等，一定程度上限制了UHPC在建筑結構上的應用。

防護工程

由于涉密原因，鮮有資料公開基于UHPC研發(fā)的軍事防護結構與性能。但是，目前已有大量的文獻廣泛地研究了UHPC梁、板和柱等構件在不同沖擊荷載（如低速撞擊、侵徹、爆炸荷載）作用下的性能?？傮w上，這些研究工作的主要結論為：相比普通混凝土，UHPC具有優(yōu)異的抗沖擊性能，能夠顯著減小防護結構在沖擊荷載作用下的損傷，在軍事防護結構中具有廣泛的研究前景。

除了軍事防護結構中，UHPC近年在民用低速沖擊防護中也逐步得到關注。例如，考慮寒區(qū)等惡劣環(huán)境因素，有學者利用UHPC超高的耐久性和抗撞性能，提出了UHPC與普通混凝土組合的新型防撞護欄、鋼-UHPC組合的防撞消能裝置，為實際車/船撞防護提供了新思路。

其他領域

除了上述3個主要領域，UHPC還在市政、電力、軌道交通工程方面有所應用，諸如井蓋結構，電纜溝槽、支架、蓋板，輕型電桿、重載電桿，裝配式變電房，地鐵疏散平臺，隔聲板和構件，預制輕型排水溝等。這些應用也表明UHPC的高性能使其具有強健的適應能力，具有廣闊的應用空間與前景。

隨著近年來UHPC在工程中的運用，相應的技術規(guī)范或標準已逐步制定或正在制定。表 3統計了世界各國已制定或正在制定的技術規(guī)范與標準。由表2可知，大部分UHPC相關規(guī)范或標準是近5年內制定的，有相當一部分規(guī)范或標準尚處于編制中（特別是在我國），反映出目前UHPC應用尚處于初始階段。隨著各類規(guī)范或標準的出臺，將極大推動UHPC在土木工程領域的應用。然而，值得注意的是，由于UHPC成為學界和工程界的熱點，多種多樣相似的UHPC技術標準與規(guī)范正在制定中。這些標準與規(guī)范的出臺帶來便利的同時，也可能給工程技術人員帶來困擾。因此，如何提高UHPC工程技術規(guī)范體系的先進性對UHPC應用與長期發(fā)展至關重要

UHPC期待結構創(chuàng)新

推動UHPC大規(guī)模化應用的過程中，除了進一步降低UHPC材料造價外，更重要的是把握工程需求，創(chuàng)新結構形式，發(fā)展與UHPC相適應的結構。過去二十余年，筆者團隊在這方面做了一些探討與研究。

鋼-UHPC新型組合結構。筆者團隊于2010年提出了正交異性鋼板-薄層UHPC輕型組合橋面結構。UHPC組合橋面結構在基本不增加自重的前提下，大幅提高了橋面的局部剛度，并且為瀝青面層提供了易黏結的混凝土基面，從而可同時解決正交異性鋼橋面的兩大難題。同時，項目組對UHPC進行針對性強化，通過摻入納米組分、混雜鋼纖維和重配筋協同增韌，并施以高溫蒸汽養(yǎng)護，將其抗裂強度提升至30%～42MPa，獲得了鋼橋面專用UHPC材料，稱其為超高韌性混凝土STC（Super Toughness Concrete）。此外，為了降低大跨徑鋼-混凝土組合梁的自重，研發(fā)了鋼-UHPC矮肋橋面板組合橋梁結構，在降低自重的同時確保橋面剛度。此新結構相比傳統組合梁可減小30%～40%的自重，而橋面板+鋪裝的綜合單價僅為傳統鋼橋面系的一半。

基于UHPC的大跨徑箱梁橋新結構。針對大跨預應力混凝土連續(xù)箱梁橋自重過大、主跨過度下撓和梁體開裂等難題，筆者團隊提出了單向預應力UHPC薄壁連續(xù)箱梁新結構。因自重輕、強度高、徐變小，UHPC箱梁可避免傳統大跨預應力箱梁橋主跨過度下撓和梁體開裂的風險，并將混凝土連續(xù)梁橋的極限跨徑拓展至500m，且經濟性通常優(yōu)于同等跨徑的斜拉橋和懸索橋。這種新型箱梁結構將在廣東英德市S292線一座跨徑102m簡支梁上實施。

圖4 鋼-STC輕型組合橋面結構

圖5 鋼-UHPC輕型組合梁

圖6 青龍洲大橋UHPC矮肋橋面板

圖7 單向預應力UHPC薄壁箱梁結構構造示意圖

根據筆者團隊的UHPC實踐應用經驗，UHPC的推廣與應用根本在于：良好的性價比和優(yōu)良的品質。在UHPC創(chuàng)新應用與發(fā)展中需要重視以下幾方面：

（1）緊密把握工程需求，以需求為目標研發(fā)產品；

（2）構建材料、結構、施工、裝備等多學科全鏈條化的協作團隊；

（3）整合上下游產業(yè)鏈，構建健康的行業(yè)及市場體系。

工程材料的發(fā)展是工程結構創(chuàng)新的重要驅動力，而結構創(chuàng)新也是新材料能否有生命力與競爭力的關鍵所在。當前UHPC材料與結構已成為了熱點研究方向，相關專利與論文數量呈指數型增長。同時，UHPC應用數量、范圍與地區(qū)不斷攀升，各類規(guī)范與標準也在不斷地制定與修訂之中，為UHPC結構持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。

可以預見，隨著我國UHPC相關規(guī)范、標準制定與實施，必將進一步推動UHPC在新建結構和既有結構加固中的運用與發(fā)展。同時，需要注意的是，在UHPC材料、創(chuàng)新性運用UHPC、先進的規(guī)范體系等方面仍然需要投入較大研發(fā)力量，推動UHPC材料與結構向高質量、規(guī)?；\用方向發(fā)展。