CCPA-UHPC分會(huì)秘書長 趙筠

工程材料的發(fā)展是工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。作為先進(jìn)水泥基材料，超高性能混凝土(UHPC)為宜業(yè)尚品、輕量化與耐久耐用工程結(jié)構(gòu)提供了創(chuàng)新的源泉和空間。

在過去的一年里，我國在橋梁方面的創(chuàng)新與應(yīng)用、輕量化裝配式建筑構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)等方面都取得了重要進(jìn)展。隨著UHPC工程應(yīng)用規(guī)模穩(wěn)步增長，UHPC為工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新作出了巨大貢獻(xiàn)。

中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)超高性能水泥基材料與工程技術(shù)(UHPC)分會(huì)秘書長趙筠長期從事促進(jìn)或推動(dòng)超高性能混凝土技術(shù)推廣、工程應(yīng)用、產(chǎn)品創(chuàng)新及標(biāo)準(zhǔn)化等方面的工作。近日在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示，隨著研究的系統(tǒng)深入、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的建立完善，在工程結(jié)構(gòu)向大跨、輕型、耐久耐用方向發(fā)展過程中，以及在既有混凝土結(jié)構(gòu)加固改造中，UHPC將發(fā)揮越來越重要的作用。

什么是UHPC？

“UHPC起源丹麥，自1979年申請(qǐng)第一個(gè)專利至今已經(jīng)過去43年?！闭劦経HPC的發(fā)展趙筠表示，在UHPC發(fā)展的前25年，可能受專利約束，UHPC研究僅限于少數(shù)企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，大多數(shù)工程技術(shù)人員對(duì)UHPC缺乏了解和認(rèn)知，技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展緩慢。2004年后的18年間，國際上包括我國的UHPC技術(shù)發(fā)展速度明顯加快，大量企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的科研人員加入U(xiǎn)HPC研究與應(yīng)用開發(fā)的行列，UHPC交流的平臺(tái)也不斷增加。

我國UHPC的研究探索始于上世紀(jì)末，如今是水泥基材料研究、應(yīng)用、創(chuàng)新、發(fā)展最具活力的領(lǐng)域，近幾年工程應(yīng)用呈快速增長趨勢(shì)，已成為可工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化供應(yīng)的工程材料，產(chǎn)品類型和應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展，UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正處于發(fā)展、建立和完善過程。

“UHPC一般需摻入鋼纖維或高強(qiáng)聚合物纖維，也被稱作超高性能纖維增強(qiáng)混凝土。它不同于傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土和鋼纖維混凝土，也不是傳統(tǒng)意義高性能混凝土的高強(qiáng)化，而是性能指標(biāo)明確的新品種水泥基結(jié)構(gòu)工程材料?！碧岬経HPC的性能和特點(diǎn)趙筠指出，與普通混凝土相比，UHPC強(qiáng)度更高、更耐久；與鋼結(jié)構(gòu)相比，UHPC結(jié)構(gòu)抗疲勞、免維護(hù)優(yōu)勢(shì)更突出。

UHPC優(yōu)點(diǎn)非常多，最具代表性的有：超高強(qiáng)度與韌性，可以建造以前不可能的或新型輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)；耐久性大幅度超越傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)材料，使 UHPC結(jié)構(gòu)具有超長工作壽命和低養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，獲得比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低的壽命周期成本；充分發(fā)揮 UHPC的性能優(yōu)勢(shì)，在一些場(chǎng)合應(yīng)用，有可能降低結(jié)構(gòu)或工程的綜合建造成本；應(yīng)用UHPC建造的結(jié)構(gòu)，具有顯著的節(jié)材、節(jié)能和減排效果，有利于可持續(xù)發(fā)展等。屬于現(xiàn)代先進(jìn)材料，創(chuàng)新了水泥基材料與纖維、鋼材的復(fù)合模式，大幅度提高了纖維和鋼筋在混凝土中的強(qiáng)度利用效率，使水泥基結(jié)構(gòu)材料的全面性能發(fā)生了跨越式進(jìn)步。

UHPC可應(yīng)用在何處？

“鋼-UHPC復(fù)合橋面可以大幅度提升橋面剛度，很好地解決‘鋼橋面鋪裝破損’和‘鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂’兩大鋼橋痛點(diǎn)難點(diǎn)問題，是如今UHPC最有價(jià)值的應(yīng)用之一，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益?！碧岬経HPC在工程當(dāng)中的應(yīng)用時(shí)趙筠說，近年來，UHPC在工程應(yīng)用中取得了很大進(jìn)展。2021年8月底貫通的廣東英德北江四橋非常值得關(guān)注。其中保利長大承建的大站鎮(zhèn)岸跨堤引橋是國內(nèi)首座大跨徑UHPC公路梁橋，由4幅102米跨徑UHPC簡支箱梁組成。這個(gè)UHPC梁橋采用了湖南大學(xué)邵旭東團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單向預(yù)應(yīng)力UHPC薄壁連續(xù)箱梁新結(jié)構(gòu)，首次將全新構(gòu)造的密集橫隔板UHPC薄壁箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于梁橋，是橋梁建設(shè)和UHPC梁橋發(fā)展的一次重大突破。這項(xiàng)技術(shù)方案有望綜合解決大跨徑混凝土箱梁橋開裂和主跨過度下?lián)蟽纱箅y題，并將簡支梁橋的跨越能力擴(kuò)展至100米，未來還有可能將連續(xù)箱梁的跨徑提高至400米。

而由浙江舟山北向大通道公司、同濟(jì)大學(xué)等單位完成的浙江省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目《超高性能混凝土提升跨海橋梁工程性能的應(yīng)用研究》，在２０２１年7月進(jìn)行了成果鑒定。這個(gè)項(xiàng)目成果之一是設(shè)計(jì)、預(yù)制UHPC預(yù)制T型梁。單榀梁最重約48噸，兩輛汽車吊裝就能輕松完成安裝，大幅降低施工難度和安裝成本。

除了橋梁，UHPC在建筑上的應(yīng)用也越來越多。對(duì)此，趙筠指出，在歐洲，輕量化樓梯是UHPC重要的建筑應(yīng)用之一。中建西部建設(shè)研究院、同濟(jì)大學(xué)等多個(gè)單位，也設(shè)計(jì)研制了UHPC樓梯，將同樣尺寸和功能樓梯的重量減小50%～70%(與鋼筋混凝土樓梯對(duì)比)。

當(dāng)前，我國的建筑產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)建造方式正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)階段，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部正在推動(dòng)發(fā)展工廠化預(yù)制生產(chǎn)、全新裝配式集成部品部件和裝配技術(shù)體系。UHPC有助于建筑部品、構(gòu)件實(shí)現(xiàn)輕量化、高品質(zhì)、高效率和低資源消耗，還可用于構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接提高結(jié)構(gòu)可靠性和抗震性。因此，在建筑領(lǐng)域，UHPC有良好的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展?jié)摿εc市場(chǎng)發(fā)展空間。另外，UHPC在電力設(shè)施、軌道交通、市政工程等領(lǐng)域，也有一些UHPC產(chǎn)品或新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，如管廊隔倉板、排水管、永久 (免拆)模板、電桿等。

當(dāng)前面臨哪些問題？

我國土木工程建設(shè)目前正處在大規(guī)模建設(shè)向建養(yǎng)并重轉(zhuǎn)移階段，UHPC已經(jīng)在新建高性能結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)加固改造中得到了應(yīng)用，且呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。

“雖然UHPC產(chǎn)業(yè)在穩(wěn)步增長，但仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，還有很大的應(yīng)用市場(chǎng)待開發(fā)、待發(fā)展?！贬槍?duì)行業(yè)面臨問題，趙筠表示，在橋梁領(lǐng)域，目前只有鋼-UHPC復(fù)合橋面在新建和舊橋改造中得到較廣泛應(yīng)用，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)連接、UHPC橋面板和大梁、混凝土-UHPC復(fù)合結(jié)構(gòu)等應(yīng)用，還有很大發(fā)展空間。因此，在UHPC材料、創(chuàng)新性運(yùn)用UHPC、先進(jìn)的規(guī)范體系等方面仍然需要投入較大研發(fā)力量，推動(dòng) UHPC材料與結(jié)構(gòu)向高質(zhì)量、規(guī)?；\(yùn)用方向發(fā)展，為我國土木工程的可持續(xù)發(fā)展和交通強(qiáng)國建設(shè)作出重要貢獻(xiàn)。

除此之外，從分會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，2021年我國UHPC用量超過7萬立方米 (不含未收集到工程用量)，其中大部分使用UHPC預(yù)混料；生產(chǎn)了約15萬根超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土電桿，超高強(qiáng)混凝土用量達(dá)3萬立方米。雖然與2020年相比，我國UHPC用量增加了3萬立方米，增幅為75%，增幅較高，但從UHPC總用量及在水泥基材料中的占比來看，2021年UHPC的水泥用量，以2020年中國水泥產(chǎn)量23.77億噸計(jì)算，不到我國水泥產(chǎn)量的0.003%。我國的UHPC產(chǎn)業(yè)仍處于初期的或起步的發(fā)展階段，市場(chǎng)規(guī)模還非常小。

“怎么去營造一個(gè)好的、健康的發(fā)展環(huán)境，避免惡性競爭是當(dāng)前面臨的另一亟待解決的問題。”趙筠指出，一定要明確UHPC界限。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》(T/CBMF 37/T/CCPA-7-2018)規(guī)定了UHPC材料的基本性能和要求，《超高性能混凝土預(yù)混料》(T/CBMF 96/T/CCPA 20-2020)則擴(kuò)展到常用的、主要的新拌性能和硬化性能。這些性能是UHPC材料目前發(fā)展階段可以標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)與要求的性能。除這些性能外，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可能會(huì)對(duì)UHPC提出更多方面的性能要求，如快凝快硬、高早強(qiáng)、低收縮或無收縮、高彈性模量、良好耐高溫性能、高耐磨性能，以及更高抗拉性能或更低制備成本等。因此，材料性能的提升與進(jìn)步，將會(huì)長期是UHPC材料研究的主題。

高質(zhì)量發(fā)展 路還有多遠(yuǎn)？

“近年來，綠色建材在國內(nèi)得到了大力開發(fā)，加上‘雙碳’目標(biāo)的提出，具有節(jié)材、節(jié)能和減排效果的UHPC迎來了最好的發(fā)展時(shí)機(jī)。”趙筠表示，從20世紀(jì)80年代，我國開始了大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如今許多工程結(jié)構(gòu)已經(jīng)老化，存在缺陷或不能滿足現(xiàn)在的安全標(biāo)準(zhǔn)，維修加固的需求將會(huì)越來越大，預(yù)期維修加固將成為UHPC的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。

此外，UHPC還將在腐蝕性環(huán)境建造高耐久結(jié)構(gòu)或?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供防護(hù)，在防爆、防侵徹或防撞結(jié)構(gòu)，在水利工程抗沖磨，在隧道支護(hù)、管廊、管道、地鐵、桿柱、街具家具等諸多領(lǐng)域，為提升工程結(jié)構(gòu)性能、耐久性提供更好解決方案。

除了機(jī)遇，UHPC的應(yīng)用快速增長還得益于越來越多的UHPC相關(guān)研究。UHPC技術(shù)進(jìn)步與積累，為工程應(yīng)用、創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力的支撐。

在技術(shù)方面，UHPC在我國的工程應(yīng)用取得不少新突破，如102米跨徑簡支梁、輕量化集成建筑構(gòu)件、濕接縫連接剪力墻、鋼結(jié)構(gòu)防腐保護(hù)、混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固等。在標(biāo)準(zhǔn)方面，除了《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》《超高性能混凝土預(yù)混料》等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，還有廣東省公路學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《無腹筋預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土梁橋技術(shù)規(guī)范》(T/GDHS 003-2021)，中國公路學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《高韌性混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)指南》(T/CHTS 10036-2021)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。其中，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和交通運(yùn)輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵超高性能混凝土應(yīng)用規(guī)范》已完成編制和審查工作，不久將會(huì)發(fā)布。

“可以預(yù)期，隨著研究的系統(tǒng)深入、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的建立完善，在橋梁工程向大跨、輕型、耐久耐用方向發(fā)展過程中，以及在既有橋梁加固改造中，UHPC將發(fā)揮越來越重要的作用?！壁w筠說。

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