UHPC超高性能混凝土的应用价值研究

0 引言

随着社会的发展，工程项目的结构形式越来越复杂，跨度越来越大，环境也越来越恶劣，这对建筑材料的强度、韧性、耐久性、抗渗透、抗腐蚀性等性能都提出了更高的要求。与此同时，现有混凝土梁桥存在的裂缝多、挠度大等问题，也亟待解决。混凝土是以水泥为主要胶凝材料，水、砂、石为主要材料，掺入适量化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合养护而成的水硬性胶凝材料。混凝土是目前使用最多的建筑材料。普通混凝土虽然成本低廉，容易获得，但也存在自重大、脆性大、强度低等缺点。随着人们对混凝土材料性能要求的不断提高，Larrard 等人 [1]提出了超高性能混凝土（Ultra-highperformance concrete，UHPC）的概念 。本文以 UHPC 超高性能混凝土的应用价值为研究课题，UHPC 超高性能混凝土作为一种低能耗的生态环保建筑材料，具有良好的流动性能、力学性能和耐久性能，希望通过本文的研究方向及内容能对UHPC 超高性能混凝土的应用价值有进一步的了解。

1 从经济角度分析

1.1 标准化生产

UHPC 作为一种新型水泥基复合材料，是由“保持搅拌与成型工艺方法尽量接近现有普通混凝土工艺方法”的理念开发得到，但现阶段其原材料的质量控制、混凝土的搅拌、浇筑和振捣等仍与普通混凝土有较大不不同。由此可见，标准化的生产制造是 UHPC构件质量的保证。由于其超高性能设计桥梁构件，结构轻巧、板件纤薄，对施工质量要求极高。因此，标准化的生产基地和标准化的生产流程，是实现 UHPC 桥梁构件设计意图、确保施工质量的主要手段。根据施工工艺特点和施工流程节奏，建设标准化生产基地。UHPC 搅拌中心、构件生产区、构件蒸养区可采用钢架结构覆盖，避免温度、风雨等对UHPC 搅拌、运输、浇筑等施工环节产生不利影响。标准化的生产流程，是指为保证UHPC 材料质量、UHPC 拌合物性能指标、UHPC 构件质量以及流畅生产工艺顺序，所制定的一套生产流程。严谨高效的生产流程是 UHPC 生产的灵魂，可以在标准化生产基地的基础上确保生产质量和提升生产效率。

1.2 规模化生产

从现代的工业化进程可知，规模优势可令成本下降。生产的商品越多，就能更好地生产这种商品，这是规模优势理论的本质。如果要在超性能材料市场中具备市场竞争力，唯有扩大规模，提高生产效率的同时保障产品质量。稳定、规模化的生产条件下才具备标准化生产制造的能力，提升UHPC 经济竞争力的必由之路是实现规模化生产制造，从而实现 UHPC 超高性能混凝土的快速、大规模推广。

2 从性能角度分析

2.1 力学性能分析

传统的钢-混凝土组合梁桥面板在负弯矩区容易开裂，降低了组合梁的刚度，影响了结构的安全性和耐久性。钢-混凝土组合梁预制过程中，桥面部分预制，桥面接缝浇筑工作量大，现场施工工作量大。全预制钢-UHPC 组合梁与传统钢-混凝土组合梁相比，同等跨径下其自重可减轻 30%～40%⁰AA^[2] ，便于运输和吊装，同时也降低了对支座、桥墩、桥台等下部构造的要求。利用UHPC 优良的力学性能，加强了桥面负弯矩区和墩顶连接节点的力学性能，使接头强度高于母材，避免了接头开裂和渗漏的风险。由于 UHPC具有优良的力学性能，可以将 UHPC 中钢筋的锚固长度缩短到10 天以内，从而实现结构的快速施工。全预制UHPC 钢组合梁的高跨比可降低到1/25[3]，适用于桥梁净空受限的情况。

2.2 耐久性能分析

UHPC 超高性能混凝土具有优异的耐久性能。目前，学术界对 UHPC 的耐久性主要从两个方面来衡量：一是抗冻融循环的能力，用耐久性系数和质量损失率表示；二是氯离子渗透速率。众所周知，氯离子会严重腐蚀钢筋，使其力学性能大大降低，这是混凝土损伤的一种常见方式，其渗透速率往往与钢筋的腐蚀速率呈正相关，因此有时用后者来表征前者[4]。超高性能混凝土的孔隙率很小，具有很好的氯离子渗透性和抗冻性。其氯离子渗透性为普通高强混凝土的 1/25，耐久性系数高达 100%^[5], 。UHPC 的优点是耐久性高，几乎无需维护成本。与传统的高性能混凝土结构相比，UHPC 结构的使用寿命可提高一倍。根据现有的试验和理论分析结果，可以预期，在腐蚀性自然环境（如海洋、盐渍土等）下，超高性能混凝土结构的使用寿命可超过 200 年，在非腐蚀性环境中可达到 1000 年以上。

3 从全寿命成本角度分析

高水泥含量、严格的配料控制以及钢纤维的使用使得超高性能混凝土的价格明显高于传统混凝土。UHPC 在强度和耐久性方面均优于传统混凝土，但由于材料成本较高，目前还无法全面在桥梁工程中使用 UHPC 来替代传统混凝土。在如今对构件强度和耐久性的明显需求下，桥梁构件连接所需的 UHPC 量相对较小，且UHPC 使用的混凝土和钢筋较少、接缝较小，使用 UHPC 进行桥梁构件连接，能够降低高昂的材料成本。从全寿命周期成本来看，使用 UHPC 可以极大地减少未来的养护维修次数，与传统混凝土的桥梁相比，其全寿命周期成本仍然占优势。

4 结语

超高性能混凝土是一种高强度、高耐久性、高韧性、高流动性的新型建筑材料。由于超高性能混凝桥梁结构构件薄，施工质量要求高，原材料价格相对较高，难以在市场上大规模推广应用。根据 UHPC 材料和构件的基本特点，提出了 UHPC 制造的标准化和规模化解决方案。随着超高性能混凝土研究和工程应用不断深入和增加，超高性能混凝土必将在中国生根发芽，为人民群众服务。同时，基于 UHPC 的高性能桥梁结构可以充分利用 UHPC 材料的高强度和高耐久性，可以显著减小结构的截面尺寸和重量，从而提高结构的跨径性能，减小下部结构的尺寸[6]。另外，由于其强度高，UHPC 结构可以大大简化，甚至可以完全取消普通钢筋，简化施工工艺，降低人工成本，适合装配式施工。从全寿命成本的角度来看，由于 UHPC 优异的力学性能，耐久性能，将使得UHPC 梁桥的管养成本减少，降低全寿命成本。UHPC 桥梁具有结构轻盈，长耐久性和全寿命经济性，具有极大的推广和应用价值。

参考文献

[1] Larrard D F, Sedran T. Optimization of Ultra High Performance Concrete by the Use of a Packing Model [J]. Cement and Concrete Research, 1991,24(6):997-1009.

[2]邵旭东,邱明红.基于 UHPC 材料的高性能装配式桥梁结构研发[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2019,(2):160-167.

[3] 马克·伦纳德, 虞水. 超高性能混凝土: 桥梁建筑行业的“新宠”[J]. 中国公路,2019,(20):63-65.

[4]潘苏锋,张慧颖,黄海燕.超高性能混凝土耐久性及工程应用研究[J].河南科技,2019,(19):100-102.

[5]王志华,薛兆锋,燕凌.超高性能混凝土在盐渍土地区构造物防腐中的应用探讨[J].道路工程,2019,(11):96-97.

[6]邵旭东,邱明红,晏班夫.超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展[J].材料导报,2017,(12):33-43.