超高性能混凝土 (UHPC) 技术的最新进展
2017-03-13
上世纪90年代，UHPC作为一种先进材料问世，但其应用因价格昂贵、自收缩过大和缺乏专门设计与施工规范或规程而受限。人们不得不等到2000年才看到欧洲、美国和亚洲等地通过材料改进克服了诸多不足。这些改进可以实现材料降价，激发对施工规范或指南以及UHPC在结构中应用相关的技术研究。这也启动了UHPC在实际结构中的应用，并加快了技术发展的速度。
UHPC的最新进展
研发现状
“UHPC”自1994年首次出现并被定义成抗压强度高于150MPa的混凝土以来，作为下一代混凝土，它引发了人们浓厚的兴趣，并成为了研发的主题。UHPC现已广泛应用于建筑物、道路与人行桥以及其他结构中。在法国、德国、捷克等欧洲国家，日本、中国、韩国等亚洲国家以及北美地区，混凝土的研发工作正如火如荼地加以推进。
上世纪70年代，在业界不断努力攻克混凝土的不足（如抗拉强度极低、韧性低和能量吸收能力差）之后，通过添加钢纤维使材料具有超高强度和高韧性，从而成功开发出超高性能混凝土。UHPC在数十年中得以发展。有实验室采用特定制造工艺（如真空搅拌、高压/热固）开发出了抗压强度为230MPa和510MPa的超高强度混凝土。但在当时，由于制造方法复杂和技术限制等因素，这些混凝土并无市场可寻，但可称为对UHPC开发的首次尝试。* o- ]9 _6 M/ H3 K* L3 N’ A
上世纪80年代早期，聚合物的添加和极低水-粘料比的采用诞生了无宏观缺陷（MDF）水泥，其抗压强度超过200MPa。然而，由于制造过程复杂、材料成本高等缘故，MDF水泥的应用情况并不乐观。此后，UHPC研发中开始使用强塑剂、硅粉和钢纤维，但由于无法找到合适的混合物成分解决流动性问题，研发工作无法延伸到施工现场。随后又开发出了致密微（DSP），作为采用高二氧化硅（SiO2）含量的硅粉制造超高强度混凝土的新方法。在此之后，通过添加钢纤维，提高混凝土的弯拉强度和抗拉强度，相继开发出砂浆渗浇钢纤维混凝土（SIFCON）和密筋混凝土（CRC）。
1994年，de Larrard首次引入术语“UHPC”。1995年，Pierer和Marcel开发出抗压强度为200-800MPa的活性粉末混凝土（RPC）。如今被公认为UHPC开发重大里程碑的RPC，采用了超高强度钢纤维增强砂浆、热固/高温固化和基于最佳微填料理论的配合比设计，使得混凝土具有从前无法实现的出色流动性。/ s8 W# x- j: P7 t
上世纪90年代末，在RPC技术基础之上，首款商业化超高性能混凝土Ductal 问世。随后，埃法日集团联合SIKA公司开发出了BSI/Ceracem®。尽管加拿大成功修建了Sherbrooke大桥（首个RPC结构，建于1997年），但由于材料成本较高并且要求高温固化，RPC在实际结构施工中的广泛应用仍受到了阻碍。
2000年，我们见证了全球各个国家UHPC开发的起步。矿物粘料和强塑剂的应用所取得的进步，使得UHPC的制造和生产都变得极为容易。从那之后，各个国家都在积极开展研究工作，改善材料性能（如抗压强度、抗拉强度、收缩、蠕变等）和UHPC的耐久性。特别指出的是，为通过寻求材料成分（如：飞灰、矿渣、硅粉、钢纤维等）优化解决方案和固化方式来降低UHPC制造成本，进行了各种尝试。在UHPC材料特性方面，Stiel et al. 于2004年根据纤维取向，研究了力学性质变化，Acker在2004年研究了混凝土的蠕变和收缩特性。到目前为止，法国、德国、日本、澳大利亚、美国和韩国还进行了各种分析研究和实验研究，弄清弯曲特性、抗拉性能、抗剪性能、粘结性能和扭转特性等UHPC结构性能。2001年，美国联邦公路局（FHWA）
开始研究公路基础设施中应用UHPC的可行性，并且自2002年起，联合运输部开展深入调研。2002年，法国发布首条建议，包括UHPC的物理性质、耐久性和在结构应用中所需的设计指南。2006年，日本也发布了超高强度纤维增强型混凝土（UHFRC）设计与施工建议草案。2005～2012年，德国投入1200万欧元（由德国科学基金会资助），用于由20家研究院牵头的34个研究项目中，制定可靠的UHPC相关规范和标准。而在韩国，自2002年起，KICT完成了“桥200”和“超级桥200”项目，并成功实现180-MPa级超级混凝土（K-UHPC）的商业化。作为后续项目，KICT将联合学术界以及设计和建筑企业，在2013到2018年间实施“2020超级结构”项目，项目公募与私募基金为340亿韩元，用于开发可现场浇筑和车间预制的、抗压强度为80-180MPa的低成本、耐久、优质混凝土。 u9 E; U1 t0 r* s4 k. H
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2010年之后，人们开始关注碳纳米纤维、纳米二氧化硅和石墨烯等纳米材料。UHPC领域采用纳米技术，有望改善UHPC性能和进一步解决材料收缩等问题。截至2016年3月，全球共建有88座UHPC桥（70座道路桥和18座人行桥），另外还有30座UHPC新桥正在建设中。如今，UHPC是国际公认的下一代混凝土，并且在力图实现耐久性和降低成本等性能改善的各种研发工作的支持下，应用于各种施工现场。& [. Q( q, ~2 h) C’ x
规程现状
上世纪90年代，自法国成功研发出UHPC之后，所有国家都在不断努力制定必要的UHPC应用设计规程。UHPC设计规程最鲜明的特征在于，利用常规混凝土中忽略的抗拉特性（图2）,突破仅利用抗压强度高于150MPa这一局限。设计规程中声明的抗拉特性不仅仅考虑采用钢纤维，使UHPC抗拉强度超过8MPa，还得涉及UHPC的高韧性，使其在开裂后仍能承受一定的拉力。还要强调的是，根据钢纤维含量，UHPC也可体现出硬化特性，而不仅仅是软化特性。
设计中考虑拉力，在有效的UHPC结构设计中发挥着决定性的作用。考虑UHPC抗拉强度的横断面不仅要变得纤细，还需体现出抗拉钢筋、抗剪钢筋和抗扭钢筋量的急剧减少。尤其是主要承受剪力的腹板甚至能在无抗剪钢筋的情况下，体现其韧性。此时，保证其基础保护层厚度则将变得无足轻重了。这样不仅能够使混凝土横断面变得纤细，还能使施工变得简单。考虑到混凝土桥面直接承受的是轮载，而且重量约为桥梁总重量的40%，桥面采用UHPC则可使其重量降低30%-40%，并且减少钢筋用量，简化施工过程。按此方法实现的上部结构重量减轻反之也会减小地基的尺寸，或者能够加长跨度。
UHPC设计规程制定的过程中，体现出的另一鲜明特征是，即使各国存在一定的差异，但其发展通常要经历两个阶段。具体而言，第一阶段仅以小规模结构和专项研发中材料应用所提供的经验反馈为基础。而第二阶段是将UHPC用作一般建筑材料，添加应用了国家混凝土设计规程中具有UHPC性能的配料。7 C& p7 ]2 U’ x
法国于2002年发布的《超高性能纤维增强型混凝土临时建议》是首个设计规程，主要依据为Ductal 在小桥和其他结构中的应用经验。在此之后，法国根据不断的研究和在新型桥梁与建筑物中的现场应用UHPC特性、耐火性、耐久性和可持续发展相关的成分的调整，以及结合国家设计规程与欧洲规范，于2013年发布修订版建议。! Y+ B& r+ I* [0 p/ Q2 o6 Y) L
2004年，在德国举办的第一届UHPC研讨会上介绍了大量的UHPC研究成果。此外，在德国科学基金会（DFG）的资助下，德国还在2008至2014年间系统地开展了一项称之为“SSP 1182”的综合项目。这项由卡塞尔大学牵头的项目已成功开发出多种超高性能混凝土，并对其力学特性和在结构中的应用展开深入研究。据研究结果表明，德国当前正在结合以前的设计规范和欧洲规范，编制UHPC设计规程。
由欧洲国家所领导的国际结构与混凝土联合会（FIB）还成立了4.2工作组，主要针对超高性能纤维增强型混凝土，现正在检验研究成果，制定设计规范。
在日本土木工程师学会的领导下，日本已经展开对Ductal 力学特性的研究，并在2004年成功发布《UHPFRC设计与施工建议》（暂定）。这些建议成功地应用到了羽田机场跑道的扩建工程中，这是迄今为止最大规模的UHPC应用。
韩国则通过KICT，自2002年着手开发早期的UHPC，于2006年制成材料（K-UHPC）后，KICT根据系统的实验研究和理论研究，在2008年制定了《K-UHPC设计指南》（暂定）。随后通过K-UHPC桥梁的设计与修建，对指南规定进行了增补，并在韩国混凝土协会（KCI）的协助下，于2012年发布《K-UHPC设计指南》。KICT运用《K-UHPC设计指南》完成了韩国、缅甸和美国爱荷华州7座K-UHPC桥的设计，其中6座已经建成，另外1座还在修建中。位于韩国乐高乐园入口处、将于2017年竣工的第一座UHPC斜拉路桥的设计应用也参照了这些指南。2 W E6 ?: @2 j& P$ R% Q( i: N1 t0 ]
自2000年开始，美国公路局就已开始研究Ductal 的应用，如何修建小型桥或者加快桥梁连接件的构筑。2015年，美国混凝土协会（ACI）成立了专注于UHPC的ACI239C委员会，负责编制《UHPC设计指南》。同时，制定与UHPC制造与材料测试相关的ASTM标准的工作正在进行之中。除此之外，美国还通过FHWA对可能应用的各种超高性能混凝土展开性能评估研究。2015年，加拿大标准协会（CSA）也成立了UHPC工作组，负责编制设计规程。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）也已发布了《SIA 2052 UHPFRC瑞士标准》设计规范，其中包括国家设计规程中的UHPC研究成果。
上世纪90年代末，中国引入UHPC之后，也在不断开展相关的研究工作并加以应用，为2015年颁布《活性粉末混凝土》设计规程打下了基础。该规程中明确了UHPC的定义、制造方法、测试方法和质量控制。’ T( ?’ E4 e( J) ]0 } H5 h
上世纪90年代起，全球开始集中制定UHPC设计规程。除了聚焦抗压强度的应用外，制定好的UHPC设计规程还会使用传统混凝土中被忽略的抗拉强度。初版UHPC设计规程是专为UHPC而制定的。此后在设计规程的制定过程中，将UHPC用作一般建筑材料，在国家混凝土设计规程中，添加允许使用UHPC性能的条款。通过这些努力，有望在不久的将来，将UHPC纳入诸如欧洲规范和ACI的重要结构设计规范及混凝土设计规程中。如今，UHPC不再是无人问津的尚在开发中的建筑材料，而是已经成为可以随时使用的知名的建筑材料。0 _+ S9 J; G, s$ D4 f, G, T- D4 d
UHPC在桥梁中的应用
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欧洲
法国是第一个将UHPC成功商业化的国家，也是于2001年第一个修建UHPC路桥的国家。两座简支桥梁构成了Bourg-Les-Valence跨线桥，采用长分别为20.5 m和22.5 m的π型梁。这些UHPC梁分5段预制而成，然后运至现场进行安装，桥面采用现场浇筑常规混凝土制作。此外，法国的桥梁数据库中又新增了7座UHPC桥。% ?. g) w7 R+ s
德国在开展UHPC研究工作的同时，修建了5座UHPC桥。其中，2007年竣工的卡塞尔Gaertnerplatz 桥作为主跨长36m、总长132m的6跨连续桁架桥梁而闻名。桥梁采用UHPC-钢混合结构，连接钢制斜构件和UHPC上弦杆。9 X5 K- |( w" U& D M
第一座采用UHPC 拱肋的路桥， 维尔德桥（Wild Bridge）于2010年在澳大利亚落成。拱肋总长69m，由5个长度小于16m的直构件组成，横断面为矩形镂空断面，厚度为60mm，并采用体外预应力加固。
elákovice人行桥，双桥塔斜拉桥，主跨长156m，总长242m，于2014年在捷克落成。该人行桥宽3.0m，除行人荷载之外，还可承受35KN货车负荷。桥梁采用当地材料，并且以1.5%的容积率掺入钢纤维。鉴于所采用的材料，设计强度预计可以达到110MPa，但实际强度高达130MPa，略低于其他国家所用材料的强度。正因如此，修建这座人行桥的成本相对较低，只花费150万欧元。除上述桥梁之外，将UHPC应用于桥梁维修、加固或路面、桥面板等个别构件也是将来增长的趋势。特别是在路面采用UHPC，可以省略防水工程，因为UHPC路面不存在宏观裂纹，能够有效防止水和氯化物渗入。此外，鉴于材料产生的加固效果，UHPC也适用于现有路面的维护和维修。& K7 z7 d9 ?’ 5 f
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北美
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Sherbrooke大桥是全球第一座UHPC人行桥，于1997年在加拿大魁北克落成。该桥采用了法国开发的材料，宽3.3m，桥面厚度为30mm，跨长60m。桥面通过横向预加应力。六段10m长混凝土段的建造耗费了2个月，而桥梁仅在两周内就竣工了。- u) @, E5 Y& o8 k3 H% h, Q
北美地区直到2006年才建成第一座UHPC路桥。该桥便是美国爱荷华州的33.5m单跨的火星山桥（Mars Hill Bridge）。两年后的2008年，爱荷华州又修建了Jakway公园桥。该桥采用与桥面融合在一起的π型梁，梁深838mm，跨长15.2m，宽7.6m。此外，来自爱荷华州立大学的一个研究团队，在2011年开发出了UHPC华夫桥面，并在次年将其安装在了瓦佩洛郡内的一座替代桥梁上。需要注意的是，华夫桥面厚度仅为64mm。
除桥梁上部结构之外，北美还存在许多在预制构件连接件中应用UHPC的例子，并且，使用UHPC来加快施工进度也成为了日益增长的趋势。* q+ A) m4 N, d6 `: E’ H
亚洲
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日本在2002年建成第一座UHPC桥, 即酒田-未来大桥之后，又修建了20多座桥。50m人行桥的腹板上设置了大径钻孔，用来减小恒定载荷、改善桥梁外观。2005年建成的堀越公路C匝道桥是日本第一座UHPC公路桥。Kayogawa桥是第一座UHPC铁路桥。该桥跨长必须加长1.65倍，但同时需要保留之前桥梁的垂直净空，可在发生洪灾时控制水流截面。而采用UHPC则可解决该问题。1 v% o- @ W( I! `) q2 M" j& W% [
马来西亚杜拉科技公司（Dura Technology）实现了UHPC的商业化，并且保持着50座竣工UHPC桥和30座在建桥梁的纪录。竣工桥梁中，有48座路桥，这些路桥中，有一座跨长100m的分段式箱梁桥，该分段式箱梁桥分40段，每段宽5.0m，梁深4.0m，梁长2.5m，为全球此类桥梁中最长者。
最近，中国修建了一座总长70.8m的三跨UHPC人行桥。鉴于拱肋采用UHPC，具有一定的优势，中国工程师也在尝% [, P2 v6 R6 Y3 z/ O- o
试设计跨长160m、420m和600m的拱桥。据说420m的桥可以实现1∶5的矢跨比。3 _) } H: V7 p; e
2002年，在法国的帮助下，韩国建成和平桥（Peace Bridge），一座连接仙游岛和首尔汉江南岸的人行桥。2008年，KICT采用自主开发的材料修建了一座人行桥。该桥的特殊之处在于，它是第一座UHPC斜拉桥。2012年还修建了两座小型UHPC路桥。2015年，缅甸仰光-曼德勒高速公路扩建和爱荷华州的一座桥都采用了K-UHPC，并用当地产品代替部分材料。同年，在通往乐高乐园主题公园的道路中，某个路段选用了一条UHPC斜拉桥，它位于韩国江原道，目前尚在建设之中（图3）。该桥为单塔斜拉桥，总长200m，宽29.5m，预计于2017年竣工。一旦竣工，该桥将成为全球第一座UHPC斜拉公路桥，也是最长UHPC公路桥。
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韩国UHPC斜拉桥
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“2020超级结构”研究小组
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“2020超级结构”是一项综合性研究计划，从80-180MPa抗压强度混凝土材料的开发、专用设计指南的编制，到应用所谓先进材料的技术开发。该计划于2013年12月正式启动，预计2018年8月结束，总资金额为2900万美元，其中2000万美元由政府资助。
该计划分3个核心项目。第一个核心项目的重点是，开发可用于各种施工环境且经济有效的混凝土。这些混凝土包括：无钢纤维高强度混凝土，其抗拉强度在80-120MPa之间，以及抗拉强度120-180MPa的钢纤维（超）高强度混凝土。该计划将这些混凝土统称为超级混凝土。第二个核心项目旨在编制先进材料设计规程。为此，需进行材料和结构性能试验，推动经济有效的设计方法。这也意味着，制定设计规程是为了实现先进材料的经济及有效的应用。第三个核心项目旨在为第一个核心项目所开发材料的结构性应用进行技术的开发。设想结构包括斜拉桥和长跨桥上部结构、风力涡轮塔架、浮动结构以及建筑结构与装饰艺术品。项目的目标是，相较于以前的结构，保证至少10%的经济效率。在计划的现阶段，部分目标已经实现。
此项研究计划同时还要开发材料以及其结构性应用技术。与以前的研发工作相比，该计划的独创性在于侧重经济效率这一目标。在分别开发材料及其结构性应用技术的传统框架内，系统地实现这一目标相当困难。并且，该计划选择的当前框架体系可使上述两个方面（材料及其结构性应用技术）提供互通，相信可以实现更高的经济效率。
此项研究计划将为UHPC的经济开发提供解决方案，并通过从根本上削减制造成本，促进广泛的应用领域中新的商业机会，进一步扩大UHPC的应用范围。
不管迄今技术发展如何先进，仍然存在许多亟需解决的问题。例如，进一步降低材料价格，同时保证材料性能不变，为材料成分、混合比、制造、施工、设计与维护等项建立可靠的规范和指南，以及探索在实际结构中的广泛应用并保证经济效率等等。不论国家经济发展水平如何，当前与设施投标相关的主要关键词是耐久性高、寿命长、维修量小、美观和施工进度加快。毋庸置疑，UHPC正是满足所有关键词的建筑材料。UHPC既是现行技术，也是未来技术发展的趋势。
