超高性能混凝土的应用

唐勇 李旭

超高性能混凝土（UHPC）是近年来在土木工程领域炙手可热的一种新材料，也可以说是当前最先进的水泥基复合材料。本文首先简介了UHPC 的特点，然后列举了UHPC 的几种应用，最后对当前UHPC 的发展提出自己的看法。

一、UHPC 的特性及材料组成

1.UHPC 的特性

超高性能混凝土，英文为Ultra High Performance Concrete，简称UHPC，1994 年被提出，是一种极具创新性的水泥基材料。超高混凝土的超高性能主要表现在超高的力学性能和耐久性，与其他水泥基材料相比，UHPC的主要特点有：

（1）超高的抗压强度，UHPC 的抗压强度一般都大于120MPa，不同国家对UHPC 的最低抗压强度规定有所不同，但其最低抗压强度都远高于普通混凝土。

（2）很好的抗拉强度，UHPC 的抗拉强度可稳定达到7Mpa，有的还可达到10Mpa 或更高。

（3）超强的耐久性能，UHPC 结构及其致密，其抗碳化、抗冻性、抗水渗透性、硫酸盐侵蚀等性能都非常优异，甚至可以说是免疫。

（4）具有极高的韧性和延性，表现在断裂能是普通混凝土的几百倍；极限拉应变大，一般要求大于1000με，最大可达4000με 左右。

此外，UHPC 在制备、造价及应用还具有如下特点：

（1）对制备条件和技术要求高，需专业人员选择材料和配比，并以干混料供应。

（2）由于组分的多样性并且对组分的品质要求较高，UHPC 的生产成本高，可达到普通混凝土的10 倍；但由于UHPC 的优良力学性能，使得很多创新的结构体系可以实现，超强的耐久性大大减少了使用阶段得维修次数和维修费用，综合来看其在全寿命周期内的经济成本和社会成本是小于传统混凝土结构的。

（3）UHPC 不适用于大体积现浇，养护条件较高，一般需蒸汽养护或高温养护；但其可以用于预制装配构件。

2.UHPC 的材料组成

UHPC 也属于纤维增强水泥基复合材料的一种，主体为高强度水泥，其所加纤维为经过防锈处理的钢纤维；不含粗骨料，所加骨料为高强小粒径级配良好的优质骨料；UHPC 中添加多种超细活性掺合料，水化时可通过化学反应降低孔隙率，提高密实度；UHPC 中还添加多种外加剂，其中主要的是高性能减水剂，以降低水胶比，减小孔隙率，减小干缩。

此外，UHPC 还可在制备时根据不同的工程需要，对组分进行调整使其具有不同的特点。如高配筋UHPC，可泵送UHPC，自密实UHPC 等。

二、UHPC 的应用

1.UHPC 在中小跨径桥梁的应用

UHPC 在桥梁领域应用广泛，据统计目前世界范围内应用了UHPC 材料的桥梁已超过100 座，使用UHPC 作为主体结构的桥梁可以少用钢筋甚至不用钢筋，UHPC 在施工过程中还可作为永久性模板。

1997 年加拿大建成了世界上第一座UHPC 人行桥；2001 年，法国建成了世界上最早的UHPC 公路桥，桥梁为两跨，每跨长22m。下部结构采用钢筋混凝土，上部结构采用预制UHPCΠ 型梁，先张预应力，梁与梁纵横向接口均用UHPC 现场浇筑填充，最终形成无缝整体式的桥面。全桥尽在接口处设连接钢筋，自重也仅有传统混凝土桥梁的1/3。整个施工过程均使用传统施工机具，快速且顺利。2012 年的检测评估表面，该桥依然状态良好。此后，澳大利亚、美国等国都建设了许多UHPC 公路桥和人行桥，梁的形式也多种多样，包括I 型、Π 型、T 型和箱型梁等。其中美国应用最多的井字式UHPC 桥面板，可通过预制后直接铺设在混凝土梁或钢梁上，通过剪力连接件连接，可在一夜间完成对老桥、病桥的上部结构改造。

奥地利与2010 年建成第一座UHPC 拱桥，桥长154m，拱的形式为双桁架拱，是拱桥向轻型化发展的一次重大突破。我国也于2015 年建成了第一座UHPC 人行拱桥，该桥位于福州大学校内，形式为无推力系杆拱桥。主跨长10m，宽2.1m，主拱为UHPC 板拱，系杆为钢筋混凝土。满堂支架现浇施工，后期蒸汽养护，施工顺利。虽然跨径较小，但对我国UHPC 拱桥的设计和施工仍有借鉴意义。

2.UHPC 在大跨径桥梁中的应用

当前大跨径桥梁主要存在以下三个方面的问题：

（1）预应力混凝土连续梁桥下挠大，墩顶负弯矩区开裂严重，维修次数多，成本高，甚至难以维修。

（2）组合结构桥梁依然存在墩顶负弯矩区开裂的问题，自重大，限制了组合结构的跨越能力。

（3）大跨径钢桥存在桥面板疲劳问题，铺装层老化损伤严重，对钢桥面板的保护性差，维修费用高。

将UHPC 应用于大跨径桥梁可有效解决以上三个问题：

（1）目前已有研究人员提出了一种UHPC 连续箱梁新结构，适用于超大跨径。该体系运用了密集横隔板薄壁箱梁，和部分体外预应力技术，将有效跨径提升到了500m，而且解决了大跨径预应力混凝土梁桥的下挠严重和开裂的问题，并且具有很好的经济性。

（2）UHPC 强度高、韧性大，与钢结构组合使用时变形协调，有学者提出将UHPC 直接浇筑在钢梁上表面形成组合结构，并通过试验验证了这种想法的合理性，这种结构在自重仅为传统钢-混组合结构一半的情况下，承载能力却翻倍，抗裂能力更是传统组合结构的4 倍，有效解决了传统钢-混组合结构自重大，负弯矩区开裂严重的问题，使得组合结构早保证经济性的同时可用跨径进一步提升；同时UHPC 在中小跨径桥梁中的应用仍可应用于大跨径桥梁，如利用UHPC 现场浇筑湿接缝，也可解决组合结构开裂的问题。

（3）目前钢桥面铺装多采用环氧沥青混凝土，不仅造价高，且维修次数多成本大，钢桥面板的疲劳开裂问题尤为突出。利用UHPC 作为钢桥面铺装，研究表明这时钢桥面的受力更为合理，开裂问题得到明显改善；UHPC本身又是一种高韧性、高耐久性的材料，适合用于桥面铺装材料这种重载、沿海的交通环境。

此外，使用UHPC 材料一些新的桥梁结构形式也得以实现，如韩国提出的的UHPC 新型结构斜拉桥，其施工成本和维修成本均可降低20%。我国即将通车的长江五桥，也是应用了UHPC 的一座组合结构斜拉桥。

3.使用UHPC 进行结构修复

UHPC 用于结构修复也是其较为广泛的应用。方法为需要修复结构的损伤部分清除，然后浇筑UHPC 保护层，由于UHPC 非常致密，使其与原有结构的结合非常好，同时利用UHPC 的超强耐久性保护结构。也可以在需要修复的结构外使用预制的UHPC 板进行加固和防护。UHPC 的修复特别适用于环境严酷地区，如海岸、港口等。

4.UHPC 用于装饰、美化工程

由于UHPC 的特点，使其可以应用于以前只有钢结构才能应用的领域。如使用UHPC 建造的薄壳结构，加拿大的Shawnessy 轻轨站，法国的Millau 收费站都采用的这种薄壳结构；使用UHPC 建造的阳台、楼梯等，一改传统钢筋混凝土的厚重，对建筑的美观效果有很大提升；UHPC 还可用于建筑的装饰性构件、艺术建筑的称重结构，如欧洲与地中海文明博物馆的幕墙，2013 年建成的巴黎Stade Jean Bouin 体育场的屋面等；此外，UHPC 还可以用来做雕塑，甚至家具，设计师们也有了更大的发挥空间。

三、结语

UHPC 自诞生以来对国内外土木工程都产生了很大的影响，无论是学术界还是工程界。近年来，我国对UHPC的研究突飞猛进，但在应用上还与国外很多国家有差距。随着对UHPC 应用的经验越来越多，相信UHPC 在我国有相当大的应用前景。目前的研究应该在进一步提升UHPC 性能的基础上尽量降低造价，造价高是国内UHPC应用不多的一个主要原因；同时对于计算方法的研究，规范的指定也是尚待解决的问题。