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赵筠：UHPC驱动工程结构再创新

2022-01-24 18:10

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

工程材料的发展是工程结构创新的重要驱动力。作为先进水泥基材料，超高性能混凝土(UHPC)为宜业尚品、轻量化与耐久耐用工程结构提供了创新的源泉和空间。

在过去的一年里，我国在桥梁方面的创新与应用、轻量化装配式建筑构件、标准规范体系建设等方面都取得了重要进展。随着UHPC工程应用规模稳步增长，UHPC为工程结构创新作出了巨大贡献。

中国混凝土与水泥制品协会超高性能水泥基材料与工程技术(UHPC)分会秘书长赵筠长期从事促进或推动超高性能混凝土技术推广、工程应用、产品创新及标准化等方面的工作。近日在接受本报记者采访时表示，随着研究的系统深入、标准规范体系的建立完善，在工程结构向大跨、轻型、耐久耐用方向发展过程中，以及在既有混凝土结构加固改造中，UHPC将发挥越来越重要的作用。

什么是UHPC？

“UHPC起源丹麦，自1979年申请第一个专利至今已经过去43年。”谈到UHPC的发展赵筠表示，在UHPC发展的前25年，可能受专利约束，UHPC研究仅限于少数企业、大学和研究机构，大多数工程技术人员对UHPC缺乏了解和认知，技术与应用发展缓慢。2004年后的18年间，国际上包括我国的UHPC技术发展速度明显加快，大量企业、大学和研究机构的科研人员加入UHPC研究与应用开发的行列，UHPC交流的平台也不断增加。

我国UHPC的研究探索始于上世纪末，如今是水泥基材料研究、应用、创新、发展最具活力的领域，近几年工程应用呈快速增长趋势，已成为可工业化生产和商业化供应的工程材料，产品类型和应用领域在不断扩展，UHPC结构设计方法、施工技术及标准规范正处于发展、建立和完善过程。

“UHPC一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土。它不同于传统的高强混凝土和钢纤维混凝土，也不是传统意义高性能混凝土的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。”提到UHPC的性能和特点赵筠指出，与普通混凝土相比，UHPC强度更高、更耐久；与钢结构相比，UHPC结构抗疲劳、免维护优势更突出。

UHPC优点非常多，最具代表性的有：超高强度与韧性，可以建造以前不可能的或新型轻质高强结构；耐久性大幅度超越传统的工程结构材料，使 UHPC结构具有超长工作寿命和低养护维修费用，获得比传统结构低的寿命周期成本；充分发挥 UHPC的性能优势，在一些场合应用，有可能降低结构或工程的综合建造成本；应用UHPC建造的结构，具有显著的节材、节能和减排效果，有利于可持续发展等。属于现代先进材料，创新了水泥基材料与纤维、钢材的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。

UHPC可应用在何处？

“钢-UHPC复合桥面可以大幅度提升桥面刚度，很好地解决‘钢桥面铺装破损’和‘钢结构疲劳开裂’两大钢桥痛点难点问题，是如今UHPC最有价值的应用之一，产生了很好的经济、环境和社会效益。”提到UHPC在工程当中的应用时赵筠说，近年来，UHPC在工程应用中取得了很大进展。2021年8月底贯通的广东英德北江四桥非常值得关注。其中保利长大承建的大站镇岸跨堤引桥是国内首座大跨径UHPC公路梁桥，由4幅102米跨径UHPC简支箱梁组成。这个UHPC梁桥采用了湖南大学邵旭东团队研发的单向预应力UHPC薄壁连续箱梁新结构，首次将全新构造的密集横隔板UHPC薄壁箱梁结构应用于梁桥，是桥梁建设和UHPC梁桥发展的一次重大突破。这项技术方案有望综合解决大跨径混凝土箱梁桥开裂和主跨过度下挠两大难题，并将简支梁桥的跨越能力扩展至100米，未来还有可能将连续箱梁的跨径提高至400米。

而由浙江舟山北向大通道公司、同济大学等单位完成的浙江省交通运输厅重点科技项目《超高性能混凝土提升跨海桥梁工程性能的应用研究》，在２０２１年7月进行了成果鉴定。这个项目成果之一是设计、预制UHPC预制T型梁。单榀梁最重约48吨，两辆汽车吊装就能轻松完成安装，大幅降低施工难度和安装成本。

除了桥梁，UHPC在建筑上的应用也越来越多。对此，赵筠指出，在欧洲，轻量化楼梯是UHPC重要的建筑应用之一。中建西部建设研究院、同济大学等多个单位，也设计研制了UHPC楼梯，将同样尺寸和功能楼梯的重量减小50%～70%(与钢筋混凝土楼梯对比)。

当前，我国的建筑产业生产建造方式正处于转型升级阶段，住房城乡建设部正在推动发展工厂化预制生产、全新装配式集成部品部件和装配技术体系。UHPC有助于建筑部品、构件实现轻量化、高品质、高效率和低资源消耗，还可用于构件节点连接提高结构可靠性和抗震性。因此，在建筑领域，UHPC有良好的应用技术发展潜力与市场发展空间。另外，UHPC在电力设施、轨道交通、市政工程等领域，也有一些UHPC产品或新结构设计与应用，如管廊隔仓板、排水管、永久 (免拆)模板、电杆等。

当前面临哪些问题？

我国土木工程建设目前正处在大规模建设向建养并重转移阶段，UHPC已经在新建高性能结构和既有结构加固改造中得到了应用，且呈现快速发展趋势。

“虽然UHPC产业在稳步增长，但仍处于发展的初级阶段，还有很大的应用市场待开发、待发展。”针对行业面临问题，赵筠表示，在桥梁领域，目前只有钢-UHPC复合桥面在新建和旧桥改造中得到较广泛应用，装配式桥梁结构连接、UHPC桥面板和大梁、混凝土-UHPC复合结构等应用，还有很大发展空间。因此，在UHPC材料、创新性运用UHPC、先进的规范体系等方面仍然需要投入较大研发力量，推动 UHPC材料与结构向高质量、规模化运用方向发展，为我国土木工程的可持续发展和交通强国建设作出重要贡献。

除此之外，从分会统计数据来看，2021年我国UHPC用量超过7万立方米 (不含未收集到工程用量)，其中大部分使用UHPC预混料；生产了约15万根超高强预应力混凝土电杆，超高强混凝土用量达3万立方米。虽然与2020年相比，我国UHPC用量增加了3万立方米，增幅为75%，增幅较高，但从UHPC总用量及在水泥基材料中的占比来看，2021年UHPC的水泥用量，以2020年中国水泥产量23.77亿吨计算，不到我国水泥产量的0.003%。我国的UHPC产业仍处于初期的或起步的发展阶段，市场规模还非常小。

“怎么去营造一个好的、健康的发展环境，避免恶性竞争是当前面临的另一亟待解决的问题。”赵筠指出，一定要明确UHPC界限。当前标准《超高性能混凝土基本性能与试验方法》(T/CBMF 37/T/CCPA-7-2018)规定了UHPC材料的基本性能和要求，《超高性能混凝土预混料》(T/CBMF 96/T/CCPA 20-2020)则扩展到常用的、主要的新拌性能和硬化性能。这些性能是UHPC材料目前发展阶段可以标准化分级与要求的性能。除这些性能外，在实际工程应用中，可能会对UHPC提出更多方面的性能要求，如快凝快硬、高早强、低收缩或无收缩、高弹性模量、良好耐高温性能、高耐磨性能，以及更高抗拉性能或更低制备成本等。因此，材料性能的提升与进步，将会长期是UHPC材料研究的主题。

高质量发展路还有多远？

“近年来，绿色建材在国内得到了大力开发，加上‘双碳’目标的提出，具有节材、节能和减排效果的UHPC迎来了最好的发展时机。”赵筠表示，从20世纪80年代，我国开始了大规模基础设施建设，如今许多工程结构已经老化，存在缺陷或不能满足现在的安全标准，维修加固的需求将会越来越大，预期维修加固将成为UHPC的一个主要应用领域。

此外，UHPC还将在腐蚀性环境建造高耐久结构或为结构提供防护，在防爆、防侵彻或防撞结构，在水利工程抗冲磨，在隧道支护、管廊、管道、地铁、杆柱、街具家具等诸多领域，为提升工程结构性能、耐久性提供更好解决方案。

除了机遇，UHPC的应用快速增长还得益于越来越多的UHPC相关研究。UHPC技术进步与积累，为工程应用、创新和产业发展提供了有力的支撑。

在技术方面，UHPC在我国的工程应用取得不少新突破，如102米跨径简支梁、轻量化集成建筑构件、湿接缝连接剪力墙、钢结构防腐保护、混凝土结构补强加固等。在标准方面，除了《超高性能混凝土基本性能与试验方法》《超高性能混凝土预混料》等团体标准，还有广东省公路学会标准《无腹筋预应力超高性能混凝土梁桥技术规范》(T/GDHS 003-2021)，中国公路学会标准《高韧性混凝土组合桥面结构技术指南》(T/CHTS 10036-2021)等相关标准出台。其中，中国工程建设标准化协会团体标准《超高性能混凝土结构技术规程》和交通运输部行业标准《公路桥涵超高性能混凝土应用规范》已完成编制和审查工作，不久将会发布。

“可以预期，随着研究的系统深入、标准规范体系的建立完善，在桥梁工程向大跨、轻型、耐久耐用方向发展过程中，以及在既有桥梁加固改造中，UHPC将发挥越来越重要的作用。”赵筠说。