唐勇 李旭

超高性能混凝土（UHPC）是近年來在土木工程領域炙手可熱的一種新材料，也可以說是當前最先進的水泥基復合材料。本文首先簡介了UHPC 的特點，然后列舉了UHPC 的幾種應用，最后對當前UHPC 的發(fā)展提出自己的看法。

一、UHPC 的特性及材料組成

1.UHPC 的特性

超高性能混凝土，英文為Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC，1994 年被提出，是一種極具創(chuàng)新性的水泥基材料。超高混凝土的超高性能主要表現(xiàn)在超高的力學性能和耐久性，與其他水泥基材料相比，UHPC的主要特點有：

（1）超高的抗壓強度，UHPC 的抗壓強度一般都大于120MPa，不同國家對UHPC 的最低抗壓強度規(guī)定有所不同，但其最低抗壓強度都遠高于普通混凝土。

（2）很好的抗拉強度，UHPC 的抗拉強度可穩(wěn)定達到7Mpa，有的還可達到10Mpa 或更高。

（3）超強的耐久性能，UHPC 結構及其致密，其抗碳化、抗凍性、抗水滲透性、硫酸鹽侵蝕等性能都非常優(yōu)異，甚至可以說是免疫。

（4）具有極高的韌性和延性，表現(xiàn)在斷裂能是普通混凝土的幾百倍；極限拉應變大，一般要求大于1000με，最大可達4000με 左右。

此外，UHPC 在制備、造價及應用還具有如下特點：

（1）對制備條件和技術要求高，需專業(yè)人員選擇材料和配比，并以干混料供應。

（2）由于組分的多樣性并且對組分的品質要求較高，UHPC 的生產成本高，可達到普通混凝土的10 倍；但由于UHPC 的優(yōu)良力學性能，使得很多創(chuàng)新的結構體系可以實現(xiàn)，超強的耐久性大大減少了使用階段得維修次數(shù)和維修費用，綜合來看其在全壽命周期內的經(jīng)濟成本和社會成本是小于傳統(tǒng)混凝土結構的。

（3）UHPC 不適用于大體積現(xiàn)澆，養(yǎng)護條件較高，一般需蒸汽養(yǎng)護或高溫養(yǎng)護；但其可以用于預制裝配構件。

2.UHPC 的材料組成

UHPC 也屬于纖維增強水泥基復合材料的一種，主體為高強度水泥，其所加纖維為經(jīng)過防銹處理的鋼纖維；不含粗骨料，所加骨料為高強小粒徑級配良好的優(yōu)質骨料；UHPC 中添加多種超細活性摻合料，水化時可通過化學反應降低孔隙率，提高密實度；UHPC 中還添加多種外加劑，其中主要的是高性能減水劑，以降低水膠比，減小孔隙率，減小干縮。

此外，UHPC 還可在制備時根據(jù)不同的工程需要，對組分進行調整使其具有不同的特點。如高配筋UHPC，可泵送UHPC，自密實UHPC 等。

二、UHPC 的應用

1.UHPC 在中小跨徑橋梁的應用

UHPC 在橋梁領域應用廣泛，據(jù)統(tǒng)計目前世界范圍內應用了UHPC 材料的橋梁已超過100 座，使用UHPC 作為主體結構的橋梁可以少用鋼筋甚至不用鋼筋，UHPC 在施工過程中還可作為永久性模板。

1997 年加拿大建成了世界上第一座UHPC 人行橋；2001 年，法國建成了世界上最早的UHPC 公路橋，橋梁為兩跨，每跨長22m。下部結構采用鋼筋混凝土，上部結構采用預制UHPCΠ 型梁，先張預應力，梁與梁縱橫向接口均用UHPC 現(xiàn)場澆筑填充，最終形成無縫整體式的橋面。全橋盡在接口處設連接鋼筋，自重也僅有傳統(tǒng)混凝土橋梁的1/3。整個施工過程均使用傳統(tǒng)施工機具，快速且順利。2012 年的檢測評估表面，該橋依然狀態(tài)良好。此后，澳大利亞、美國等國都建設了許多UHPC 公路橋和人行橋，梁的形式也多種多樣，包括I 型、Π 型、T 型和箱型梁等。其中美國應用最多的井字式UHPC 橋面板，可通過預制后直接鋪設在混凝土梁或鋼梁上，通過剪力連接件連接，可在一夜間完成對老橋、病橋的上部結構改造。

奧地利與2010 年建成第一座UHPC 拱橋，橋長154m，拱的形式為雙桁架拱，是拱橋向輕型化發(fā)展的一次重大突破。我國也于2015 年建成了第一座UHPC 人行拱橋，該橋位于福州大學校內，形式為無推力系桿拱橋。主跨長10m，寬2.1m，主拱為UHPC 板拱，系桿為鋼筋混凝土。滿堂支架現(xiàn)澆施工，后期蒸汽養(yǎng)護，施工順利。雖然跨徑較小，但對我國UHPC 拱橋的設計和施工仍有借鑒意義。

2.UHPC 在大跨徑橋梁中的應用

當前大跨徑橋梁主要存在以下三個方面的問題：

（1）預應力混凝土連續(xù)梁橋下?lián)洗螅枕斬搹澗貐^(qū)開裂嚴重，維修次數(shù)多，成本高，甚至難以維修。

（2）組合結構橋梁依然存在墩頂負彎矩區(qū)開裂的問題，自重大，限制了組合結構的跨越能力。

（3）大跨徑鋼橋存在橋面板疲勞問題，鋪裝層老化損傷嚴重，對鋼橋面板的保護性差，維修費用高。

將UHPC 應用于大跨徑橋梁可有效解決以上三個問題：

（1）目前已有研究人員提出了一種UHPC 連續(xù)箱梁新結構，適用于超大跨徑。該體系運用了密集橫隔板薄壁箱梁，和部分體外預應力技術，將有效跨徑提升到了500m，而且解決了大跨徑預應力混凝土梁橋的下?lián)蠂乐睾烷_裂的問題，并且具有很好的經(jīng)濟性。

（2）UHPC 強度高、韌性大，與鋼結構組合使用時變形協(xié)調，有學者提出將UHPC 直接澆筑在鋼梁上表面形成組合結構，并通過試驗驗證了這種想法的合理性，這種結構在自重僅為傳統(tǒng)鋼-混組合結構一半的情況下，承載能力卻翻倍，抗裂能力更是傳統(tǒng)組合結構的4 倍，有效解決了傳統(tǒng)鋼-混組合結構自重大，負彎矩區(qū)開裂嚴重的問題，使得組合結構早保證經(jīng)濟性的同時可用跨徑進一步提升；同時UHPC 在中小跨徑橋梁中的應用仍可應用于大跨徑橋梁，如利用UHPC 現(xiàn)場澆筑濕接縫，也可解決組合結構開裂的問題。

（3）目前鋼橋面鋪裝多采用環(huán)氧瀝青混凝土，不僅造價高，且維修次數(shù)多成本大，鋼橋面板的疲勞開裂問題尤為突出。利用UHPC 作為鋼橋面鋪裝，研究表明這時鋼橋面的受力更為合理，開裂問題得到明顯改善；UHPC本身又是一種高韌性、高耐久性的材料，適合用于橋面鋪裝材料這種重載、沿海的交通環(huán)境。

此外，使用UHPC 材料一些新的橋梁結構形式也得以實現(xiàn)，如韓國提出的的UHPC 新型結構斜拉橋，其施工成本和維修成本均可降低20%。我國即將通車的長江五橋，也是應用了UHPC 的一座組合結構斜拉橋。

3.使用UHPC 進行結構修復

UHPC 用于結構修復也是其較為廣泛的應用。方法為需要修復結構的損傷部分清除，然后澆筑UHPC 保護層，由于UHPC 非常致密，使其與原有結構的結合非常好，同時利用UHPC 的超強耐久性保護結構。也可以在需要修復的結構外使用預制的UHPC 板進行加固和防護。UHPC 的修復特別適用于環(huán)境嚴酷地區(qū)，如海岸、港口等。

4.UHPC 用于裝飾、美化工程

由于UHPC 的特點，使其可以應用于以前只有鋼結構才能應用的領域。如使用UHPC 建造的薄殼結構，加拿大的Shawnessy 輕軌站，法國的Millau 收費站都采用的這種薄殼結構；使用UHPC 建造的陽臺、樓梯等，一改傳統(tǒng)鋼筋混凝土的厚重，對建筑的美觀效果有很大提升；UHPC 還可用于建筑的裝飾性構件、藝術建筑的稱重結構，如歐洲與地中海文明博物館的幕墻，2013 年建成的巴黎Stade Jean Bouin 體育場的屋面等；此外，UHPC 還可以用來做雕塑，甚至家具，設計師們也有了更大的發(fā)揮空間。

三、結語

UHPC 自誕生以來對國內外土木工程都產生了很大的影響，無論是學術界還是工程界。近年來，我國對UHPC的研究突飛猛進，但在應用上還與國外很多國家有差距。隨著對UHPC 應用的經(jīng)驗越來越多，相信UHPC 在我國有相當大的應用前景。目前的研究應該在進一步提升UHPC 性能的基礎上盡量降低造價，造價高是國內UHPC應用不多的一個主要原因；同時對于計算方法的研究，規(guī)范的指定也是尚待解決的問題。