黃興啟，張大偉，劉凱強，明陽，李玲，陳平，張國志，陳飛翔

（1. 山東高速鐵建裝備有限公司，山東 濰坊 262600；2. 桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004；3. 中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

量、提高效率、提高建造速度、減少人力投入、降低成本等方面都有很大的意義和優(yōu)勢[2]。本文將從 UHPC 預制構件的材料組成、結構設計及工程應用等方面對目前UHPC 預制構件的研究與應用現(xiàn)狀進行簡單介紹。

1 UHPC 預制構件材料組成

UHPC 作為當今建筑行業(yè)重點研究的一種顆粒級配達到最優(yōu)的水泥基復合材料，具有超高強、超韌性、超耐久性的特點。通常選用優(yōu)質的水泥、活性較高的礦物摻合料、超細活性粉末（一般用硅灰）等作為膠凝材料，同時選用不同級配的細集料，摻入一定量的鋼纖維，在極低的水膠比與高效的減水劑作用下制備而成。其中添加高活性的礦物摻合料是為了取代一定量水泥，降低生產(chǎn)成本，提高固廢的資源化利用。使用超細活性

0 引言

混凝土預制構件的理念早在 1917 年由法國的建筑師查爾斯·亨利·貝斯納德與工程師朱利安·皮埃爾·貝特朗·貝索諾共同研究并提出，通過“使用預制的鋼筋水泥材料實現(xiàn)快速建造過程”這一創(chuàng)新技術，建造了人類歷史上首座預制鋼筋混凝土。從此，利用混凝土預制構件技術在大型公共建筑、集合住宅等領域有了不同程度的應用。同時，關于預制構件的標準化探索及工業(yè)化、輕質化的建造理念也開始了不同程度的發(fā)展和應用[1]。近年來超高性能混凝土（UHPC）出現(xiàn)并快速發(fā)展，已成為許多專家學者研究的熱點與重點，其不但突破了水泥基材料的性能，還拓寬了許多應用領域的邊界。UHPC 預制技術在工廠掌控條件下生產(chǎn)加工，在確保質粉末是利用其粒徑小的特點，填充在較粗顆粒的堆積空隙中，以期改善拌合物的流變性，同時達到養(yǎng)護齡期后能有效提高 UHPC 強度。為了 UHPC 成型時的流變性和后期強度，目前骨料主要選用不同級配的石英砂，可根據(jù)需求尋找可代替的細骨料，如回收處理的碎玻璃、陶粒等。纖維主要用于增強 UHPC 的延展性和抗拉伸性，但由于纖維容易堆積，故對拌合物的流動性有一定的不良影響，而其類型對 UHPC 材料力學性能的影響很小。低水膠比為了減少孔隙率，提高力學性能。視工程需要及成本能耗等原因選擇不同的養(yǎng)護方式[3]。

目前在雙碳背景下，隨著專家學者對 UHPC 不斷的研究，利用固廢資源制造綠色建筑材料的理念已深入人心，這也使得 UHPC 的組成材料多樣化，根據(jù) UHPC預制構件的用途可選擇不同的制備材料。當下研究較多的膠凝體系材料有不同型號水泥、粉煤灰、硅灰、礦渣、玻璃粉、石灰石粉、偏高嶺土、石英粉等，目的是基于顆粒緊密堆積理論，尋找一種使結構能夠更加密實，力學性能、耐久性與體積穩(wěn)定性等滿足基本要求的材料，并且能夠降低成本的礦物摻合料。

2 UHPC 預制構件結構設計

目前對于 UHPC 預制構件結構設計的相關團體、行業(yè)標準歷時六年（2015～2021）已經(jīng)編寫完成，尚未發(fā)布，包括中國建材聯(lián)合會標準《超高性能混凝土預制構件生產(chǎn)技術規(guī)程》和《超高性能混凝土結構設計技術規(guī)程》等。最早進行 UHPC 標準化制定的國家是法國，在 2018 年發(fā)布了 UHPC 的材料、設計和施工一系列全面的標準[4]。本文根據(jù)法國的 AFGC/SETRA 標準，簡要介紹 UHPC 構件的設計方法。其中主要包括三個方面：一是對制備的 UHPC 性能進行檢測；二是對所需的 UHPC 構件進行設計和分析；三是對 UHPC 的耐久性做一定的考量。除此之外，還要考慮不同構件種類的尺寸效應系數(shù)和纖維分布造成的折減系數(shù)[1]。

國內的一些學者在結構設計方面也進行了不同程度的研究。湖南大學的童漢元[5]基于修正壓力場理論建立了預應力 UHPC-T 梁的抗剪分析模型，該模型能夠模擬抗剪加載全過程的受力變形，充分考慮在彎耦合作用下結構抗剪性能的變化。該理論中主要對跨比、箍筋縱以及預應力等因素進行了考量，結果表明相關假定是合理的，修正壓力場理論適用于分析預應力 UHPC 梁的抗剪承載力。其還將實驗結果與各個標準結果進行對照，結果表明建議公式能夠較好地預測預應力 UHPC 梁的抗剪承載力，該建議公式也為 UHPC 梁抗剪設計提供一定的理論依據(jù)。北京交通大學的張明波[6]通過試驗，運用非線性全過程分析的方法，結合現(xiàn)有鋼筋混凝土和預應力混凝土設計理論，進行理論論證和計算分析研究，提出預應力 RPC 梁的承載力計算方法、設計方法以及相應的設計理論及參數(shù)。為預應力 RPC 梁的承載力分析及合理設計提供了一個有效手段。洪彩葵[7]基于傳統(tǒng)施工模板的設計原則和荷載組合，從 UHPC 預制構件的自身特點、工程要求以及荷載組合參數(shù)修正等方面對橋梁預制構件進行結構設計，UHPC 的各項性能指標均能達到預期要求。歐陽娜[8]對 UHPC-NC 組合構件界面結合面處進行有限元模擬研究，提出基于粘聚力和抗剪強度的 UHPC-NC 界面強度計算式，在接觸分離模型上構建 3D 有限元計算模型并提出擬合數(shù)據(jù)，可為后期有限元計算提供參考。張青青[9]等基于 KCC 模型，在已有 UHPC 材料靜動載試驗結果上，分別標定 KCC模型的強度面、狀態(tài)方程及損傷參數(shù)，使其能準確地描述 UHPC 構件在強動載條件下的動態(tài)力學響應，為后續(xù)建立 UHPC 構件抗爆炸沖擊的數(shù)值模型奠定了一定的理論基礎。

3 UHPC 預制構件工程應用

3.1 UHPC 預制構件在裝配式建筑中的應用

用于裝配式建筑的 UHPC 分為兩類：結構類和裝飾類。結構類 UHPC 包括預制構件與漿錨搭接，裝飾類UHPC 有建筑外墻等。UHPC 在裝配式建筑中的一個重要應用形式就是 UHPC 預制構件，目前主要用在國內的陽臺、走廊、樓梯等裝配式建筑中。在國外也有結構柱和結構梁的應用。雖然 UHPC 預制構件能夠很好地滿足裝配式建筑的工程質量，但是 UHPC 在裝配式建筑中的發(fā)展受到制約，是因為其成本較高，力學性能和耐久性也遠超出對裝配式建筑的要求，而且不能夠較好地減少自身的自重。其廣泛應用還需 UHPC 設計理論體系的完善[10]。丹麥在此類工程中有著非常好的應用，我國也應該在裝配式建筑領域發(fā)展 UHPC 預制構件的設計、生產(chǎn)、安裝等相應標準規(guī)范[4]。UHPC 預制構件在裝配式混凝土結構建筑外圍護也有一定的應用，像外墻飾面預制構件、造型裝飾外墻、UHPC 外墻、光伏一體化外墻、夾心保溫外墻及再生混凝土外墻等[11]。隨著裝配式建筑快速發(fā)展，裝配式建筑預制外圍護構件的質量與創(chuàng)新面臨新的挑戰(zhàn)。只有不斷地適應時代的需求，緊跟國內外裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，才能讓 UHPC預制構件在我國裝配式建筑發(fā)展中有更廣泛的應用。

3.2 UHPC 預制構件在橋梁拼裝施工中的應用

中路杜拉公司在 2018 年建造的廣州北環(huán)高速擴建 F 匝道橋，是中國第一座無筋預應力體系 UHPC 橋梁，該橋 UHPC 結構的預制梁具有預制化、輕型化、跨越能力好、施工便捷、成本低的特點。在 2019 年建成的南京長江五橋和湖南益陽青龍洲大橋也采用了預制 UHPC 橋面板，在工廠進行 UHPC 濕接縫、鋼箱梁連接，制成鋼—UHPC 組合梁。其中南京長江五橋的UHPC 預制板由中交二航局負責生產(chǎn)，在 UHPC 預制構件生產(chǎn)的各個過程中要求更進一步的自動化、高效化、品質化[4]。黃西軒[12]等人針對嚴酷條件下閾值拼裝橋墩的受力特性，提出了一種具有震后快速恢復功能的鋼—UHPC 組合節(jié)點的裝配式橋墩預制構件。鋼—UHPC 組合節(jié)點由Ⅰ型鋼柱、C30 混凝土和Ⅰ型鋼構成的組合梁、摩擦阻尼器和 UHPC 板、加勁板組合的連接件構成。針對設計構件的抗震性能，進行低周期加載試驗，重點分析結構的開裂模式、應力狀態(tài)、耗能比例等抗震性能評價參數(shù)。結果表明鋼—UHPC 組合節(jié)點的裝配式橋墩預制構件具有一定的抗震性能。史華偉[13]通過對UHPC 在橋梁全預制拼裝施工中的應用分析，提出在運輸或安裝過程中對預制構件成品保護，在安裝前對預制構件安裝質量的控制，保證施工的質量。UHPC 作為新型水泥基材料，其超高強度、高韌性和低滲透率的特點，在未來將賦與橋梁工程強大的優(yōu)勢，被廣泛應用于橋梁工程中。

3.3 UHPC 預制構件在建筑幕墻或外立面的應用

UHPC 預制構件在建筑幕墻或外立面也有較多的應用實例。如 2018 年落成的深圳悅彩城展示中心，是中國第一個由弧形鏤空板和弧形實心板在 UHPC 預混料噴射下建成的 UHPC 幕墻。余杭文化藝術中心幕墻所用的 UHPC 板以預混料澆筑成型，生產(chǎn)速率可高達 700平方米/天，是當前中國 UHPC 領域應用最大的工程項目。上海音樂學院歌劇院具有裝飾性的幕墻采用 UHPC預混料澆筑而成，具有工作性能優(yōu)異、澆筑造型良好、操作便捷、成本低的特點。溫州甌江路景觀項目外立面也是用 UHPC 預混料澆筑而成的 3D 鏤空幕墻[4]。結合目前 UHPC 預制構件的發(fā)展和應用來看，UHPC 預制構件在建筑幕墻或外立面的應用較為普遍。

4 總結

UHPC 在國內經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)涌出不少專于 UHPC 的研究團隊，主要集中在部分高校、企業(yè)中，已成為中國 UHPC 技術和應用發(fā)展不可或缺的力量。與此同時，預制混凝土以其獨特的生產(chǎn)工藝，及具有施工速度快、經(jīng)濟成本低、材料利用率高、碳排放少、綠色環(huán)保等特點，逐漸取代傳統(tǒng)的混凝土現(xiàn)場澆筑方式。UHPC 預制構件在兩者的優(yōu)勢結合下有了新的應用前景。目前 UHPC 預制構件生產(chǎn)應用大部分是在住房與公共建筑用的墻板、樓板、樓梯、梁、柱、陽臺等及具有裝飾性的幕墻等方面。由于產(chǎn)品的標準化程度低，原材料成本高，UHPC 預制構件自重問題有待解決等，很大程度上制約了其普遍應用[14]。雖然 UHPC 預制構件項目經(jīng)濟優(yōu)勢大、有很好的發(fā)展前景，但是項目生產(chǎn)也存在規(guī)模大、所需土地資源也大的問題，因此要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，結合當?shù)刈匀磺闆r，以節(jié)約用地、經(jīng)濟合理、環(huán)保衛(wèi)生、安全生產(chǎn)為原則，對 UHPC 預制構件的生產(chǎn)進行合理規(guī)劃[15]。同時我們應從材料本身的特性著手，結合綠色建材的理念，針對不同的應用場景需求，將 UHPC 預制構件朝著工業(yè)化、多樣化、標準化的方向發(fā)展。