滕 達(dá) 萬小鋒

（中鐵建安工程設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

1993年，法國布依格公司（Bouygues Group）研發(fā)出活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）并申請了專利。1994年，法國學(xué)者De Larrard等將這類新材料命名為超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱“UHPC”）。UHPC的基本原理是利用超細(xì)粉料、纖維和特殊的水泥基材料，通過優(yōu)化配合比和高壓高溫養(yǎng)護(hù)，形成致密的微觀結(jié)構(gòu)和均勻的宏觀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)超高的力學(xué)性能和耐久性能。

創(chuàng)新、低碳、綠色環(huán)保、可持續(xù)是時(shí)代發(fā)展的主旋律，也是先進(jìn)水泥基材料UHPC發(fā)揮作用的大舞臺。UHPC可實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)輕量化、節(jié)材減碳建造及免維護(hù)超長服役壽命，可解決工程建設(shè)中的部分痛點(diǎn)難點(diǎn)問題，引領(lǐng)水泥基材料產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)性能大幅度提升或升級換代。本文就目前國內(nèi)UHPC的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并對其中影響UHPC成本的主要材料進(jìn)行梳理，并提出控制成本的一些思路。

1 UHPC國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

UHPC在國內(nèi)外橋梁工程中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，例如主梁結(jié)構(gòu)、拱橋主拱、華夫板橋面結(jié)構(gòu)、橋梁接縫及舊橋加固等。除了橋梁工程，UHPC還可以應(yīng)用于建筑構(gòu)件和幕墻、工業(yè)建筑、維修加固、水利工程抗沖磨等領(lǐng)域。

加拿大魁北克建有世界上第一座UHPC人行橋——Sherbrooke人行橋，由于UHPC的使用，結(jié)構(gòu)自重大大減輕，并有效抵抗了當(dāng)?shù)貒?yán)冬零下40℃條件下的反復(fù)凍融侵蝕。日本是亞洲使用UHPC較多的國家之一，日本不僅應(yīng)用UHPC建造高層住宅，而且用其制造預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁、桁架、管、電桿等。

我國經(jīng)過近30年研究與技術(shù)發(fā)展，UHPC在橋梁、建筑、維修加固等領(lǐng)域的應(yīng)用已卓有成效并初具規(guī)模，材料、設(shè)計(jì)與施工的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范技術(shù)體系正在逐步建立和完善。UHPC已在很多工程中得以成功應(yīng)用，例如北京大興國際機(jī)場、中山聯(lián)石灣特大橋、青藏鐵路等。如今，我國已成為世界上UHPC應(yīng)用開發(fā)與創(chuàng)新最具活力的國家之一，UHPC正在成長為一個(gè)新興且具有生命力的產(chǎn)業(yè)，并伴隨其發(fā)展逐步形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2 UHPC應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

2.1 成本

與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC仍然相對昂貴，既表現(xiàn)在各組成成分的材料成本居高不下，也表現(xiàn)在嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝、復(fù)雜的生產(chǎn)過程和高難度的施工過程等方面。其中，UHPC的材料成本占總成本約57%，施工及養(yǎng)護(hù)成本分別占約31%和12%。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

UHPC的配合比設(shè)計(jì)直接影響其力學(xué)性能，也會影響施工應(yīng)用的工藝參數(shù)。UHPC各種優(yōu)異的性能是內(nèi)部各組分通過復(fù)雜的反應(yīng)形成的。為控制成本、保證施工性能，需要對配合比進(jìn)行深入的研究。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

為便于UHPC的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用，過去10多年中，法國、日本、美國、瑞士、中國等相繼已制定并頒布了UHPC材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)程及指南；但相對于傳統(tǒng)混凝土而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論還需不斷完善。

3 UHPC拌合物的典型配合比

UHPC拌合物的典型配合比范圍如表1所示。

表1 1m3UHPC拌合物的典型配合比[1]

4 UHPC材料成本分析

4.1 膠凝材料

UHPC所使用的膠凝材料主要有水泥和硅灰，除此之外還通常包含有粉煤灰、礦渣、石英粉等材料。UHPC含有大量水泥，通常是高標(biāo)號硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥比例高的混合水泥。UHPC的強(qiáng)度主要來自于水泥成分中的硅酸二鈣和硅酸三鈣，而鐵鋁酸四鈣對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有限，鋁酸三鈣的水化反應(yīng)需水量較高，因此宜設(shè)法降低鐵鋁酸四鈣和鋁酸三鈣的含量。

硅灰是一種超細(xì)顆粒，堆積在水泥顆粒的空隙中，以提高UHPC的密實(shí)度，降低孔隙率；硅灰可以與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，生成更多的鈣硅酸鹽水化物，增強(qiáng)UHPC的強(qiáng)度和耐久性；硅灰還能改善UHPC的工作性和流動(dòng)性，減少混凝土內(nèi)部的缺陷和應(yīng)力集中。硅灰的價(jià)格數(shù)倍于水泥的價(jià)格，每噸價(jià)格在2000元以上，但由于其所具有的重要作用，曾被認(rèn)為是不可取代的組分。國內(nèi)有研究對使用粉煤灰和礦粉代替硅灰進(jìn)行了討論[2]；也有研究指出，當(dāng)水泥充分磨細(xì)后，所形成的超細(xì)水泥可以代替硅灰用于UHPC的制備[3]。

4.2 骨料

石英砂是一種常用的UHPC 細(xì)集料，其價(jià)格在700元/t左右，與其他優(yōu)質(zhì)骨料相比價(jià)格不算高。國內(nèi)有研究采用河砂（約350元/t）代替石英砂[4]，一定程度上降低了UHPC的制備成本和制備工藝難度，替代的意義更主要體現(xiàn)在降低對自然環(huán)境的破壞方面，具有一定實(shí)用性，仍在進(jìn)一步研究中。

4.3 鋼纖維

UHPC 通常包含鋼纖維以提高其韌性和延展性。UHPC所使用的鋼纖維對纖維長度、長徑比、纖維抗拉強(qiáng)度等性能都有明確的要求。鋼纖維是UHPC材料成本中最昂貴的部分，價(jià)格高達(dá)10000元/t以上，占到了總成本的35%以上。

目前，還沒有找到完全能夠替代鋼纖維的材料，但有一些研究正在探索使用其他纖維或添加劑來改善UHPC的性能。例如植物纖維[5]或碳纖維、玻璃纖維等人造纖維來替代或部分替代鋼纖維；有些研究使用水玻璃、膨脹劑或泡沫劑來調(diào)節(jié)UHPC的孔隙結(jié)構(gòu)和密度。

UHPC的其他組分，如膠凝材料、骨料和外加劑等，都屬于通用的優(yōu)質(zhì)材料，雖需擇優(yōu)選用導(dǎo)致成本升高，但升高幅度有限。而降低鋼纖維的成本則能顯著降低UHPC的成本，其中改善纖維的分布方式、提高纖維的增強(qiáng)增韌效率是關(guān)鍵所在。

4.4 外加劑

UHPC的配制需要使用一些高品質(zhì)的外加劑來保證其性能和質(zhì)量，例如，減水劑可以使混凝土的流動(dòng)性更好，提高其可加工性和耐久性；消泡劑可以在混凝土制備過程中有效降低混凝土表面的氣泡，提高混凝土的密實(shí)性和耐久性。一般而言，高性能的外加劑價(jià)格相對較高，但由于用量較少，所以對成本的影響不顯著。需要注意的是，選擇低成本的外加劑并不一定能降低生產(chǎn)成本，反而可能會降低混凝土的性能和質(zhì)量。因此，在選擇外加劑時(shí)，需要綜合考慮其性能和成本，選擇性價(jià)比最高的產(chǎn)品。一些高品質(zhì)的外加劑雖然價(jià)格相對較高，但可以提高混凝土的性能和穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，因此在建造高端建筑物和重要工程時(shí)，使用高品質(zhì)的外加劑可以提高工程的質(zhì)量和安全性，具有較高的成本效益。

5 降低成本的途徑

UHPC單位產(chǎn)品的成本較大，也與應(yīng)用規(guī)模相對較小有關(guān)。隨著使用范圍的擴(kuò)大，規(guī)模的擴(kuò)大，配套設(shè)備和管理的升級，必然帶來生產(chǎn)成本的下降。

（1）原材料優(yōu)化。使用本地材料替代進(jìn)口材料、使用實(shí)惠的材料替代昂貴的材料。例如利用粉煤灰等材料部分替代水泥、采用其他的超細(xì)顆粒代替硅灰、使用植物纖維取代人造纖維等。

（2）配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)所采用的原材料優(yōu)化配合比的設(shè)計(jì)，也可對UHPC高昂的材料及應(yīng)用成本起到顯著的改善作用。另外配合比也直接影響到材料拌合施工的和易性，有助于控制材料的施工與養(yǎng)護(hù)成本。

（3）完善標(biāo)準(zhǔn)體系。在技術(shù)的不斷研發(fā)和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，制定更完善的標(biāo)準(zhǔn)可以促進(jìn)UHPC的規(guī)范化生產(chǎn)和使用，從而推動(dòng)技術(shù)的普及和成熟，增加市場競爭，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，降低生產(chǎn)成本。

（4）提高生產(chǎn)效率。采用更高效的生產(chǎn)工藝可以減少制造成本。例如控制原材料配比、調(diào)整加工工藝和生產(chǎn)線的運(yùn)行參數(shù)；提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度；選擇質(zhì)量穩(wěn)定的原材料，并對原材料進(jìn)行充分的篩選優(yōu)化；采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、預(yù)制件工藝等降低材料浪費(fèi)。

（5）擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。目前UHPC的產(chǎn)業(yè)體量太小，難以形成材料的大量需求，無法吸引上游供應(yīng)商擴(kuò)大生產(chǎn)。隨著UHPC的研究和推廣，將逐步實(shí)現(xiàn)有效的市場競爭，提高品質(zhì)，降低成本。

6 結(jié)束語

目前，我國的UHPC產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，市場規(guī)模較小，但有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。在下一步的?yīng)用過程中，應(yīng)致力于提升UHPC材料設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步降低生產(chǎn)及應(yīng)用成本，使UHPC能夠適應(yīng)各種各樣的應(yīng)用環(huán)境，在我國的工程建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。