中国混凝土与水泥制品协会在2018年12月成立了超高性能水泥基材料与工程技术分会（简称CCPA-UHPC分会），旨在促进中国UHPC技术进步、知识普及、应用推广和产业发展。
CCPA超高性能水泥基材料与工程技术 (UHPC) 分会2021年10月“创新驱动发展”已成为全社会的共识。在水泥基材料及其应用领域，超高性能混凝土(UHPC) 作为先进水泥基材料，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；低碳、绿色环保、可持续和高质量发展的要求，也推动了UHPC在工程建设中的应用。过去的一年里，中国在桥梁创新与应用、在轻量化装配式建筑构件、在标准规范体系建设等方面取得了重要进展，UHPC工程应用规模稳步增长。为总结和交流UHPC的发展进步，CCPA-UHPC分会从2019年开始每年在10月撰写中国UHPC年度发展报告。本报告是该系列的第三个年度报告，记录和概要介绍2021年中国在UHPC领域取得的研究成果、标准规范编制进展、产业发展、新的工程应用以及开展的技术交流活动。一、UHPC研究与应用技术发展 1、概况福州大学黄伟在2021年2月统计了2007至2020年自然科学基金资助的UHPC相关研究项目数量，结果见图1。科学基金支持的研究项目，数量增长的趋势从一个侧面反映UHPC研究活动越来越活跃。但这还是很少部分，更多的研发活动得到企业、工程项目或工程建设单位以及地方政府的资助与支持，其中不乏结合工程项目具体需求而开展的专项试验研究，为工程应用方案优化设计提供依据。在中国知网(cnki.net)上，以“超高性能混凝土+UHPC”、“活性粉末混凝土+RPC”和“超高韧性混凝土+STC”(在中国使用的三个名称)为主题词，分别查询过去二十年（2001-2020）每年在中文期刊发表的研究论文和各类文章数量，年度发表篇数趋势见图2。此外，还有相当数量的研究论文发表在国外英文期刊上。在中国，2017年以前发表论文，使用名称以“活性粉末混凝土”或简称RPC为主；之后逐步转向使用“超高性能混凝土”或简称UHPC，与国际上使用名称、术语趋于一致。近几年中国UHPC的应用快速增长，得益于越来越多的UHPC相关研究，加快了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。2、材料研究标准《超高性能混凝土基本性能与试验方法》(T/CBMF37/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/CBMF96/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，等等。因此，材料性能的提升与发展进步，会长期是UHPC材料研究的主题。摘要介绍过去一年发表的部分研究探索成果：湖南大学刘路明等试验研究了“膨胀剂与内养剂对超高性能混凝土性能的影响”[1]。复合使用膨胀剂(以氧化钙和硫铝酸钙为膨胀源)和内养护剂(SAP)，在保证不降低 UHPC 强度的条件下，可以有效降低UHPC的自收缩或获得微膨胀。清华大学刘亚林和魏亚研究“煅烧铝矾土粉体和骨料对UHPC收缩性能的影响”(Effect ofcalcined bauxite powder or aggregate on the shrinkage properties of UHPC[2])。尝试使用有一定吸水率的煅烧铝矾土(CB) 骨料进行内养护降低UHPC收缩，取得较好的试验结果：CB骨料用量300kg/m3可大幅度降低UHPC自收缩，用量600kg/m3可保持UHPC微膨胀 (终凝后的体积变化)。不进行预湿，CB骨料能吸收拌合水中增加的内养护水，同样获得了良好的减缩效果，应用方便。此外，CB是高硬度、高弹模材料，作为骨料有利于提高UHPC强度、耐磨性和弹性模量。哈工大杨英姿团队[3]和北京交大朋改非团队，研究用硅烷偶联剂对PE (聚乙烯) 纤维进行表面改性，使PE纤维与水泥基材料之间建立较强的化学结合，改善界面粘接。试验结果表明，这是一条可行的技术路线，能够大幅度提升PE纤维对UHPC的增强增韧效果，实现更好的拉伸应变硬化性能。南京林业大学张文华等研究“多尺度纤维增强超高性能混凝土的轴心抗拉和抗压行为”[4]。试验掺加纳米尺度的碳纳米管、微米尺度的碳酸钙晶须和毫米尺度的钢纤维及不同纤维掺杂的UHPC试件抗拉抗压性能。试验结果显示：毫米级钢纤维决定了 UHPC试件的初裂强度和初裂应变，微米纤维和纳米纤维对初裂强度和初裂应变影响不大；但碳酸钙晶须和碳纳米管的加入，改变了UHPC试件开裂后的拉伸行为，显著增强了其拉伸应变硬化能力。铁道科学研究院蒋睿研究了20、40、60、90°C湿热以及自热保温5种早期养护方式对UHPC力学性能与微结构的影响[5]。试验结果表明：UHPC 的早期抗压强度与养护温度正相关，但这种差异随龄期的延长而缩小，早期采用自热保温或 90°C养护，所得到 UHPC 的 28 d 抗压强度差异不足 4%，且两者的抗拉强度均较高。3、应用研究桥梁应用研究在UHPC桥梁发展领域，今年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102m跨径UHPC简支箱梁组成。该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 (见图3)。在2017年前，针对大跨预应力混凝土连续箱梁桥自重过大、主跨过度下挠和梁体开裂等难题，邵旭东团队提出了UHPC (RPC) 箱梁解决方案，并为此开展了大量试验研究优化箱梁结构和结构连接。在此基础上，中交第二公路勘察设计研究院、湖南大学和广东省交通规划设计研究院联合编制了《节段预制拼装预应力超高性能混凝土箱梁桥专用技术规程》(2017年4月通过评审，由清远交通局发布)，用于指导UHPC箱梁桥的设计与施工。英德北江四桥首次将全新构造的密集横隔板UHPC薄壁箱梁结构应用于实桥 (图4)，是桥梁建设和UHPC梁桥发展的一次重大突破。该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100m，未来还有可能将预应力混凝土 (UHPC)连续箱梁的跨径提高至400m级。图3：密集横隔板UHPC薄壁箱梁结构 (引自[6])图4：英德北江四桥102m跨径UHPC箱梁节段预制与桥梁架设(2021-5)今年5月，中电建路桥、苏交科、广东省公路学会和中路杜拉联合在广东江门组织了“中开高速公路项目30米U型UHPC组合梁抗弯承载能力足尺试验观摩会”。已开工建设的中开高速公路，需要将桥梁标准宽度从33m增加到35m (桥梁两侧各加宽1m)，桥梁的边梁需要为此重新设计和更换。从梁重量、结构性能、经济性、耐久性以及对已建成下部结构影响等方面比选，确定UHPC-RC梁(无腹筋预应力U型UHPC梁与C50钢筋混凝土桥面板组合梁)为最优方案。为确保该技术方案安全可靠，开展了大量分析计算和试验，并通过30米U型UHPC-RC组合梁抗弯承载能力足尺试验 (图5) 验证设计计算的准确性、检验实际预制组合梁生产的质量和性能。这种针对实际工程需求进行的试验研究、足尺梁试验，也为UHPC材料本构关系、桥梁结构设计、标准规范提供了试验数据支撑。图5：30米U型UHPC-RC组合梁抗弯承载能力足尺试验 (2021-5)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》，在今年7月进行了成果鉴定。该项目成果之一是设计、预制UHPC预制T型梁 (图6)，用作舟山港主通道工程烟墩互通B匝道上部结构，由5跨、每跨4片30m预应力UHPC简支T梁构成，桥面宽8.5m。T梁长30m、高1.55m、宽2.11m、腹板厚15cm、翼缘板厚6 ~ 15cm。每片梁UHPC用量约17.6 m3，折合桥面0.27m3/m2。单榀梁最重约48t，两辆汽车吊就能轻松完成了安装，大幅降低施工难度和安装成本。测算表明，UHPC T梁桥的综合成本与普通混凝土梁桥大体持平，非常适合建造高耐久桥梁，特别是在海洋等腐蚀性环境中使用的桥梁。图6：30m 长UHPC T型梁预制和架设(浙江宏日泰耐克提供照片)今年8月，广东省公路学会组织专家对中路杜拉公司完成的《中小跨径预应力无腹筋超高性能混凝土梁桥在旧桥改造中的应用研究》项目成果进行评价，充分肯定了预应力无腹筋UHPC中小跨径梁桥结构型式和UHPC梁体-普通钢筋混凝土桥面板组合梁的创新性，以及设计的可靠性。该研究成果在广东多地高速公路和地方公路桥梁以及人行天桥建设中得到了成功应用，社会、经济和环境效益显著，推广应用前景广阔。在《中国公路学报》的“中国桥梁工程学术研究综述· 2021”[7]中，包含了中国开展的桥梁与UHPC相关研究与应用内容。应用研究主要集中组合桥结构 (钢-UHPC、NC-UHPC)、全UHPC桥梁结构、桥梁加固和桥梁接缝四个方面，还涉及空心桥墩、防撞结构等应用。《中国公路学报》2021年第8期为“UHPC材料及其在桥梁工程中的应用专刊”，在专刊导语中指出“UHPC在新建结构和既有结构加固改造中的应用，有望从源头上解决传统混凝土结构自重大、易开裂、耐久性不足、维护费用高等共性难题，驱动桥梁工程的高质量发展。......，UHPC材料及其在桥梁工程中应用的基础理论、关键技术和结构创新，是实现我国桥梁工程高性能化的重要支撑。” [8]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。建筑应用研究华东建筑设计院张桦、白杨在论文“建筑外围护系统的工业化集成探索实践——基于超高性能混凝土围护体系的研究”[9]，以华建集团装配式建筑集成技术试验楼中 (图7) 所采用的单元式集成混凝土外挂墙板为研究对象，深度剖析外围护体系的集成设计与建造。从抗腐蚀、防污染、防水等方面考虑，选用UHPC制作单元集成混凝土外挂墙板，并将墙板重量降至同等尺寸传统预制夹芯保温混凝土墙板的三分之一。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)。上海理工大学和上海建工二建，先开展“UHPC连接的节点预制-构件预制装配式框架抗震性能试验研究”[10]，证明UHPC连接的预制装配式框架结构有可靠的抗震性能。之后，该团队又进行了“基于超高性能混凝土连接的装配式剪力墙抗震性能试验研究” [11]，表明UHPC连接的剪力墙能够有效地传递钢筋应力，位移延性、耗能能力基本与整浇试件处于同一水平，极限位移角满足现行规范要求。中国的建筑产业生产建造方式正处于转型升级阶段，建设部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。图7：华建集团装配式建筑集成技术试验楼 (引自[9])其他应用发展在电力设施、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 (见第四章)。二、UHPC的标准化工作 1、UHPC相关标准规范进展中国建材联合会和中国混凝土与水泥制品协会(CBMF/CCPA)的UHPC团体标准系列，2018年11月发布《超高性能混凝土基本性能与试验方法》(T/CBMF37/T/CCPA 7-2018)，2020年12月发布《超高性能混凝土预混料》(T/CBMF96/T/CCPA 20-2020)，2021年发布《超高性能混凝土预制构件生产技术规程》(T/CBMF127/T/CCPA 22-2021) 和《超高性能混凝土现场浇筑施工技术规程》(T/CBMF128/T/CCPA 23-2021)。该系列的《超高性能混凝土结构设计技术规程》已完成编制，进入审查报批阶段，计划年内完成。至此，完成和建立了CBMF/CCPA系列UHPC团体标准规程的基础性技术体系。之后，将根据标准规程使用中收到的意见建议，进行标准规程修订和完善，并适时开展UHPC专项应用的标准规范编制工作，进一步发展UHPC应用技术体系。2021年发布与UHPC应用相关的团体标准有：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/GDHS003-2021)，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)。此外，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。近年来，中国UHPC幕墙应用的工程项目数量快速增长。UHPC以其高强、高韧性和高耐久性等优良性能，以及自由度更大的建筑视觉表现力和良好的装饰效果，受到建筑师和业主的喜爱。然而，由于缺乏相应标准规范，现在UHPC幕墙的设计安装多参考或借用其他材料如GRC、金属、石材或其他人造板材幕墙的标准规范，在材料性能要求、幕墙结构和安装设计等方面未能真正体现和发挥UHPC性能；也存在，使用的材料并没有真正达到UHPC的性能水平或要求，或生产制作工艺不合理，导致生产或安装过程就出现问题。在行业多家幕墙企业的建议下，2021年9月由 CCPA-UHPC分会牵头立项，开启CBMF/CCPA《超高性能混凝土幕墙工程技术规程》的编制工作，力求用先进的工程技术规程促进UHPC幕墙工程设计、生产与质量控制、安装等的科学化、合理化与规范化，做到既安全可靠又美观适用且经济合理，提升UHPC在建筑幕墙领域应用的技术水平。2、CBMF/CCPA团体标准的UHPC基本系列标准介绍标准《超高性能混凝土基本性能与试验方法》(T/CBMF37/T/CCPA-7-2018)，定义了UHPC的材料属性，即“超高性能混凝土是指兼具超高抗渗性能和力学性能的纤维增强水泥基复合材料”。那么，什么性能以及这些性能达到怎样的水平，才能称作UHPC？这是对于UHPC首要和常见的疑问，该标准给出了明确的答案。结合设计、应用需要和UHPC核心性能特征，该标准将UHPC性能聚焦在三项基本性能——抗渗性(体现耐久性)、抗压和抗拉性能，并分等级规定了三项性能的指标要求和规定了相应试验方法。虽然该标准UHPC的定义是描述性的，但其内容中技术指标则定量化定义了UHPC，即设定各等级UHPC性能门槛，经过试验测试满足相应等级的基本性能指标要求，才能确认所配制、生产和使用的材料在力学性能、韧性和耐久性方面真正具备“超高性能”，是“名副其实”的UHPC。该标准以其先进性入选工业和信息化部2019年团体标准应用示范项目。《超高性能混凝土预混料》(T/CBMF 96—2020/T/CCPA 20—2020) 是UHPC产品标准。商业化的UHPC产品通常以预混料方式供应，该标准填补产品标准的空白，为生产、设计和应用提供细化的、规范的UHPC预混料产品分类、分级和各方面性能试验方法，指导企业进行产品质量控制、产品性能检验和提供产品部分的或全面的性能指标。该标准与《超高性能基本性能与试验方法》一起建立起了基础的UHPC材料标准体系，为UHPC产品研发、生产供应、应用设计、构件预制或现浇施工等各方搭建起“对话交流的技术平台”，可作为UHPC预混料产品供需双方合同约定的标准条款或产品技术要求，方便UHPC产品生产与应用，有助于提升UHPC产品性能和质量技术水平。《超高性能混凝土预制构件生产技术规程》(T/CBMF127/T/CCPA 22-2021) 和《超高性能混凝土现场浇筑施工技术规程》(T/CBMF128/T/CCPA 23-2021)，分别为UHPC预制构件和现浇施工生产各环节进行规范和指导，以保证UHPC预制构件和现浇结构的质量，提高工艺技术水平。《超高性能混凝土结构设计技术规程》包含UHPC结构设计的基本规定、基本构件设计方法，以及制品应用设计的一般性规定，为设计和应用单位开展UHPC结构设计和工程应用提供指导和技术依据。该规程的颁布实施，突破了UHPC结构设计瓶颈，为UHPC应用铺平了前行的道路。三、中国UHPC市场规模与产业发展现状 1、市场规模CCPA-UHPC分会2021年9月发放问卷表格调查了中国2021年UHPC生产应用情况，从所收到项目调查表以及媒体报道信息统计，2021年中国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，约为10万吨。主要工程应用为钢-UHPC复合桥面、桥梁构件连接(湿接缝)、预制UHPC桥面板和桥梁构件及伸缩缝安装、建筑幕墙和构件、市政工程构件，以及维修加固。此外，2021年生产了约15万根超高强预应力混凝土电杆 (抗压强度为120~130MPa，大部分没有纤维或含PP纤维，属于UHPC基体密实度和强度水平的材料，未纳入UHPC用量统计)，超高强混凝土用量达3万m3。2、产业发展采用相同的项目收集和用量统计方法，与2020年相比，2021年中国UHPC用量增加了3万m3，增幅为75%。虽然增幅较高，但从UHPC总用量及在水泥基材料中的占比来看 (2021年UHPC的水泥用量不到中国水泥产量的0.003%，以2020年中国水泥产量23.77亿吨计算)，中国的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。这也意味，作为先进水泥基材料的新兴产业，UHPC还有巨大的市场发展空间，未来可期，同时也需要付出巨大努力建立和完善UHPC材料及应用技术体系，创新与拓展应用。第四章的内容可为大家带来启发和学习借鉴。（未完待续）原创文章 欢迎交流 如需转载 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