本报告是第四个中国UHPC年度发展报告，摘要记录和介绍2022年中国在UHPC领域取得的部分研究成果、标准规范编制进展、产业发展、新的工程应用以及技术交流活动。
CCPA - UHPC超高性能水泥基材料与工程技术分会在2022年，疫情严重地影响了我们的工作和生活，但中国UHPC技术在进步、结构设计方法在完善、标准规范在建立、应用场景在扩展、用量在增长，UHPC行业发展生机勃勃。本报告是第四个中国UHPC年度发展报告，摘要记录和介绍2022年中国在UHPC领域取得的部分研究成果、标准规范编制进展、产业发展、新的工程应用以及技术交流活动。部分研究和工程项目材料名称用活性粉末混凝土 (RPC) 或高韧性混凝土 (STC)，在本报告中统一用UHPC名称。一、UHPC研究与应用技术发展现在，越来越多工程技术人员认识、了解和喜爱UHPC材料，积极用UHPC设计新结构、新产品或解决工程结构难点痛点问题，针对应用具体化需求的UHPC研究越来越多。在UHPC材料研究方面，降低成本、减小收缩、提升性能等仍然是许多研究的主题。依托实际工程，为解答设计和施工中遇到的疑问或需要设计验证与取得数据，2022年开展了一些缩尺和足尺UHPC结构试验，为设计或施工方案优化提供依据。此外，在2022年完成了一些新型UHPC工程结构设计、试验、施工或预制生产的技术准备工作，如轻质墙板楼板、大体积和组合结构桥梁、陆上和海上风电结构等等，将在今年和未来形成新的UHPC应用增长点。 1、UHPC材料研究与发展同济大学孙振平教授团队和多个单位参加的“超高性能混凝土的低成本制备和多场景应用技术研究及标准规范建立”项目获得2022年度CCPA科技进步一等奖。在UHPC材料方面取得的进步包括：基于超细颗粒的填充效应、粒级的优化作用以及矿物掺合料的活性效应，采用偏高岭土和矿渣粉取代国内外惯常使用的硅灰，制备出了120MPa级UHPC，使UHPC的生产成本降低10%以上。在极低水胶比 (不大于0.18) 条件下，基于颗粒最紧密堆积理论，综合利用所研发的功能型混凝土外加剂产品应用技术，以及纤维复合技术，制备出坍落扩展度 ≥ 750mm，自然养护条件下28d抗压强度 ≥ 200MPa、抗折强度 ≥ 40MPa、抗拉强度 ≥ 12MPa，且28d收缩率小于150×10-6的UHPC。中建西部建设建材科学研究院开发了“早强型UHPC”产品，并在上海市中环路一重量检测站道路快速抢修项目中成功应用。该早强型UHPC产品具有自密实、硬化速度快、力学性能高等优点，在夏季施工，1.5小时后抗压强度可达60MPa，抗折强度达到15MPa，浇筑两小时后道路就能通车[1]。淮南东辰集团开发了用煤矸石生产的高强轻骨料 (陶粒)，能够用于制备超高强混凝土，抗压强度可达120MPa以上。这种高强轻骨料能够工业化、规模化稳定生产供应，有望用作UHPC部分骨料和内养护材料，其降低UHPC自收缩的效果值得研究和期待。此外，一些UHPC材料产品在降低拌合物粘度、低收缩或微膨胀等方面取得了进步，并获得应用。 2、桥梁应用研究与技术发展针对实际桥梁工程的设计施工需求，湖南大学方志教授团队开展了UHPC预制板现浇湿接缝抗拉抗弯性能、低温下UHPC的弯拉静力与疲劳性能、配置 PBL 剪力键钢-UHPC 组合桥面板纵向受拉性能及横向负弯矩区受弯性能等方面的试验研究和分析，研究成果用于丹江口水库特大桥设计和施工，使钢-UHPC轻型组合梁结构得到进一步优化，既减小了钢梁的峰值应力水平、应力集中，提高钢梁的疲劳寿命，同时降低了组合梁的重量和工程造价，并简化了施工 (参见第四章)。中路杜拉开发了新型结构体系—25m无腹筋先张法预应力工型UHPC-NC (混凝土) 组合梁，高125cm，腹板厚10cm，底缘和上缘分别布置36根和5根先张法钢绞线，桥面板为20cm厚C50钢筋混凝土。为深度掌握该组合梁抗弯力学性能、验证该结构的可靠性并为后续优化提供数据支撑，2022年5月在中路杜拉江门UHPC研发生产基地进行了组合梁足尺破坏试验，同时组织试验现场观摩和试验直播。足尺梁的破坏荷载为2900KN，跨中挠度288mm，结构安全系数2.32，试验获取数据与设计分析的预判基本一致(见图1)[2]。图1：25m无腹筋先张预应力工型UHPC-NC组合梁足尺荷载试验（引自[2]） 由上海市城市建设设计研究总院、上海公路投资建设发展公司、上海城建市政工程集团和同济大学联合组建的上海工业化装配化市政工程技术研究中心，总结2022年的研究成果[3]，其中四项是UHPC相关的研究应用：（1）进行足尺UHPC梁的弯曲性能和剪切性能试验 (见图2)，总结了相关设计理论，开展了30m先张预应力UHPC-混凝土组合梁工程建设示范应用。30m组合梁采用U160标号UHPC，腹板厚0.12m，底板厚0.2m，全跨等截面；单榀梁UHPC设计用量约22m3，预制梁重125t，相对上海市通用图30m小箱梁减重约30%；UHPC平方指标为0.168m3/m2，普通混凝土指标为0.213m3/m2，钢束指标为12.8 kg/m2。试设计了50m节段先张预应力UHPC-混凝土组合梁。（2）依托实际工程，开展了UHPC空心薄壁盖梁的设计，试验验证了盖梁弯曲性能和剪切性能满足设计要求。相比原结构，新的盖梁结构减轻自重超过40%。（3）针对桥墩连接构造，通过拟静力试验验证了UHPC连接、机械连接套筒等多种连接形式的可靠性。测算设计方案工程造价表明，这几种连接方案相比传统的灌浆套筒连接方案均具有较好的经济性。（4）依托竹园污水厂四期工程，开展了AAO生物反应池、调蓄池的装配化结构建造，工程中创新采用了多种UHPC连接接头，简化了连接接头构造，通过相关试验，验证了这些接头结构的可靠性。图2：30m先张预应力UHPC-混凝土组合箱梁及荷载试验 (引自[3,4])四川简阳沱江大桥的塔柱塔梁固结段设计使用UHPC (RPC) 建造，这是世界上迄今最大的UHPC结构，达6700m3。国际国内目前还没有类似大体积UHPC结构的建造经验可供借鉴，为保证该工程顺利施工，中建西部建设建材科学研究院在2022年进行了足尺试验 (见图3)，浇筑了四个大体积试验块，最大尺寸为4mx4mx4m的立方体，检验实际工况下UHPC工作性能及钢纤维分布，获取在自热保温条件下的UHPC力学性能发展、无约束状态下应力与变形以及大体积状态的升、降温速率等多方面的数据，验证温控方案、冷却水管效果、保温模板效果，对比不同施工缝处理方法的界面粘接强度，分析验证采用十字分缝后浇带施工方案可靠性，等等。这次足尺试验，为该工程施工方案优化获取了宝贵的数据和经验，也是大体积UHPC浇筑施工的演练。试验中，4mx4mx4m的UHPC立方体中心温度最高升至98.5oC，内外最大温差超过40oC，在升、降温过程没有发现任何裂缝，R-UHPC显示出良好的抗裂能力[5]。沱江大桥的UHPC结构将在2023年施工。图3：大体积UHPC足尺试验 (引自[5])结合实际工程，北京市市政工程设计研究总院和北京交通大学开展了UHPC 华夫桥面板及节点力学性能试验研究。 3、建筑应用研究与技术发展2022年UHPC在建筑构件方面的研究与应用取得较多的进展。中路上华建筑工程科技 (广州) 有限公司设计、预制生产了系列UHPC楼梯，并在装配式建筑示范项目中安装应用。水平跨度3～6m的UHPC楼梯重量一般不超过2t，是相同跨度预制混凝土楼梯的30～40%，吊运安装简便，并且因重量减轻、构造简化、耐久性好，UHPC楼梯的综合成本得以降低，也容易实现各种楼梯造型。广东省建设工程绿色与装配式发展协会团体标准《超高性能混凝土 (UHPC) 预制楼梯》(T/GDCSDA 2—2022) 发布，指导UHPC预制楼梯的设计、生产、施工及验收等工作流程向标准化、规范化方向发展[6]。中路上华还开发了UHPC轻型叠合板装配式技术 (见图4)，经广东省专家组认定：满足广东省《装配式建筑评价标准》(DBJ/T15-163) 的规定，可100%计入预制装配式楼板、屋面板的水平投影面积。UHPC轻型叠合板是一种采用UHPC材料作为底板 (厚度15～20mm)、将桁架钢筋和底板在工厂一体预制好的叠合板，具有工业化程度和生产效率高、强度与韧性高、需要支撑少等优点[7]。图4：UHPC轻型叠合板楼板 (引自[7])2022年11月中建西部建设建材科学研究院研发的“超高性能混凝土自保温复合墙板”通过CCPA组织的技术鉴定。该复合墙板采用有机纤维增强UHPC制作，为空腔加肋构造，面板和肋板厚度为10mm。试验测试表明，墙板 (整体) 28d抗压强度 ≥ 15MPa，均布抗弯荷载 ≥ 4.5倍板自重；可承受30kg砂袋冲击次数 ≥ 100次，60kg砂袋冲击 ≥ 15次；1000N吊挂力下72h无裂纹；耐火极限 ≥ 3h；传热系数小于1.0 W/(m2·K)；空气声隔声量为45dB；墙板不同部位的体积稳定性相近，7d后墙板干燥收缩趋于稳定；墙板在设定的干热循环条件下无裂缝产生，具有良好的抗裂性能。现在建成了年产能5万m2的中试生产线，该复合墙板已在多个工程上成功应用，取得了良好的经济和社会效益[8]。针对装配式低层/多层建筑的工程需求，清华大学土木工程系结构工程研究所与广东博智林机器人有限公司联合研发了一种基于免配筋/少配筋的UHPC夹芯楼板墙板以及干式连接的装配式墙板结构体系。UHPC夹芯墙、板的基本构造如图5所示，整块板可不配置钢筋或根据需要少量配筋。典型应用场景中，UHPC夹芯楼板长度为4700mm、厚度为150mm，其中夹芯层的厚度为110mm、上下UHPC薄层的厚度均为20mm。试验研究表明，通过常规工艺，可以有效保障免配筋UHPC夹芯板的生产精度和产品质量；在低层和多层应用场景下，免配筋UHPC夹芯板能够满足竖向或水平承载的要求，正常使用荷载下不开裂。该结构的特点包括：综合密度可低于水，质量轻，便于运输吊装；四面不出筋且形状规则，便于自动化生产及运输；采用干法连接，能有效简化现场施工，易于控制质量；实现了结构功能与保温功能一体化；结构不开裂，耐久性好[9]。图5：UHPC夹芯墙板楼板及性能测试 (引自[9])图6：装配式UHPC结构的双河变电站 (浙江宏日泰耐克提供图片)应用UHPC优异的力学性能和耐久性，实现建筑部品和构件的轻量化、性能提升、耐久耐用，同时还可以降低建造过程资源消耗和碳排放。例如，浙江宏日泰耐克新材料科技有限公司和宁波送变电建设公司建造、2022年9月29日正式投运的余姚市双河装配式UHPC变电站 (见图6)，梁、柱为配筋UHPC结构，采用工厂预制、常温养护，现场拼装后用UHPC连接；外墙采用5cm UHPC + 7cm岩棉 + 4cm UHPC三明治结构，外侧部分采用斧凿面效果，是承重、防火、保温一体化结构，采用螺栓及L形扣件与地梁、主梁连接。主体装配化率超过85%，减少用工20%，缩短工期2个月，减少 CO2排放30% (与传统钢结构相比)，并且建筑拥有超长免维护寿命，大幅降低维护维修费用。 4、风电结构应用技术发展近年来清洁可再生能源风电在中国高速发展，在向高空、向海洋发展。为了提高发电量，不断增加塔筒高度来利用更高更稳定的高空风资源；不断迭代增大风力发电机功率与风轮叶片直径，提高扫风面积、动力和发电效率。与此同时，对风电塔筒结构强度和刚度的要求在不断提高。目前，塔筒采用钢、高强混凝土以及钢与混凝土组合建造，塔筒高度达到160～170m。在这样高度以及向更大高度方向发展，要满足对塔筒结构强度、刚度以及固有频率的要求，采用UHPC建造是相对可靠和经济的选择。上海风领新能源有限公司已经开始UHPC塔筒设计和试制，计划2023年开始生产建造UHPC塔筒。2022年9月29日，明阳智慧能源集团面向全球正式发布新一代科技创新产品“OceanX”(中文名：蓝色能动号) 双转子漂浮式海上风电平台，其漂浮平台结构采用UHPC建造，计划2023年安装于中国南海海域[10]。在风电领域，目前UHPC主要用于钢塔筒节段之间以及塔筒与基础之间的灌浆连接，用量有限。随着用于风电塔筒主体结构、漂浮结构，并随着设计建造技术发展成熟，可以预计UHPC在风电领域的用量将大幅度增长。 5、地铁工程应用技术发展广东华隧建设集团所属广州华隧威预制件有限公司研发了用于地铁建设的多种UHPC装配式构件：地铁车站轨顶风道、站台板、楼梯等，并联合第三方检测机构、广州大学对UHPC构件开展了一系列性能试验测试，包括满载、单边荷载、集中荷载、水平荷载、耐火、疲劳耐久试验。测试结果显示，各项指标均远超设计值。该UHPC地铁内部装配式结构与施工设计将应用于广州地铁十四号线彭边站[11]。 6、施工技术发展中交二航局技术中心联合中国海洋大学、中交 (广州) 建设公司历时3年开展喷射UHPC材料制备、施工工艺与装备研发。2022年10月，所研发的喷射UHPC在广州地铁十二号线官洲站成功得到应用。这次应用示范验证了UHPC喷射施工工艺的可行性，利用UHPC的超高抗渗性解决深基坑开挖过程中传统围护体系易渗漏问题，可大幅度提高基坑施工的安全水平[12]。北京驻地新材料科技有限公司也开发了适合喷射施工的UHPC材料与设备，并成功应用于福建某隧道工程支护。发展完善喷射UHPC技术，不仅能够提高UHPC在永久性支护、维修加固、制作复杂构件等应用场合的施工效率，大幅度提升喷射建造结构的力学性能和耐久性，也为传统喷射混凝土提高质量与性能 (如C45以上等级) 提供可行的技术路线。BRT公交系统荷载大、公交站台等位置频繁启停，运营不久道面常常就出现裂缝、坑槽、车辙等严重破坏。作为城市居民出行“大动脉”，BRT养护维修的窗口时间极短，对维修技术要求极高。针对BRT维修，中铁大桥科学研究院研发了UHPC预制装配快速维修新技术，并成功应用于某城市高架桥BRT站台。新技术运用了UHPC预制、超早强混凝土坐浆、磨耗层预制等工艺，连续3天利用夜间凌晨的窗口期，顺利完成抢修[13]。正在发展的3D打印模型与数字化建造技术，有望用于成型复杂形状和构造的UHPC构件，实用价值和发展前景良好。 7、其他应用技术发展还有一些UHPC新结构、新产品和新应用场景的开发及应用，如铁路接触网支架、景观人行桥、重载路面、大型水箱、防护门、防撞护栏等 (参见第四章)。二、UHPC的标准化工作UHPC标准规范的编制工作在2022年取得许多进展，发布的标准有中国建材联合会和中国混凝土与水泥制品协会 (CBMF/CCPA) 的UHPC标准系列之《超高性能混凝土结构设计技术规程》(T/CBMF 185/T/CCPA 35—2022) ；广东省建设工程绿色与装配式发展协会标准《超高性能混凝土 (UHPC) 预制楼梯》(T/GDCSDA 2—2022)；中国公路学会标准《公路桥梁超高性能混凝土加固技术指南》(T/CHTS 10066—2022)。交通部行业标准《钢-高韧性混凝土组合桥面设计与施工规范》 和中国勘察设计协会标准《 超高性能混凝土桥梁技术规程》完成专家审查，进入报批阶段。2023年1月11日，工业和信息化部公布2022年团体标准应用示范项目，由中国建筑材料联合会与中国混凝土与水泥制品协会 (CBMF/CCPA) 联合制定发布的《超高性能混凝土预混料》(T/CBMF 96—2020/ T/CCPA 20—2020) 入选团体标准应用示范项目。新的一批UHPC标准正在编制和立项。在编的CBMF/CCPA 标准有：《超高性能混凝土幕墙工程技术规范》、《超高性能混凝土加固既有混凝土结构技术规程》和《超高性能混凝土用减水剂技术要求》。清华大学提出编制《超高性能混凝土工程质量及验收规范》和《钻芯法检测超高性能混凝土强度技术规程》，中交第二航务工程局有限公司提出编制《超高性能混凝土喷射施工技术规程》，在2023年1月立项进入CBMF/CCPA标准编制计划，将由提出单位负责、CCPA-UHPC分会组织编写，欢迎相关单位参与编制工作，为高水平完成标准编制贡献力量。此外，还有几个标准在立项准备阶段。 UHPC的标准化工作在向细化、专项应用方向发展，在不断建立和完善UHPC技术体系。三、中国UHPC市场规模与产业发展现状 1、市场规模根据相关企业通过“2022年UHPC工程与产品应用调查表”和“2022年UHPC用量统计表”提供的用量数据，以及CCPA-UHPC分会收集的其他项目信息统计，2021年12月～2022年12月中国UHPC用量超过8.2万立方米，其中大部分使用UHPC预混料，约为12.2万吨。此外，中建产研院完成2.2万立方米超高强混凝土 (> 120MPa) 工程、超高强混凝土电杆等，抗压强度属于UHPC水平，但抗拉性能未知，故没有纳入UHPC用量统计。 因这次统计时间比上年度推迟1个月，统计的是13个月的用量，折合月平均用量约6300m3。2022年未完工项目只计入已完成量。统计量只包含获得的数据，会有遗漏，是不完全统计，但包含中国主要UHPC企业数据，反映了UHPC行业概况。与2021年相比 (月平均用量约5800m3)，2022年中国UHPC用量有增长，但增幅不大 (不足9%)，主要原因之一是疫情导致许多工程延误或推迟开工。 2、产业发展2022年UHPC用量分布为：桥梁48%，建筑23%，其他 (电力、市政、维修加固等) 29%。在桥梁应用中，59% UHPC用于钢-UHPC组合梁或复合桥面 ，完成桥面面积超过29.2万平方米；22%用于结构连接 (湿接缝)，19%用于预制构件。建筑应用中，预制构件用量约45%；幕墙用量约55%，完成幕墙面积超过31.7万平方米。过去十几年间，中国在桥梁方面的UHPC应用技术和标准规范不断取得进步，桥梁也成为基础的UHPC应用市场。更重要的是，UHPC在桥梁上的应用实践正在改变了人们的观念，因为UHPC的单方价格是普通混凝土的十倍以上，不少人过去完全不相信UHPC有工程应用市场。随着桥梁结构研究深入和设计优化，UHPC的性能得到更好地发挥和利用；施工方法进步、效率提高及应用规模增大，都有效降低了UHPC桥梁的造价，有些UHPC桥的综合造价已经接近甚至低于传统材料和结构的桥梁 (参见第四章)，UHPC桥梁还有节材低碳、更耐久耐用、低或无维养费用等优势。有理由相信，UHPC会在新桥建设、旧桥修复与加固升级中得到更多更广泛应用。2022年UHPC应用中，非桥梁类应用有所增长，建筑、市政、隧道等UHPC构件和维修加固应用已经起步，前期的设计研发工作开始产生效果，也为以后应用增长打下良好基础。在风电、核电、防护工程领域，正在开展应用UHPC的技术准备工作，将为UHPC产业注入新的发展动力。来源：CCPA-UHPC分会，本文分（上）、（中）、（下）三次发布，待续。原创文章，未经授权严禁其他平台及个人进行摘抄、复制、粘贴及转载等行为。欢...