本报告是CCPA-UHPC分会成立后撰写的第五个中国UHPC年度发展报告 (2019～2023)，记录和概要介绍2023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。
本报告是CCPA-UHPC分会成立后撰写的第五个中国UHPC年度发展报告 (2019～2023)，记录和概要介绍2023年中国在UHPC领域 (UHPC包含超高性能纤维增强混凝土UHPFRC、活性粉末混凝土RPC 和超高韧性混凝土STC) 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。总体上，2023年中国UHPC研究与技术开发活动在增加，UHPC应用场景和领域在扩大，用量在增长。UHPC应用突破和创新亮点包括：风电塔筒应用实现零的突破；钢-UHPC组合梁、桁架梁等新结构发展与应用；用免拆模板提升工程施工的安全与效率；超大体积桥梁结构成功施工；在役桥梁快速维修和加固；助力建造新一代超低能耗建筑；新产品如公路防撞护栏改造升级护板、工业屋面瓦、预应力幕墙板，等等。一、UHPC研究与应用技术发展1、研究发展趋势在中国知网 (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 (2001-2022) 每年在中文期刊发表的论文数量和硕士博士论文年度数量增长趋势见图1a和1b。图1：以RPC、STC和UHPC为主题的中文论文年度数量 (2001-2022，知网查询)三峡大学、福建理工大学团队统计了UHPC 相关的国家级资助研究项目和中英文文献增长状态，见图2a和2b；分析了UHPC 相关研究的分布 (见图3)，分析表明：“UHPFRC 研究主要聚焦在工程应用、材料科学和施工技术三个重点领域，占所有研究的78%。本构关系是工程应用和材料科学的核心问题之一。学者们围绕 UHPFRC 本构关系已开展了大量研究，但研究结果呈现出方法各异、形式多样、结果各有优劣、适用场景各不相同的特点。”[1]在世界范围，2007年以来UHPC 相关的学术论文数量急剧增加。如图2b所示，2022 年发文量达到了 2007 年的 9 倍以上，估计其中超过一半是中国贡献的，因为英文论文中有不小的比例来自中国的科研与技术人员。UHPC研究的活跃度越来越高，加入研究的人员越来越多，研究向更大的广度和深度发展，加速了技术进步与积累，有力地支撑了UHPC工程应用、创新和产业发展。图2：超高性能纤维增强混凝土 (UHPFRC) 研究现状[1]图3：UHPFRC 相关研究分布分析[1]2、材料、试验方法研究与绿色评价材料研究国内期刊2023年发表的论文，关于UHPC材料制备和性能研究，所尝试的原材料种类繁多，包括纳米碳管、纳米偏高岭土、纳米氧化铝、低热和中热水泥、秸秆灰、空心玻璃微珠、玻璃粉、钢渣粉、钢渣尾泥、陶瓷抛光废料、膨润土、膨胀珍珠岩砂 (轻质砂)、再生砂、风积砂、陶砂、碳化硼骨料、高钛矿渣、铬铁渣等；使用的纤维包括聚丙烯 (PP) 纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、超高分子量聚乙烯 (UHMWPE、HDPE) 纤维、聚甲醛 (POM) 纤维、玄武岩纤维、铣削型钢纤维、回收轮胎钢纤维等，以及纤维混杂使用。下面摘要介绍几篇论文：长沙理工大学和湖南德习湘栋科技公司研发了具有足够施工时间的超早强UHPC。采用硫铝酸盐-硅酸盐水泥复合体系 (SAC-OPC体系)，借助早强组分 (硫酸锂、硫酸铝)、增强组分 (纳米碳酸钙)、调凝组分 (粉体缓凝剂、四硼酸钠)，制备了初凝时间36min、3h抗压/抗折强度 41.4/17.0 MPa，以及初凝时间40 min、3 h抗压/抗折强度36.2/13.9 MPa的超早强UHPC。[2]中交一公局四公司和中交公路长大桥建设国家工程研究中心，试验研究了矿物膨胀剂、塑性膨胀剂单掺和双掺对UHPC工作性、抗压强度和自收缩的影响，以及对UHPC早龄期收缩的补偿效果。结果表明，单掺适量的矿物膨胀剂可显著降低 UHPC硬化后的自收缩，氧化镁类和 CSA 复合膨胀剂对抗压强度影响较小，氧化钙类和HCSA复合膨胀剂略微降低了28d抗压强度；单掺塑性膨胀剂对UHPC扩展度和初凝时间基本无影响，可有效抑制UHPC塑性阶段的收缩，但对28d抗压强度有不利影响；双掺适量塑性膨胀剂与CSA复合膨胀剂时，塑性与自收缩显著降低，抗压强度也降低，强度略低于两者单掺。早期开裂试验和环约束试验表明，调控后的UHPC抗裂性能较好。[3]佛山市建盈发展、佛山交通科技公司等单位，试验研究了粗骨料掺量与细骨料种类对 UHPC 力学性能及收缩的影响。结果表明，随着粗骨料掺量的增加 (0~800kg/m3)，UHPC 抗压强度先提高后降低，静力受压弹性模量几乎呈线性提高；粗骨料 掺量为0~200kg/m3时，UHPC 的抗弯拉强度变化较小，粗骨料掺量在200~800kg/m3范围增加时，UHPC 的抗弯拉强度明显降低；随粗骨料掺量的增加 (0~800kg/m3)，UHPC的收缩逐渐减小。[4]同济大学研究了超低温下UHPC受弯力学性能演变及其本构关系模型。试验测试在不同温度 (20°C、0°C、-20°C～-170°C)下UHPC受弯力学行为，构建低温下受弯本构模型。结果表明，UHPC 的初裂和峰值抗弯强度分别从 10.4 MPa 和 19.3 MPa (20°C) 增至 19.3 MPa 和 42.5MPa (-170°C)；UHPC 脆性则随温度降低而先减小后增大，分别在-80°C和-170°C呈现出最小和最大脆性。线性-非线性本构模型的具有较好的预测精度。该研究对于UHPC在低温、超低温环境中应用具有重要意义。[5]试验方法在改进完善UHPC相关的试验测试方法方面，下列研究值得关注：UHPC单轴拉伸试验，也称作直拉试验，是分析UHPC抗拉性能和直拉本构关系的基础材性试验，为进一步保证直拉试验成功率，三峡大学、福州工程学院和福州大学采用试验研究和数值模拟的方法，系统分析了常见的 4 种试件连接方式和 3 种试件局部加强方式对试验成功率的 影响，比选出最优试验方法。结果表明，面内夹持装置具有连接可靠、操作简单的优点，适合推广。但夹具的尺寸加工误差或微变形可能导致其与试件的接触面变窄、加剧夹持引发的试件应力集中，致使主裂纹位于测距范围之外；试件与夹具的接触区域进行柔性加强 (粘贴碳纤维布) 和刚性加强 (粘贴铝片) 均能有效解决上述问题，提高试验成功率。[6]河海大学和苏交科集团试验研究UHPC的劈拉破坏特征，采用了数字图像相关 (Digital Image Correlation，DIC) 方法非接触观测裂缝演化，同时结合声发射 (Acoustic Emission， AE) 技术对 UHPC 的破坏全过程进行动态监测，并基于DIC应变云图、AE 参量分析试件的破坏特征。该试验与分析证明， DIC 法进行试件变形测量，可以获得连续的变形数据，完整地捕捉裂缝的开展演化过程；基于 RA-AF 值分析，可以快捷、有效地判断混凝土中裂缝的开展类型。[7]UHPC与普通混凝土 (NSC) 的界面黏结强度较高，往往高于普通混凝土的抗拉强度，导致界面粘结性能测试时容易发生基体失效，不能准确评价界面性能及其影响因素。针对这个问题，山东大学和哈工大提出了基体约束加强的方法，将失效位置控制在UHPC-NSC界面，测得真实的 UHPC-NSC 界面黏结强度，可以有效分析NSC表面粗糙度或构造、表面状态等因素对界面粘结的影响。[8]UHPC的绿色评价内蒙古科技大学研究采用生命周期评价 (LCA) 方法构建UHPC碳排放定量分析模型，对比分析钢-UHPC 桥面板与常规钢-混桥面板结构在全生命周期内的碳排放。结果表明：虽然生产阶段 UHPC 的碳排放量约1245. 84kg CO2 eq/m3，是普通混凝土的1.58 倍，但从性能上来说，UHPC碳强度是普通混凝土的62.25%，是一种更绿色的建材；在整个生命周期内，与常规钢-混桥面板相比，钢-UHPC桥面板的年均碳排放量下降了35.76%，具有巨大的碳减排潜力，有助于基础设施的可持续性发展；钢-UHPC 桥面板方案具有工程比选优势，经济性合理，同时其单位产值碳排放为0.89t CO2eq/万元，是常规钢-混桥面板的 86.41%，具有更好的减碳效果。[9]3、装配式钢-UHPC组合梁桥创新与应用湖南大学邵旭东教授为本报告介绍了他们团队研发的两个钢-UHPC组合梁桥新结构及应用，如下：型钢-UHPC组合梁 (π梁，外接型钢)型钢材料具有无需焊接、成本低、施工方便、抗疲劳性能强等优点。但常规组合梁采用型钢时，梁高受型钢高度限制，且型钢上翼缘不能充分发挥作用，因而实际工程中很少采用型钢组合梁结构。对于型钢-UHPC组合梁结构，可以打破原有思路，将主梁腹板分为采用型钢和UHPC两部分，如图4a所示，这样做组合梁高度就不再受型钢高度的限制，且在正弯矩作用下，将型钢全部置于高拉应力区，充分发挥了钢材的性能；低拉应力区由UHPC腹板承受，利用UHPC的应变硬化性能，试验表明，当UHPC腹板下缘出现0.05mm可视微裂纹时，其名义拉应力可达30MPa。长沙市某高架桥J匝道桥采用了上述方案 (图4b)，目前正在施工中 (图4c)。主要技术指标：桥梁跨径30m，宽8.5m，横向由2片型钢-UHPC组合梁组成，预制梁宽4.15m。组合梁高1.8 m，其中UHPC 主梁高0.9m，H型钢高0.9m，型钢采用HN900×300，单片梁吊装重量91t。每平米桥面的材料用量：钢 112.9kg，UHPC 0.22m3。图4：型钢-UHPC组合梁钢-UHPC组合箱梁长沙市同一高架桥G匝道桥原设计为跨径41m简支钢箱梁 (图5a)。因该方案现场施工工序较多，对桥下既有城市主干道影响大，后变更为钢-UHPC组合箱梁 (图5b)，矩形钢箱顶部桥面板由8mm钢板+100mm厚UHPC板组成，无纵肋，悬臂部分则由120mm厚纯UHPC板构成。组合箱梁在桥址附近预制，分2片吊装就位 (图5c)，之后结构部分只需浇筑一条纵缝，对桥下主干道交通的影响减至最低。主要技术指标：桥梁跨径41m，宽9.0m，横向由2片钢-UHPC组合箱梁组成，预制梁宽4.4m。组合梁高2.2m，单片梁吊装重量119t。每平米桥面的材料用量：钢 315.5kg，UHPC 0.12m3。图5：钢-UHPC组合箱梁上述两座装配式钢-UHPC组合梁桥由中铁五局总包，中交公路规划设计院有限公司设计，湖南大学UHPC桥梁研发团队主持新结构研发，湖南中路华程桥梁科技股份有限公司负责UHPC部分的施工。4、建筑应用研究浙江宏日泰耐克新材料科技有限公司继2022年完成建造余姚市双河装配式UHPC变电站 (见2022年报告)，又对装配化节点连接结构进行优化并经过试验验证，显著提升了构件预制和装配安装的施工效率，进一步完善了该装配式UHPC建筑体系。珠海星杓新材料科技有限公司开发了自有知识产权的预应力大尺寸薄型幕墙板。将预应力技术应用在UHPC重型幕墙板结构中，取消或最大程度的减少背负钢架的使用。经广东省建设质量安全检测总站及华南理工大学土木与交通检测中心检测，该UHPC幕墙板 (包括镂空板) 经受50kg重物、882J能量的冲击后 (按GB/T38264-2019测试，见图6a)，无开裂现象、状态完好，抗冲击性能达到3级 (最高等级) 要求，可承受载荷超过7.5kPa，能满足包括高层、超高层建筑的各种幕墙技术指标要求，大大扩展了UHPC幕墙的使用范围。图6b是浙江宝思博新材料有限公司预制生产的UHPC外墙板实体正在进行抗震试验，经历模拟9.6级地震，仅墙板挂点处出现轻微裂缝，板体完好无损。试验证明，这种轻质、立体 (3D) 构造的UHPC外墙板及其安装锚固节点具有优异的抗震性能。图6：(a) 预应力大尺寸薄型UHPC幕墙板的抗冲击试验 (珠海星杓提供的视频截图) (b) 3D构造UHPC外墙板抗震试验 (浙江宝思博提供的视频截图)在2023年，中国有多个建筑采用UHPC建造外维护墙板，提升建筑质量和节能水平，其中华东师范大学盐城实验中学的示范项目值得关注 (参见第四章)。丹麦在这方面也有很好的发展，得益于对建筑低碳节能要求的提高。在美国2023年举办的“第三届超高性能混凝土互动国际研讨会” (UHPC2023)，丹麦Hi-Con公司Aarup先生介绍，他们在10年前首次被要求提供LCA (Life Cycle Analysis 寿命周期分析) 和EPD (Environmental Product Declaration 环保产品声明)，以前这种要求主要来自挪威、瑞典、荷兰等国家，如今这成为了常规要求。丹麦从2012年开始在许多建筑实施DGNB 评价系统 (Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen 德国可持续建筑委员会评价系统)。这些建筑针对许多参数包括社会、经济、建筑和环境进行评估和打分，根据得分来认证。产品提供EPD，以及建筑有良好的保温隔热性能、较低原材料使用量、无需维护等，有助于获得高分。从 2023 年 1 月起，丹麦对新建筑有一项新的要求——每年每平方米建筑的CO2排放量要低于 12 kg，这个数字包括建筑物的建造 (按 50 年使用寿命分摊) 、运营能源消耗等，并且要逐渐降低，预计到 2027 年会降低到每年9 kg/m2。虽然这个限制对于Hi-Con现在的UHPC产品不是问题，但仍然需要不断改进来满足未来的要求[10]。用寿命周期和可持续发展指标进行分析评价，是发展趋势，有利于UHPC在建筑上应用。限制建筑物建造与运营的每平方米建筑年度CO2排放量，则需要提高围护墙体的保温隔热性能。用UHPC面板 (平板或立体构造) 复合高效能保温层，可设计制造防火-抗裂防水-保温-装饰一体化、轻量化、抗震且超长免维护的建筑围护墙体，是低碳节能、高质量建筑的重要发展方向之一，有很大创新发展空间。5、风电塔筒陆上风力发电降本增效的重要手段是风电机组大型化，与此同时给支撑结构设计和建造提出了更高要求，即适应更高的载荷水平、满足更严格的共振频率要求。上海风领新能源有限公司顺势而为，研发设计UHPC与钢的混合结构风电塔筒，2023年8月开始与苏州混凝土水泥制品研究院有限公司合作，采用UC150等级UHPC预制生产风电塔筒管片，于2023年10月24日在江苏涟水巨石风电项目安装完成了世界第一个UHPC风电混塔——风机轮毂中心高度180m，UHPC塔段高度157.4m (见图7)。这是UHPC新应用也是风电塔架结构性能提升的一个重要突破。2023年8月至12月，上海风领新能源生产塔筒管片使用了35,193m3 UHPC，完成安装50个UHPC风电混塔，成为UHPC用量的主要增长点。有理由相信，随着风电结构对结构强度、韧性和可靠性的要求越来越高，UHPC也将获得越来越多的应用。图7：世界第一个及后续安装UHPC风电塔筒 (上海风领新能源提供照片)6、公路混凝土防撞护栏升级改造交通部2017年发布了行业标准《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)，早期建设的公路混凝土防撞护栏存在防撞等级不能满足现行规范要求的情况。根据交通部2019年发布的《提升公路桥梁安全防护能力专项行动技术指南》，我国现有大量公路混凝土护栏需要提升改造。针对这一需求，浙江宏日泰耐克新材料科技有限公司与宁波市交通规划设计研究院有限公司合作，设计开发了预制UHPC护板结构的防撞护栏提升改造装置并获得专利权 (见图8)，用于提升现有混凝土护栏的防护能力。经过国家检测认证机构测试 (各种车型的实车足尺碰撞试验)，现有混凝土护栏安装UHPC护板装置改造升级后，防护能力能够满足2017版标准要求。2023年该UHPC护板装置在宁波杭州湾跨海大桥南岸连接线土建养护工程应用。在北方，混凝土护栏常见的耐久性问题是冻融循环特别是盐水冻融损害，以及盐水引发的钢筋锈蚀。安装了UHPC护板，能够防止道面积水特别是化冰盐水喷溅到混凝土护栏表面，有效保护混凝土护栏，一举两得。图8：公路混凝土防撞护栏改造升级用UHPC护板结构 (浙江宏日泰耐克提供图片)7、水利工程珠江三角洲水资源配置工程是广东省历史上投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水资源调配工程，输水线路总长113.1km，总投资约354亿元。马玉全博士为本报告介绍了，鼎兴土木技术团队与广东省水利电力勘测设计研究院合作，针对该项目设计施工中的问题，应用UHPC并通过试验分析，优化设计与施工方案，如下：UHPC预制免拆模板采用传统方法施工，输水工程的工作井操作层和屋盖现浇混凝土面板的施工过程，支架与模板工程量非常大，且施工风险高、施工速度慢。为解决这个问题，鼎兴土木与设计院一起开发了适用于工作井的UHPC预制免拆模板 (见图9)，提高了施工安全性、保证工程进度要求和工程质量。免拆模板采用立方体抗压强度150MPa (UC150等级) 的UHPC预制生产，操作层用的板厚6cm，屋盖用的板厚4cm，两种板中均配置了钢筋网。根据27块足尺预制板抗弯试验研究结果，UHPC预制免拆模板不配钢筋网也能够满足工程施工要求，配筋则进一步提高了结构的安全性和可靠性。图9：UHPC预制免拆模板 (鼎兴土木提供图片)型钢-UHPC组合结构 (内包型钢)该工程中，工作井设计为超深、圆形大跨度的超常规、异形结构，如何施工和提高耐久性？鼎兴土木与设计院联合研发出一种新型屋盖结构体系——型钢-UHPC组合结构屋盖，成功解决了结构施工、受力、耐久性等多方面的问题。型钢-UHPC组合结构屋盖采用等梁高设计，梁高150cm，上下翼缘宽60cm，内置焊接工字钢，外包UHPC层 (采用UC130等级)，厚5-7.5cm。为深度掌握该组合梁力学性能、验证该结构的可靠性并为后续设计优化提供数据支撑，2023 年6月鼎兴土木技术团队在华南理工大学结构试验室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，组合梁试验直播在业界同仁中引起了广泛关注。试验结果表明，型钢-UHPC组合梁强度、刚度、抗裂性能均满足设计要求，并有充裕的安全储备。图10：型钢-UHPC组合结构屋盖 (鼎兴土木提供图片)8、其他应用技术发展2023年还有一些UHPC新结构、新产品和新应用场景的开发及应用，如工业屋面瓦、桥梁伸缩缝安装和快速维修、旧房加固改造、垂直绿墙模块面板、小盖板、料仓隔仓板，等等 (参见第四章)。未完待续原创文章，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。往期精选▼预制件的革命：钢纤维增强混凝土的优势师海霞一行赴河南省与地方混凝土协会相关领导座谈关于征集协会标准《用于水泥基材料矿物掺合料的铝灰》参编单位的函超高性能混凝土性能至上：工业地坪和工业路面国内首座钢－UHPC组合桁架人行桥（三迳村天桥）简介2023年中国预拌混凝土华中三省大型企业领导人会议在南昌召开超高性能混凝土（UHPC）技术与应用及标准发展的大事年表行业首单 | 金隅混凝土集团首次应收账款ABS发行获得圆满成功关于举办第三届全国UHPC设计定制大赛的通...