解决方案与案例

  当上个世纪九十年代初，湖南大学的邵旭东教授以8万块人民币一吨的价格，从国外买回来少量的钢纤维用作UHPC试验研究的时候，或许没有人会想到，在短短近30年的时间里，中国交通领域对这种新型材料的研究和工程应用所取得的成效，不仅对解决大跨预应力混凝土箱梁梁体开裂下挠问题和推动高性能UHPC桥梁结构的应用具有重大实际意义，同时对国内外UHPC发展应用拥有非常良好的引导及推动作用。

  前不久，在广东省建成的英德北江四桥和中山西环高速两个项目中，分别建成了跨径102米和105米的UHPC简支箱梁桥，超越了马来西亚跨径100米的UHPC简支梁桥。

  作为国内唯二的大跨径UHPC公路简支箱梁桥（跨径超过100米），102米UHPC简支箱梁桥纵向采用大箱梁式小节段干接形式拼接施工，105米UHPC简支箱梁桥纵向采用小箱梁式大节段湿接拼接施工。建筑设计企业保利长大工程有限公司二公司总工刘志峰在接受《桥隧产业》杂志采访时表示：“UHPC能进一步减小构件的几何尺寸、减轻结构自重、提高结构抵抗使用负荷的有效性与增大桥梁结构的跨越能力。大跨径预应力混凝土梁桥中引入UHPC解决了主梁自重过大、主跨过度下挠和梁体开裂等问题。这两座桥涉及不同大块件拼接施工，其意义和代表性比较强，具有指导性。”

  从国际视角来看，在过去的20多年时间里，UHPC在美国、欧洲、东亚、东南亚都有比较好的发展的新趋势。在桥梁工程方面发展最为迅速，其中美国在UHPC华夫型桥面板、UHPC预应力π形梁、UHPC湿接缝、UHPC 加固桥面等方面开展了研究和工程实践，目前应用UHPC的桥梁已达约350座，其中将UHPC作为现场预制RC构件的连接接头材料最为广泛；瑞士最早在2004年开始应用UHPC进行桥面板修复，到2020年应用了接近150座桥梁；法国于2001年建成了世界上最早的UHPC公路桥；马来西亚是将UHPC应用于桥梁上部主受力结构最多的国家，2010～2020年期间，已建成了超过120座桥。此外，UHPC在房屋建筑领域以装饰、造型等公共建筑的围护结构为主，也包括一些如楼梯等建筑部件、建筑小品等，得到了较好的发展。

  而在研发起点稍稍落后的中国，UHPC一经被引入，即引起了学界的普遍兴趣。清华大学土木工程系教授，结构工程研究所所长樊健生对《桥隧产业》介绍说：“国内关于超高性能混凝土的原材料、生产的基本工艺、养护方式、力学性能、耐久性能、水化微观结构等进行了许多研究。在研发过程中，也不断总结成果和经验，近年来形成了以《活性粉末混凝土》 (GB/T31387-2015)和相关行业协会标准为代表的相关规范标准。”

  随着研究的开展，UHPC所展现的超高强度和超长耐久性受到了工程界的关注，国内院校、研究机构和公司进行了极具建设意义的尝试和探讨，并逐步展开尝试性应用。

  首先，在材料的研发中，进行了河砂、海砂、风积砂或粗骨料对骨料的替代，以及不锈钢纤维、PP纤维或玄武岩纤维对纤维的替代等相关研究，针对不同应用场景，开发出低收缩类、免蒸养类、防火类和结构类等不同品类UHPC材料。

  桥梁工程领域：在传统的桥面铺装和结构接缝应用场景之外，桥梁主体、桥梁防撞以及防护加固等方向也有较大进展。

  电力工程领域：除在电杆、电力沟槽和电房中的应用，其在风力发电领域的陆上塔架和深海基础中，也取得较大突破。

  地下工程领域：在水下盾构隧道管片和综合管廊隔仓板中，慢慢的开始尝试新的应用。

  建筑工程领域：除传统的外幕墙应用，其在叠合楼板、梁、预制楼梯、装配式卫浴间和艺术家居等领域的进展，也十分值得关注。

  国防工程领域：UHPC在装配式营房、指挥所、弹药物资储备所等一线战略工事，以及重要建筑物、机场或公路的抗爆、抗侵彻中的研发应用，均有不同程度的进展。

  长年专注于UHPC在钢桥面铺装领域应用的中路杜拉国际工程股份有限公司总工田月强告诉《桥隧产业》，UHPC作为目前全球范围内最先进的纤维水泥基复合材料，在普通混凝土和钢结构的应用场景中，只要能找到其经济性替代、安全性提升或行业痛点的消除等切入点，均可采用UHPC进行替代。世界各国研发至今仅不到30年，但其受关注程度和研发进展却超乎想象，慢慢的变成了了行业内的热点。

  近10年来，UHPC在国内的研究和应用也同样进入快速上升期，目前仍在快速地发展中。预计在今年9月份合龙的580米主跨的钢-UHPC组合混合斜拉桥（UHPC组合梁+混凝土梁）佛山富龙西江特大桥，则是进一步证明了国内在UHPC结构设计方法和相关施工工艺方面取得了较大进展，也预示了UHPC在国内桥梁领域不断拓展应用场景范围的趋势，包括UHPC预应力箱梁、UHPC拱桥、钢-UHPC组合桥、钢-UHPC组合桥面系等。

  “随着佛山富龙西江大桥的建设，UHPC在广东桥梁的推广应用已成燎原之势。”广东省公路学会专家委员会主任陈冠雄说。

  曾几何时，UHPC作为新材料、新产品刚被推入市场时也面临过来自多方面的质疑。“因为很多人并不真正了解，会以为混凝土强度等级为C150的UHPC是一种非常脆的材料，不便于施工。”邵旭东教授如是说，“而且，新材料应用在工程建设项目上的效果到底如何，是需要一些时间来检验的，这种风险极高的事情，很少有人愿意为此承担相应的责任。就像我们生病了去看医生一样，因为身体是自己的，所以我们肯定想找最好的医生来医治。”

  而随着各科研院所和桥梁行业的研发、应用，终于促成了UHPC从实验室中的星星之火，逐渐演变成可以影响一省乃至全国行业发展的燎原之势。

  时至今日，中国已有超过130座桥梁采用UHPC材料，其中约有50座桥梁整体的结构（主梁、拱圈等）采用UHPC材料。2015年，中国颁布《活性粉末混凝土》设计规程，明确了UHPC的定义、制造方法、测试方法和质量控制。这使得UHPC不再是尚在开发中的建筑材料，而是成为能够正常的使用的建筑材料。

  最艰难的时刻已逝去，随即面临的问题是，如何在快速地发展阶段保有可持续性的发展活力，让UHPC在更大范围的桥梁工程建设项目上被采用?

  樊健生认为，UHPC应用中经常被质疑单价较高、施工工艺复杂、规范等配套体系尚不完善等。具体表现为，材料单价较高、性能稳定性不足、不蒸养情况下收缩较大、湿接缝区域构造复杂、预先制作的构件加工和现场连接施工不便。他表示：“这些困难，既有技术层面的问题，一定要通过企业和科研单位共同努力克服改进；但另外很大部分问题或困难，则需要全行业携手，在政策、规范，特别是行业认知等方面不断加以改进发展才能克服。例如，从全寿命周期综合效益成本角度分析，UHPC的经济性在很多工程中将会具有很大优势。”

  持同样观点的田月强从更大范围的市场推广的角度，提出了5点UHPC在研发和生产中的改进建议：

  对比早期，UHPC的成本虽然已一下子就下降，但仍是一种昂贵的建筑材料，限制了其大规模的推广和应用，因此，需要研究和开发更为经济的UHPC，以及改进生产的基本工艺，降低生产成本。

  目前，UHPC的材料标准，包括团体标准、行业标准及国家标准均相对完善，但结构设计、实施工程技术、质量检验、工程验收标准尚不完善。虽然中路杜拉国际工程股份有限公司主持编制的《无腹筋预应力超高性能梁桥技术规范》包含了结构全过程技术标准，但是其标准等级低，指导面窄，影响力有限。可喜的是，由湖南大学主持编制的《公路桥涵超高性能混凝土应用技术规范》、《钢-高韧性混凝土组合桥面设计与施工规范》交通行业技术标准近期将颁布实施。UHPC的加快速度进行发展，与完善的行业和国家层面的技术标准推进息息相关，完善的技术标准，是促进UHPC加快速度进行发展的关键一环。

  UHPC虽然是一种水泥基材料，但与普通混凝土或钢纤维混凝土存在很大区别。例如，UHPC的搅拌设备需要更高的搅拌能和更高的搅拌速度；UHPC的水胶比低，外界外因易对UHPC质量产生较大干扰；UHPC包含较高体积掺量的钢纤维以及成倍于普通混凝土的收缩等。这些特点均需要较为精细的施工工艺控制。

  随着市场和工程规模扩大，UHPC的产能需要引起足够的重视。当行业考虑UHPC逐步发展时，就必须与普通混凝土作对比，需要着重考虑增加UHPC的生产线和设备，提升UHPC产能。同时需要确保供应链的稳定性和可靠性，以满足大规模工程建设项目的需要。

  UHPC材料从发明到现在时间很短，其在市场上的应用还相对有限，对大部分的行业主管领导、结构设计师、技术人员、作业工人以及监督人员还很陌生。因此，加强对整个行业产业链上人员的培训和教育，提高他们对UHPC材料应用的理解和能力，是促进更广泛的市场推广和工程应用的一项重要工作。

  在工程应用的层面，站在工程一线的刘志峰在采访中向《桥隧产业》分享了成功修建UHPC桥梁的经验和思考：“我们要认识到，材料性能与结构性能不能画等号。优异的材料性能，必须合理地应用于结构中，才可以最大发挥UHPC的性能优势；另一方面，也应该结合结构性能要求，进一步调控UHPC的性能，降备成本。”

  尤其是，UHPC不同于传统高强混凝土或纤维混凝土，不是传统意义上的高性能混凝土高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。因此，在结构设计中，也不宜仅仅利用UHPC的高抗住压力的强度，简单地将传统箱梁截面做等比例折减。因此，后续的工程中应考虑结合UHPC的力学性能，发展以高安全性能、高施工性能、高使用性能、高耐久性能、高维护性能和高经济性能等为特征的高性能结构体系创新，实现UHPC的高效利用。

  同时，UHPC作为一种新型工程材料，现阶段工程设计和性能检验测试都是参照普通混凝土规范进行，现有设计体系不能充分的发挥UHPC性能方面的优势，相应的计算方式也不完善，应尽快编制相关的规范。

  保利长大公司自2010年始，陆续完成了清远北江四桥UHPC钢桥面铺装（12000m2）、英德北江四桥102米跨径UHPC箱梁桥（2800m3）、中山西环高速105米跨径UHPC箱梁桥（780m3）、联石湾双层新型正交异性钢桥面一体化设计及UHPC铺装工程（26000m2）、A301军事工程（3800m3）等相关项目，并根据项目工程实际的需求，对配套设备做不断的更新迭代。其中，现已完成了新一代UHPC预混精细生产装备、全封闭高效环保变频湿拌装备、首创全断面摊铺整平一体化装备、设计基于LoRa技术的自动化数控高温蒸养装备等施工设备的研发。为同行业提供较为可靠、具有参考价值的施工经验，为国内外UHPC的研发提供实践支撑，更为国内外UHPC发展应用起到良好的引导及推动作用。

  “UHPC在桥梁工程上的应用场景范围逐年扩大，这让我们对于未来突破常规材料在结构上的痛点和难点抱有更大的期望。”陈冠雄在面对《桥隧产业》记者的采访时这样感慨道。

  土木工程作为一门工程应用学科，其发展要一直地在工程结构设计、工程实践、检验纠偏和实践验证几个步骤进行重复，通过不断的试错和纠偏，促进其加快速度进行发展。中国作为“基建狂魔”，有着国外所不具备的工程应用实践机会，有变成全球一流乃至世界领先的先天优势。

  近两三年来，在全国范围内慢慢的变多的大跨径桥梁采用了钢—UHPC组合结构作为整体的结构，从南京长江五桥开始，到占林黄河大桥、德余高速乌江大桥、已开工建设的湖北百里洲长江大桥、观音寺长江大桥、兰州桑园子黄河大桥，其用量较桥面铺装大幅度提高。

  其中，樊健生教授参与建设的桑园子黄河大桥70m跨引桥，采用UHPC华夫型桥面板和钢桁架组合结构，华夫板四点支承于钢桁梁上弦杆节点处，尽可能实现钢桁架理想受力模式。该结构及形式在国内尚属首次，可充分的发挥钢桁架和UHPC华夫板自重轻的优势，节约用钢量。在施工工艺上，钢桁架可整体顶推，华夫板在工厂预制，现场铺装，有效提升了施工效率。

  UHPC材料的出现对于桥梁行业的发展具备极其重大意义，它能够更好的降低桥梁的自重，提高混凝土结构的耐久性，实现在超大跨径桥梁、钢桥面铺装、预先制作的构件拼装、抢修等桥梁工程领域的应用。另外UHPC材料在油气管道、核工业、市政设施建设工程、国防工程领域均有良好的应用前景。

  同样需要我们来关注的是，公路危桥改造、加固将是未来公路桥梁建设的一个重要方向，而UHPC的性能特征也将在这一领域内发挥重要作用。

  田月强表示，在中路杜拉参与的广东旧桥改扩建项目中发现，目前普遍采用的粘贴加固体加固修复手段，存在易脱落、受力协调性差和受力机理不明确等问题，而采用的加大截面法加固修复手段，则存在加固体自重大、难以施工和加固修复效果欠佳等问题。

  UHPC作为水泥基材料，能轻松实现加固体与被加固体同寿命，同时其与老旧混凝土的结合面粘结力可超2MPa，能轻松实现粘结界面强于母材。在危桥改造中，通过先进的无腹筋预应力设计理念、经济性的组合断面和标准化的结构及形式，以及上部结构自重的大幅度降低（30%-60%）而带来的对下部结构的节省，能轻松实现与常规结构在经济性上的竞争力。在加固应用中，UHPC的经济性大多数表现在巩固材料对原结构常规使用的寿命的大幅度的提高与常规使用的寿命覆盖，及结构承载力的大幅度的提高，通过一次加固实现全寿命周期的经济性。

  总体而言，通过对UHPC发展脉络和现状的观察和采访，桥梁行业对于UHPC的发展前途持普遍乐观的态度，认为UHPC工程实践的效果，为今后的桥梁建设带来了极其丰富的想象空间，相信随相关主管部门的关注和扶持力度的增加、行业对UHPC领域研发力度的不断加大、中国制造业的全面发展、工业设施和生产的基本工艺的升级、UHPC材料实现国产化、工程应用的范围扩大等有利因素的叠加，在自重和恒载减轻的情况下，更大跨径的梁桥、拱桥和斜拉桥的可能性在进一步放大，中国桥梁建设将向着高质高效的方向快速地发展，中国桥梁技术的创新发展也将随之取得更加丰硕的成果。