田月强，杜 钊

（中路杜拉国际工程股份有限公司 广州 510627）

0 引言

随着科学技术的发展，新型材料不断地被引入到工程建设行业。超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）自 1993年被提出以来，以其超高的强度和超高的耐久性得到各国学者和工程师的青睐。1997年世界上第一座UHPC 步行桥在加拿大魁北克省的Sherebrooke 市建成，应用结构形式为70 m 跨径的钢管混凝土组合结构桥面及拱体。超高性能混凝土在桥梁结构上得到应用后，各国开始在不同道路等级，不同桥梁跨径、部位进行大胆尝试。

2009年，中国在迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中，首次建成 UHPC 预应力简支 T 形梁［1］。随后 UHPC 在桥面、桥梁接缝、主体结构等桥梁结构中的应用逐步展开。2011年，广东省肇庆市马房大桥将UHPC 应用于桥面维修加固项目中［2］。2018年，广州市北环高速公路沙贝立交F 匝道加宽项目采用了预应力（无腹筋）UHPC 简支工梁结构体系。2019年，广州市花都区花都大道（机场北进路口至红棉大道）扩建改造工程K1+845 人行天桥采用预应力（无腹筋）UHPC 简支π型梁装配化施工。

由于UHPC 材料具有高强度，高韧性的特点，UHPC 桥梁的上部结构自重较轻，截面面积较小。在UHPC 桥梁结构外观纤细美观的同时，施工精度要求也大为提高。如何保证UHPC 的制造质量，解决UHPC 与常规混凝土结构在经济性上的竞争力，是现阶段UHPC在桥梁工程应用上的主要问题。论文针对这些问题，开展UHPC 桥梁标准化生产制造和规模化生产制造研究，为UHPC 桥梁的快速推广提供一些参考。

1 UHPC材料

超高性能混凝土其前身被称为活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC），是法国布依格公司（Bouygues）率先研发的一种超高性能水泥基复合材料，并申请了专利。由于RPC 是一种专利产品，带有一定的商业色彩。为避免商业侵权以及更好地对这种材料进行研究和发展，1994年，法国学者De Larrard等将这类新材料称作超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）［3］。

UHPC 的主要组分包括石英砂、水泥、硅灰、钢纤维、高效减水剂等。通过3 种经典的最大堆积密度模型（Horsfield 模型［4］、Aim ＆ Goff 模型［5］、Stovall 模型［6］）进行配合比设计，减少水和空气在其内部的填充比例，最终获得理论上密实度最高的材料，从而实现低水胶比、低孔隙率，达到超高强度和超高耐久性的目的。

超高性能混凝土的主要特点有：

⑴超高的强度

UHPC 其强度远超普通混凝土及高性能混凝土，具体指标如表1所示。

⑵超高的耐久性

基于UHPC 的配制机理及低水胶比特性，即密实的结构与“零”游离水，使其具备超高的耐久性。具体指标如表1所示。

表1 RC、HPC、UHPC 指标对比Tab.1 Comparison of RC，HPC and UHPC Indicators

⑶较高的材料韧性

UHPC 的一个显著特点，即掺入较高比例的短细钢纤维，使其断裂能可达到20 000～40 000 J/m2，与普通混凝土相比，抗折强度高一个数量级，断裂能高两个数量级以上［7］。

⑷良好的流动性

UHPC 的跳桌流动度达200 mm 以上，其工作性能更接近自流平混凝土，即使在薄壁或异型构件的制作中，其均能较好的充盈到模板各处，制备出质量上乘的构件。

2 UHPC桥梁结构

采用UHPC 材料的桥梁结构与普通混凝土材料的桥梁结构相比，具有明显的结构性能优势，主要有：

2.1 上部结构重量轻

由于UHPC 强度高，在相同荷载情况下，其桥梁结构的截面面积小，高跨比降低。较少的UHPC 材料用量使得UHPC 桥梁结构重量较轻（同等常规混凝土结构自重的40%～60%），使得UHPC 桥梁结构在抗震设计和抗风设计方面具有明显的优势，同时也给桥梁结构的预制化施工、吊装等工作带来方便。

2.2 下部结构和基础造价低

由于上部结构重量轻，相应的其传递给下部结构的荷载较小。下部结构和基础的设计要求大为降低，从而大大节省了施工成本。高跨比降低后，对于多跨桥梁，具备减少整体桥梁体量的可能，进而可以进一步降低造价。

2.3 耐久性好

UHPC 材料的密实度远高于普通混凝土，UHPC桥梁结构具有良好的耐久性和耐腐蚀性，适用于海洋工程、耐腐防护等环境要求高的情况。

2.4 有利于大规模装配式制造施工

UHPC 自身的高抗压和优于普通混凝土的轴拉性能，使大幅削减或消除普通钢筋进行结构设计成为可能，进而减少工艺环节，降低作业人员在UHPC 桥梁构件制造过程中的参与度，使机械自动化施工率得以提高，具备实现大规模装配式制造施工。

3 UHPC产业发展

从1997年以来，清华大学、湖南大学、同济大学、武汉理工大学、东南大学、福州大学、中南大学、石家庄铁道学院和北京交通大学等单位在制备材料国产化、降低生产成本及地方化方面做了积极有益的探索，实现了UHPC 国产化的目标。

在研究的过程中，由于UHPC 水灰比极低，胶凝材料用量大，粘度问题导致UHPC 流动性不足，出现施工效率、施工强度均无法实现规模化生产的问题。国内外学者［8-16］针对如何降低UHPC 粘度、增大流动度开展了大量的研究，通过优化配比、引入高效聚羧酸减水剂，制备出跳桌流动度在200 mm 以上、标准养护28 d 或90℃热养护2～3 d，抗压强度超过150 MPa的UHPC［17］。这些工作为UHPC 的大规模工程应用铺平了理论道路。

20 世纪90年代，由于UHPC 应用范围小以及上下游供应链的不完备，其材料成本和制备成本高昂，导致应用案例较少，多为试验或研究性质。21 世纪初，经过全球各个国家近十年时间的开发，以及矿物粘料和强塑剂的应用进步，使得UHPC 的制备和生产变得更加容易和经济，上下游产业链得到长足的发展，全球各个国家开始逐步在工程领域展开应用，并逐步实现了UHPC 的商业化。

4 UHPC生产制造的标准化和规模化

解决好UHPC 桥梁构件的施工工艺问题和降低造价，其最根本的办法就是实现标准化和规模化生产制造。标准化生产制造，旨在通过规范、固定的生产工艺流程，确保施工质量，消除施工质量差异性，可以通过标准化的生产制造，获得质量可期的UHPC 桥梁构件。规模化生产制造，旨在通过规模效应，获得持续的生产经验积累，以及对上游的议价和下游生产成本的控制，获得UHPC 桥梁构件质量提升的有利条件，具备与普通混凝土构件经济性相当、富有市场竞争力的产品。

4.1 标准化的生产制造

UHPC 作为一种新型水泥基复合材料，虽然其是由“保持搅拌与成型工艺方法尽量接近现有普通混凝土工艺方法”的理念开发得到，但其原材料的质量控制、UHPC 材料的搅拌、UHPC 构件的生产和 UHPC 构件的安装等均与常规混凝土有很大的不同。因此，标准化的生产制造是保证UHPC 构件质量的必由之路。

基于UHPC 超高强度所设计的桥梁构件，结构轻巧、板件纤薄，对施工质量要求极高。因此，标准化的生产基地和标准化的生产流程，是实现UHPC 桥梁构件设计意图、确保施工质量的主要手段。

4.1.1 标准化生产基地

标准化的生产基地，是指完全依照UHPC 桥梁构件生产流程和施工工艺要求，进行规划建设的专业生产基地，在根本上实现标准化生产和规模化效应的手段。图1给出了某UHPC 桥梁构件生产基地总体布置。

图1 UHPC 桥梁构件生产基地总体布置Fig.1 Overall Layout of UHPC Bridge Component Production Base

从图1可以看出生产基地按照生产流程，主要分为以下5 个主要功能区：钢筋生产中心、UHPC 搅拌中心、构件生产区、构件蒸养区和构件堆放区。下面分别介绍各功能区的特点。

⑴钢筋生产中心

此外，这里特别针对社工组织中一线社工的“双重角色”进行说明。一线社工所扮演的“双重角色”指的是专业服务提供者的角色和行政管理者的角色。从组织生存和发展的角度来讲，具体可以体现为：最终决定开展何种服务往往是行政指标的要求和服务对象的需求评估相结合；一线社工需要承担组织初期发展所需各项制度的建立和完善；除了专业服务的文书外各种通讯记录、新闻稿件的撰写等等，即社会工作实践很可能渗透着行政判断和程序而非完全是社会工作者的专业判断，这些尤其值得反思。

钢筋生产中心为钢结构棚架，主要功能包括钢筋的存放、加工。

⑵UHPC 搅拌中心

UHPC 搅拌中心采用钢结构外包，配置2 套6 m3搅拌主机，以及辅助设施及系统，主要功能包括原材料存放、UHPC 搅拌。

⑶构件生产区

构件生产区采用钢结构棚架覆盖，根据生产基地主要产品类型，设置先张法和后张法节段梁生产区。

⑷构件蒸养区

构件蒸养区采用钢结构棚架覆盖，设置蒸汽锅炉，在UHPC 桥梁构件静养、湿养结束后，移运至蒸养区，进行蒸汽养护。

⑸构件堆放区

构件堆放区用来存放完成全部施工工序，待运出厂的UHPC 桥梁构件。

标准化生产基地是依据施工工序及施工流水节拍特点建造。在UHPC 搅拌中心、构件生产区和构件蒸养区可采用钢结构棚架覆盖，避免温度、雨水、大风对UHPC 搅拌、运输、浇筑等施工环节的不利影响。

4.1.2 标准化生产流程

标准化的生产流程，是指为保证UHPC 材料质量、UHPC 拌合物性能指标、UHPC 构件质量以及流畅生产工艺顺序，所制定的一套生产流程。严谨高效的生产流程是UHPC 生产的灵魂，可以在标准化生产基地的基础上确保生产质量和提升生产效率。图2给出了UHPC 桥梁构件生产流程。从图2中可以看出UHPC 桥梁构件按照生产流程主要包括模板施工、UHPC 搅拌、UHPC 浇筑和构件养护4 个模块。

图2 UHPC 桥梁构件生产流程Fig.2 UHPC Bridge Component Production Flow Chart

⑴模板施工

UHPC 模板采用大块钢模板，需精细化模板加工控制，确保模板加工尺寸精度，匹配度好，模板支撑牢固可靠。由于UHPC 最大组分为石英砂，且其工作性能优异，其对模板的严密性要求极高；UHPC 桥梁构件尺寸较普通混凝土构件纤薄，对模板加工精度要求极高。

⑵UHPC 搅拌

UHPC 拌合物在拌制过程中，需对其工作性能、温度、钢纤维分布情况进行严格控制，使其能够满足构件浇筑需求，并最终获得质量可靠的桥梁构件。在拌制过程中，在主要的工艺节点，按照一定的要求，控制其工作性能（跳桌流动度试验）；采用可靠的降温手段，控制拌合物搅拌完成后的温度；按照《钢-超高韧性混凝土轻型组合结构桥面技术规范（湖南省地方标准）：DB43/T 1173-2016》附录 D 中的方法，检测钢纤维分布情况。

⑶UHPC 浇筑

在获得工作性能指标合格，钢纤维分布均匀的拌合物后，结合构件预应力布束、构件构造、搅拌站拌和能力、运输距离、总预计浇筑时间，选择适当的浇筑位置，进行UHPC 的浇筑。

UHPC 的浇筑需连续，间隔时间不宜过长，采用附着式振捣器振捣，振捣器位置需根据桥梁构件结构，合理布置，不宜采用插入式振捣器。

⑷UHPC 构件养护

构件的养护分为2 个阶段，静置养护和高温蒸汽养护。浇筑完毕后，静置UHPC 构件，根据UHPC 材料的强度上升情况以及材料收缩指标，选择合适的时机，拆除模板。拆除模板后的UHPC 构件，置于阴凉位置1～2 d，完成静置养护工作。在封闭的养护棚内，通高温蒸汽，按照2 d 90℃或3 d 80℃的标准，进行构件的养护。

4.2 规模化的生产制造

工业化使人们认识到，规模优势会使成本下降。具备高性能材料和高效的桥梁构件的前提下，如果要做到具备市场竞争力，只有加大产量，使复杂的生产变得更有效率，精细的生产更有保障。规模优势理论的本质是，你生产的商品越多，你就能更好地生产这种商品。标准化的生产制造是建立在稳定、规模化的生产前提之下，而规模化生产制造是标准化生产的载体。只有实现规模化生产制造，才能提升UHPC 经济竞争力，进而实现UHPC 桥梁的快速、大规模的推广。

经济性上的竞争力，决定着UHPC 在桥梁工程应用的成败，因此，在现阶段，实现规模化的生产制造，是降低施工成本进而提升结构经济性、稳定桥梁构件产品质量的一个有效途径。基于竞争力的考虑，降低UHPC 材料供应商的价格和降低生产成本，是最直接的手段。

4.2.1 具备议价能力

目前，国内专业的UHPC 材料供应商较少，例如减水剂、钢纤维等，且价格较高，究其原因，主要包含两个层次问题，其一是部分UHPC 材料供应商，自身也在从事UHPC 产品或构件的生产，为保护自身利益，打压其他UHPC 构件生产从业者，有意提高价格，削弱竞争者的市场占有率，再者，由于UHPC 产业体量过小，UHPC 构件需求少，不能够吸引上游供应商通过大规模生产降低其成本。

规模化的生产制造，可以有效解决以上两个问题，首先，规模化生产解决了桥梁构件分散制造的问题，将UHPC 桥梁构件的生产，集中向具备生产优势的规模化企业引导，使UHPC 材料供应商逐步退出下游构件生产领域，回归UHPC 材料供应商。其次规模化的生产制造，带来UHPC 材料的大量需求，可以吸引更多的UHPC 材料供应商进入该领域，实现有效的竞争，提高品质，降低成本。

4.2.2 具备降低生产成本的可能

现阶段，UHPC 桥梁构件更多处于学术研究范畴内，试验性创新型结构，是被提及最多的概念，标准化、经济性的研究，往往被忽视，这对于一个产业的发展是不利的。

UHPC 在工程结构应用时，有些是简单的替代性应用，即保持结构形式基本不变，仅用UHPC 替代普通或高性能混凝土，或替代钢材。另一些则是强调结构或造型的创新。以上两个应用方向，均不能将UHPC推向规模化和标准化，因此，在接受UHPC 材料的同时，在结构理念上进行重新的思考，才能真正将UHPC桥梁构件引入实质性的大规模应用。

基于世界上应用案例最为丰富和最为成功的马来西亚，借鉴其在桥梁构件中的设计理念，转化为标准的桥梁构件设计，实现规模化的生产制造，具备降低生产成本的可能。为此，针对不同的桥梁跨径，提出标准化的桥梁构件设计，缩减构件类型，为规模化生产提供可能。

中小跨径作为桥梁构件的主要跨径范围，该跨径范围内的UHPC 桥梁构件应用，才具备规模化应用的可能。利用UHPC 超高的力学性能的同时，兼顾整体结构的经济性，采用UHPC 主梁与RC 桥面板的组合截面形式，能够带来较好的经济性能，同时，统一的断面形式能够有效地提高容错率，提高结构效能，降低施工难度。图3和图4给出了比普通钢筋混凝土桥梁更具经济性的工型和U 型梁方案断面示例。

图3 30m 跨径以下（含30m）工型梁方案Fig.3 Schemes of I-beam below 30m Span（Including 30m）

图4 30m 跨径以上U 型梁方案Fig.4 Schemes of U-shaped Beams over 30m Span

5 结语

超高性能混凝土是一种具有高强度、高耐久性、高韧性和高流动性的新型建筑材料。由于UHPC 桥梁结构构件纤薄，施工质量要求高，原料价格相对较高，导致较难在市场大规模推广应用。论文根据UHPC 材料和构件的基本特点，给出了UHPC 生产制造的标准化和规模化解决方案。随着UHPC 研究和工程应用的不断深入与增加，使UHPC 真正在中国的大地上生根发芽，服务于广大人民群众。