超高性能混凝土预制构件的研究与应用现状*

黄兴启，张大伟，刘凯强，明阳，李玲，陈平，张国志，陈飞翔

（1. 山东高速铁建装备有限公司，山东 潍坊 262600；2. 桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；3. 中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

量、提高效率、提高建造速度、减少人力投入、降低成本等方面都有很大的意义和优势[2]。本文将从 UHPC 预制构件的材料组成、结构设计及工程应用等方面对目前UHPC 预制构件的研究与应用现状进行简单介绍。

1 UHPC 预制构件材料组成

UHPC 作为当今建筑行业重点研究的一种颗粒级配达到最优的水泥基复合材料，具有超高强、超韧性、超耐久性的特点。通常选用优质的水泥、活性较高的矿物掺合料、超细活性粉末（一般用硅灰）等作为胶凝材料，同时选用不同级配的细集料，掺入一定量的钢纤维，在极低的水胶比与高效的减水剂作用下制备而成。其中添加高活性的矿物掺合料是为了取代一定量水泥，降低生产成本，提高固废的资源化利用。使用超细活性

0 引言

混凝土预制构件的理念早在 1917 年由法国的建筑师查尔斯·亨利·贝斯纳德与工程师朱利安·皮埃尔·贝特朗·贝索诺共同研究并提出，通过“使用预制的钢筋水泥材料实现快速建造过程”这一创新技术，建造了人类历史上首座预制钢筋混凝土。从此，利用混凝土预制构件技术在大型公共建筑、集合住宅等领域有了不同程度的应用。同时，关于预制构件的标准化探索及工业化、轻质化的建造理念也开始了不同程度的发展和应用[1]。近年来超高性能混凝土（UHPC）出现并快速发展，已成为许多专家学者研究的热点与重点，其不但突破了水泥基材料的性能，还拓宽了许多应用领域的边界。UHPC 预制技术在工厂掌控条件下生产加工，在确保质粉末是利用其粒径小的特点，填充在较粗颗粒的堆积空隙中，以期改善拌合物的流变性，同时达到养护龄期后能有效提高 UHPC 强度。为了 UHPC 成型时的流变性和后期强度，目前骨料主要选用不同级配的石英砂，可根据需求寻找可代替的细骨料，如回收处理的碎玻璃、陶粒等。纤维主要用于增强 UHPC 的延展性和抗拉伸性，但由于纤维容易堆积，故对拌合物的流动性有一定的不良影响，而其类型对 UHPC 材料力学性能的影响很小。低水胶比为了减少孔隙率，提高力学性能。视工程需要及成本能耗等原因选择不同的养护方式[3]。

目前在双碳背景下，随着专家学者对 UHPC 不断的研究，利用固废资源制造绿色建筑材料的理念已深入人心，这也使得 UHPC 的组成材料多样化，根据 UHPC预制构件的用途可选择不同的制备材料。当下研究较多的胶凝体系材料有不同型号水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣、玻璃粉、石灰石粉、偏高岭土、石英粉等，目的是基于颗粒紧密堆积理论，寻找一种使结构能够更加密实，力学性能、耐久性与体积稳定性等满足基本要求的材料，并且能够降低成本的矿物掺合料。

2 UHPC 预制构件结构设计

目前对于 UHPC 预制构件结构设计的相关团体、行业标准历时六年（2015～2021）已经编写完成，尚未发布，包括中国建材联合会标准《超高性能混凝土预制构件生产技术规程》和《超高性能混凝土结构设计技术规程》等。最早进行 UHPC 标准化制定的国家是法国，在 2018 年发布了 UHPC 的材料、设计和施工一系列全面的标准[4]。本文根据法国的 AFGC/SETRA 标准，简要介绍 UHPC 构件的设计方法。其中主要包括三个方面：一是对制备的 UHPC 性能进行检测；二是对所需的 UHPC 构件进行设计和分析；三是对 UHPC 的耐久性做一定的考量。除此之外，还要考虑不同构件种类的尺寸效应系数和纤维分布造成的折减系数[1]。

国内的一些学者在结构设计方面也进行了不同程度的研究。湖南大学的童汉元[5]基于修正压力场理论建立了预应力 UHPC-T 梁的抗剪分析模型，该模型能够模拟抗剪加载全过程的受力变形，充分考虑在弯耦合作用下结构抗剪性能的变化。该理论中主要对跨比、箍筋纵以及预应力等因素进行了考量，结果表明相关假定是合理的，修正压力场理论适用于分析预应力 UHPC 梁的抗剪承载力。其还将实验结果与各个标准结果进行对照，结果表明建议公式能够较好地预测预应力 UHPC 梁的抗剪承载力，该建议公式也为 UHPC 梁抗剪设计提供一定的理论依据。北京交通大学的张明波[6]通过试验，运用非线性全过程分析的方法，结合现有钢筋混凝土和预应力混凝土设计理论，进行理论论证和计算分析研究，提出预应力 RPC 梁的承载力计算方法、设计方法以及相应的设计理论及参数。为预应力 RPC 梁的承载力分析及合理设计提供了一个有效手段。洪彩葵[7]基于传统施工模板的设计原则和荷载组合，从 UHPC 预制构件的自身特点、工程要求以及荷载组合参数修正等方面对桥梁预制构件进行结构设计，UHPC 的各项性能指标均能达到预期要求。欧阳娜[8]对 UHPC-NC 组合构件界面结合面处进行有限元模拟研究，提出基于粘聚力和抗剪强度的 UHPC-NC 界面强度计算式，在接触分离模型上构建 3D 有限元计算模型并提出拟合数据，可为后期有限元计算提供参考。张青青[9]等基于 KCC 模型，在已有 UHPC 材料静动载试验结果上，分别标定 KCC模型的强度面、状态方程及损伤参数，使其能准确地描述 UHPC 构件在强动载条件下的动态力学响应，为后续建立 UHPC 构件抗爆炸冲击的数值模型奠定了一定的理论基础。

3 UHPC 预制构件工程应用

3.1 UHPC 预制构件在装配式建筑中的应用

用于装配式建筑的 UHPC 分为两类：结构类和装饰类。结构类 UHPC 包括预制构件与浆锚搭接，装饰类UHPC 有建筑外墙等。UHPC 在装配式建筑中的一个重要应用形式就是 UHPC 预制构件，目前主要用在国内的阳台、走廊、楼梯等装配式建筑中。在国外也有结构柱和结构梁的应用。虽然 UHPC 预制构件能够很好地满足装配式建筑的工程质量，但是 UHPC 在装配式建筑中的发展受到制约，是因为其成本较高，力学性能和耐久性也远超出对装配式建筑的要求，而且不能够较好地减少自身的自重。其广泛应用还需 UHPC 设计理论体系的完善[10]。丹麦在此类工程中有着非常好的应用，我国也应该在装配式建筑领域发展 UHPC 预制构件的设计、生产、安装等相应标准规范[4]。UHPC 预制构件在装配式混凝土结构建筑外围护也有一定的应用，像外墙饰面预制构件、造型装饰外墙、UHPC 外墙、光伏一体化外墙、夹心保温外墙及再生混凝土外墙等[11]。随着装配式建筑快速发展，装配式建筑预制外围护构件的质量与创新面临新的挑战。只有不断地适应时代的需求，紧跟国内外装配式建筑行业的发展现状，才能让 UHPC预制构件在我国装配式建筑发展中有更广泛的应用。

3.2 UHPC 预制构件在桥梁拼装施工中的应用

中路杜拉公司在 2018 年建造的广州北环高速扩建 F 匝道桥，是中国第一座无筋预应力体系 UHPC 桥梁，该桥 UHPC 结构的预制梁具有预制化、轻型化、跨越能力好、施工便捷、成本低的特点。在 2019 年建成的南京长江五桥和湖南益阳青龙洲大桥也采用了预制 UHPC 桥面板，在工厂进行 UHPC 湿接缝、钢箱梁连接，制成钢—UHPC 组合梁。其中南京长江五桥的UHPC 预制板由中交二航局负责生产，在 UHPC 预制构件生产的各个过程中要求更进一步的自动化、高效化、品质化[4]。黄西轩[12]等人针对严酷条件下阈值拼装桥墩的受力特性，提出了一种具有震后快速恢复功能的钢—UHPC 组合节点的装配式桥墩预制构件。钢—UHPC 组合节点由Ⅰ型钢柱、C30 混凝土和Ⅰ型钢构成的组合梁、摩擦阻尼器和 UHPC 板、加劲板组合的连接件构成。针对设计构件的抗震性能，进行低周期加载试验，重点分析结构的开裂模式、应力状态、耗能比例等抗震性能评价参数。结果表明钢—UHPC 组合节点的装配式桥墩预制构件具有一定的抗震性能。史华伟[13]通过对UHPC 在桥梁全预制拼装施工中的应用分析，提出在运输或安装过程中对预制构件成品保护，在安装前对预制构件安装质量的控制，保证施工的质量。UHPC 作为新型水泥基材料，其超高强度、高韧性和低渗透率的特点，在未来将赋与桥梁工程强大的优势，被广泛应用于桥梁工程中。

3.3 UHPC 预制构件在建筑幕墙或外立面的应用

UHPC 预制构件在建筑幕墙或外立面也有较多的应用实例。如 2018 年落成的深圳悦彩城展示中心，是中国第一个由弧形镂空板和弧形实心板在 UHPC 预混料喷射下建成的 UHPC 幕墙。余杭文化艺术中心幕墙所用的 UHPC 板以预混料浇筑成型，生产速率可高达 700平方米/天，是当前中国 UHPC 领域应用最大的工程项目。上海音乐学院歌剧院具有装饰性的幕墙采用 UHPC预混料浇筑而成，具有工作性能优异、浇筑造型良好、操作便捷、成本低的特点。温州瓯江路景观项目外立面也是用 UHPC 预混料浇筑而成的 3D 镂空幕墙[4]。结合目前 UHPC 预制构件的发展和应用来看，UHPC 预制构件在建筑幕墙或外立面的应用较为普遍。

4 总结

UHPC 在国内经过二十多年的发展，目前已经涌出不少专于 UHPC 的研究团队，主要集中在部分高校、企业中，已成为中国 UHPC 技术和应用发展不可或缺的力量。与此同时，预制混凝土以其独特的生产工艺，及具有施工速度快、经济成本低、材料利用率高、碳排放少、绿色环保等特点，逐渐取代传统的混凝土现场浇筑方式。UHPC 预制构件在两者的优势结合下有了新的应用前景。目前 UHPC 预制构件生产应用大部分是在住房与公共建筑用的墙板、楼板、楼梯、梁、柱、阳台等及具有装饰性的幕墙等方面。由于产品的标准化程度低，原材料成本高，UHPC 预制构件自重问题有待解决等，很大程度上制约了其普遍应用[14]。虽然 UHPC 预制构件项目经济优势大、有很好的发展前景，但是项目生产也存在规模大、所需土地资源也大的问题，因此要根据生产工艺要求，结合当地自然情况，以节约用地、经济合理、环保卫生、安全生产为原则，对 UHPC 预制构件的生产进行合理规划[15]。同时我们应从材料本身的特性着手，结合绿色建材的理念，针对不同的应用场景需求，将 UHPC 预制构件朝着工业化、多样化、标准化的方向发展。