超高性能混凝土应用成本分析与控制

滕 达 万小锋

（中铁建安工程设计院有限公司，陕西 西安 710032）

0 引言

1993年，法国布依格公司（Bouygues Group）研发出活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）并申请了专利。1994年，法国学者De Larrard等将这类新材料命名为超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称“UHPC”）。UHPC的基本原理是利用超细粉料、纤维和特殊的水泥基材料，通过优化配合比和高压高温养护，形成致密的微观结构和均匀的宏观结构，从而实现超高的力学性能和耐久性能。

创新、低碳、绿色环保、可持续是时代发展的主旋律，也是先进水泥基材料UHPC发挥作用的大舞台。UHPC可实现工程结构轻量化、节材减碳建造及免维护超长服役寿命，可解决工程建设中的部分痛点难点问题，引领水泥基材料产品、结构性能大幅度提升或升级换代。本文就目前国内UHPC的应用情况进行分析，并对其中影响UHPC成本的主要材料进行梳理，并提出控制成本的一些思路。

1 UHPC国内外应用现状

UHPC在国内外桥梁工程中已经有了广泛的应用，例如主梁结构、拱桥主拱、华夫板桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等。除了桥梁工程，UHPC还可以应用于建筑构件和幕墙、工业建筑、维修加固、水利工程抗冲磨等领域。

加拿大魁北克建有世界上第一座UHPC人行桥——Sherbrooke人行桥，由于UHPC的使用，结构自重大大减轻，并有效抵抗了当地严冬零下40℃条件下的反复冻融侵蚀。日本是亚洲使用UHPC较多的国家之一，日本不仅应用UHPC建造高层住宅，而且用其制造预应力混凝土桥梁、预应力混凝土桩、桁架、管、电杆等。

我国经过近30年研究与技术发展，UHPC在桥梁、建筑、维修加固等领域的应用已卓有成效并初具规模，材料、设计与施工的标准及规范技术体系正在逐步建立和完善。UHPC已在很多工程中得以成功应用，例如北京大兴国际机场、中山联石湾特大桥、青藏铁路等。如今，我国已成为世界上UHPC应用开发与创新最具活力的国家之一，UHPC正在成长为一个新兴且具有生命力的产业，并伴随其发展逐步形成完整的产业链。

2 UHPC应用中面临的挑战

2.1 成本

与传统混凝土相比，UHPC仍然相对昂贵，既表现在各组成成分的材料成本居高不下，也表现在严格的生产工艺、复杂的生产过程和高难度的施工过程等方面。其中，UHPC的材料成本占总成本约57%，施工及养护成本分别占约31%和12%。

2.2 配合比设计

UHPC的配合比设计直接影响其力学性能，也会影响施工应用的工艺参数。UHPC各种优异的性能是内部各组分通过复杂的反应形成的。为控制成本、保证施工性能，需要对配合比进行深入的研究。

2.3 标准和规范

为便于UHPC的结构设计及推广应用，过去10多年中，法国、日本、美国、瑞士、中国等相继已制定并颁布了UHPC材料及结构设计的技术规程及指南；但相对于传统混凝土而言，其结构设计理论还需不断完善。

3 UHPC拌合物的典型配合比

UHPC拌合物的典型配合比范围如表1所示。

表1 1m3UHPC拌合物的典型配合比[1]

4 UHPC材料成本分析

4.1 胶凝材料

UHPC所使用的胶凝材料主要有水泥和硅灰，除此之外还通常包含有粉煤灰、矿渣、石英粉等材料。UHPC含有大量水泥，通常是高标号硅酸盐水泥或硅酸盐水泥比例高的混合水泥。UHPC的强度主要来自于水泥成分中的硅酸二钙和硅酸三钙，而铁铝酸四钙对强度的贡献有限，铝酸三钙的水化反应需水量较高，因此宜设法降低铁铝酸四钙和铝酸三钙的含量。

硅灰是一种超细颗粒，堆积在水泥颗粒的空隙中，以提高UHPC的密实度，降低孔隙率；硅灰可以与水泥水化产物发生二次反应，生成更多的钙硅酸盐水化物，增强UHPC的强度和耐久性；硅灰还能改善UHPC的工作性和流动性，减少混凝土内部的缺陷和应力集中。硅灰的价格数倍于水泥的价格，每吨价格在2000元以上，但由于其所具有的重要作用，曾被认为是不可取代的组分。国内有研究对使用粉煤灰和矿粉代替硅灰进行了讨论[2]；也有研究指出，当水泥充分磨细后，所形成的超细水泥可以代替硅灰用于UHPC的制备[3]。

4.2 骨料

石英砂是一种常用的UHPC 细集料，其价格在700元/t左右，与其他优质骨料相比价格不算高。国内有研究采用河砂（约350元/t）代替石英砂[4]，一定程度上降低了UHPC的制备成本和制备工艺难度，替代的意义更主要体现在降低对自然环境的破坏方面，具有一定实用性，仍在进一步研究中。

4.3 钢纤维

UHPC 通常包含钢纤维以提高其韧性和延展性。UHPC所使用的钢纤维对纤维长度、长径比、纤维抗拉强度等性能都有明确的要求。钢纤维是UHPC材料成本中最昂贵的部分，价格高达10000元/t以上，占到了总成本的35%以上。

目前，还没有找到完全能够替代钢纤维的材料，但有一些研究正在探索使用其他纤维或添加剂来改善UHPC的性能。例如植物纤维[5]或碳纤维、玻璃纤维等人造纤维来替代或部分替代钢纤维；有些研究使用水玻璃、膨胀剂或泡沫剂来调节UHPC的孔隙结构和密度。

UHPC的其他组分，如胶凝材料、骨料和外加剂等，都属于通用的优质材料，虽需择优选用导致成本升高，但升高幅度有限。而降低钢纤维的成本则能显著降低UHPC的成本，其中改善纤维的分布方式、提高纤维的增强增韧效率是关键所在。

4.4 外加剂

UHPC的配制需要使用一些高品质的外加剂来保证其性能和质量，例如，减水剂可以使混凝土的流动性更好，提高其可加工性和耐久性；消泡剂可以在混凝土制备过程中有效降低混凝土表面的气泡，提高混凝土的密实性和耐久性。一般而言，高性能的外加剂价格相对较高，但由于用量较少，所以对成本的影响不显著。需要注意的是，选择低成本的外加剂并不一定能降低生产成本，反而可能会降低混凝土的性能和质量。因此，在选择外加剂时，需要综合考虑其性能和成本，选择性价比最高的产品。一些高品质的外加剂虽然价格相对较高，但可以提高混凝土的性能和稳定性，降低维护成本，因此在建造高端建筑物和重要工程时，使用高品质的外加剂可以提高工程的质量和安全性，具有较高的成本效益。

5 降低成本的途径

UHPC单位产品的成本较大，也与应用规模相对较小有关。随着使用范围的扩大，规模的扩大，配套设备和管理的升级，必然带来生产成本的下降。

（1）原材料优化。使用本地材料替代进口材料、使用实惠的材料替代昂贵的材料。例如利用粉煤灰等材料部分替代水泥、采用其他的超细颗粒代替硅灰、使用植物纤维取代人造纤维等。

（2）配合比设计。根据所采用的原材料优化配合比的设计，也可对UHPC高昂的材料及应用成本起到显著的改善作用。另外配合比也直接影响到材料拌合施工的和易性，有助于控制材料的施工与养护成本。

（3）完善标准体系。在技术的不断研发和创新的基础上，制定更完善的标准可以促进UHPC的规范化生产和使用，从而推动技术的普及和成熟，增加市场竞争，促进技术进步，降低生产成本。

（4）提高生产效率。采用更高效的生产工艺可以减少制造成本。例如控制原材料配比、调整加工工艺和生产线的运行参数；提高生产线的自动化程度；选择质量稳定的原材料，并对原材料进行充分的筛选优化；采用标准化生产、预制件工艺等降低材料浪费。

（5）扩大生产规模。目前UHPC的产业体量太小，难以形成材料的大量需求，无法吸引上游供应商扩大生产。随着UHPC的研究和推广，将逐步实现有效的市场竞争，提高品质，降低成本。

6 结束语

目前，我国的UHPC产业仍处于起步阶段，市场规模较小，但有着巨大的发展潜力。在下一步的应用过程中，应致力于提升UHPC材料设计的准确性，进一步降低生产及应用成本，使UHPC能够适应各种各样的应用环境，在我国的工程建设中发挥更大的作用。