《超高性能混凝土研究及工程应用现状与前景展望.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超高性能混凝土研究及工程应用现状与前景展望.docx（10页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、超高性能混凝土研究及工程应用现状与前景展望引言随着社会经济和科技水平的快速发展，混凝土材料作为一种复合建材产品广泛应用于楼房建筑、公路铁路的桥梁和隧道等工程建设中，特别是高层建筑、大跨度建筑的不断涌现，迫使混凝土材料朝着更高强度、更高耐久性和更高可靠性的方向发展。20世纪90年代，法国BoUyUeS公司开发了一种活性粉末混凝土（ReaCtiVePOWderCOnCrete,RPC）,这是超高性能混凝土的雏形，相比普通的混凝土材料，其具有更高的耐久性能、更优异的力学性能等。国外研究人员于1994年提出了“超高性能混凝土（Ultra-highPerformanceConcrete,简称UHPe）的
2、概念，当时主要用来指代RPC,并非现在意义上的UHPC,随后UHPC开始逐渐成为世界各国学者和工业界研究的焦点。相关研究报道主要集中在UHPC的制备、力学性能、耐久性能等方面，但由于其相较普通混凝土的制备工艺更加复杂，原材料要求及生产成本更高，造成UHPC在实际工程应用中的占比非常小。基于此，本文对UHPC的设计原理、物理性能指标、低碳性能、工程应用案例、国内外相关标准等方面进行详细介绍，分析UHPC在应用中存在的不足，并提出其未来发展的方向和趋势，以期为UHPC的发展提供一定的参考和建议。1 UHPC的设计原理对混凝土来说，想要获得更高的强度，需要尽可能地增大原材料的堆积密度。因此学者们先后
3、提出不同的堆积密度模型，包括线性堆积密度、可压缩堆积、悬浮固体等模型。在影响UHPC强度方面，最主要的因素有两个，一是孔隙率，获得低孔隙率的关键是原材料具有高堆积密度；二是微裂纹，如何减少微裂纹的产生和发展决定了UHPe的强度。因此，在保证最大堆积密度和最少裂纹的基础上，提出了UHPC的设计原理：（1）基体堆积密实度最大化。确定UHPC原材料的最佳颗粒级配，实现原材料的最大堆积密度；确定减水剂类型及最优掺量，提高拌合物的工作性能，大幅降低UHPC配制的水灰比。（2）提升基体均质性。去除或减少粗骨料的使用，增加胶凝材料的使用，从而减少骨料的内部缺陷，降低界面缺陷带来的强度减小风险；掺入高活性粉体
4、，例如硅灰或球型粉燥灰，不仅能起到填充和火山灰反应作用，而且能提供浆体颗粒之间的润滑作用，减少浆体中的孔隙；采用高速强制搅拌制浆的方法，并配合振捣灌注成型使浆体变得更加密实。（3）减少微裂纹的产生。在新拌混合物内掺入高强度纤维，如超细钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，用于增加材料的韧性和延性，减少微裂纹的产生；通过给浆体加压，排出浆体中未参与水化的拌合水，从而降低UHPC在硬化过程中产生微裂缝的风险。（4）保持基体体积稳定性。通过添加化学试剂并控制掺量，可以有效控制基体的自收缩；初凝后，采取热养护方式，可促进氢氧化钙与二氧化硅发生反应，优化水化产物分布和形貌，使UHPC在后期服役过程中体
5、积保持稳定。（5）纳米技术改性。近年来，已有大量研究将纳米碳管、超细粉煤灰、超细矿粉、纳米二氧化硅、超细水泥、以及稻壳灰等纳米级材料掺入制备UHPC的原材料中进行改性。研究表明，掺入的纳米颗粒主要起到填充效应、表面效应和小尺寸效应，使UHPC的强度和耐久性能得到显著提高。虽然UHPC的配合比设计有众多理论模型的指导，但是在使用一种或者多种模型对其进行指导时，往往存在一定的偏差，同时由于UHPC成分复杂多样，而且相同成分不同批次之间也存在一定差异,并且随着纳米材料的使用,现有模型已无法满足UHPC材料的配合比设计。因此，根据新时代UHPC的发展要求和现场施工需求，优化现有理论模型，发展新的理论模
6、型，结合实际经验，形成模糊设计模型，从而实现UHPC配合比设计的科学性、定量性、适应性以及可应用性，是UHPC配合比设计理论的发展方向。2 UHPC的性能特点分析（1）UHPC的超高强度。UHPC的抗压强度、抗弯强度、延伸性能及吸能性能等是普通混凝土和高性能混凝土（HighPerfomanCeConCrete）的数倍。UHPC的优异性能除了在原材料选择方面，也很大程度上得益于高温养护工艺，这主要是由于UHPC的水胶比一般不超过0.22,因此其内部存在大量水泥发挥物理填充作用，高温养护工艺不仅可以提高原材料中的高活性粉体火山灰效应，而且可以加速水泥的水化反应程度，使UHPC在微观上更加紧密，强度
7、更高。此外，UHPC存在显著的尺寸效应，虽然尺寸与强度之间尚未形成明确的比值关系，但是国内研究者采用边长40150mm立方体试件测量的强度值高于边长100mm立方体试件测量的强度值数十兆帕。（2） UHPC的优良韧性。混凝土最大的缺陷是脆性大，所以在设计UHPC配合比时可掺入微细钢纤维，大幅提高其断裂能，与普通混凝土相比，其断裂能高两个数量级以上。（3） UHPC的优异耐久性。UHPC无论是在空气渗透系数、氯离子渗透系数还是碳化、冻融等方面的耐久性均优于高强混凝土和普通混凝土。刘斯凤等对UHPC的耐久性进行研究，发现采用高压养护的UHPC置于水中浸泡90d后，其抗压强度仅下降0.5%,而采用标
8、准养护和热水养护的UHPC,其抗压强度不降反增；此外，UHPC的抗碳化性能、抗冻融性能和耐卤水腐蚀能力均表现优异，证明UHPC的耐久性远高于其他水泥基材料。朱猛和王月系统研究了海洋环境下海水侵蚀、冻融循环、干湿循环等单因素及耦合因素作用对UHPC力学性能的影响规律，发现UHPC具有优异的耐久性。UHPC优异的耐久性得益于低水灰比，使其具有高致密度、低孔隙率、纳米级的孔径结构，掺入多种不同粒径的活性掺合料和级配细骨料优化颗粒级配，使混凝土内部缺陷（孔隙与微裂缝）减少，从而提高了UHPC的抗渗性，毛细水和有害离子难以进入混凝土内部。（4） UHPC的低收缩与徐变。UHPC由于自干燥效应导致内部相对
9、湿度较低，发生自收缩效应，使UHPC内部产生微小裂纹，从而影响混凝土结构的使用寿命。采用预制UHPC构件可以避免微裂纹产生，除了在热养护期间UHPC会产生收缩外，在热养护结束后，UHPC基本无收缩现象。此外，掺入钢纤维可以分散毛细管的收缩应力，避免局部应力集中，可有效抑制UHPC的收缩，从而减少混凝土内部微裂纹的产生和扩展，及UHPC裂缝的产生。（5） UHPC的抗高温爆裂性。通常认为混凝土在高温爆裂中的影响具体表现为：混凝土的质量快速流失，使得混凝土内部也处于高温环境中；混凝土的表层碎片化，且碎块四处飞溅；混凝土受力截面的显著减少，引起承载力的下降；在高温环境中，钢筋容易软化，使构件的承载力
10、快速下降，甚至完全破坏。UHPC在制备过程中会掺加大量的有机纤维或者钢纤维，对于其抗高温爆裂性能具有抑制作用。有机纤维会在UHPC中呈现三维乱向分布，并且在温度升高时融化，形成水蒸气逃逸的孔道，使UHPC在高温后仍然有较高的残余抗压强度，同时研究还发现随着温度的升高，残余抗压强度呈现先增加后降低的趋势。UHPC中的钢纤维在高温时，由于其快速导热效应可很好地平衡UHPC内部因为热量传递产生的温度梯度，消除热应力，避免其开裂和碎片化；有研究表明，UHPC经过高温后，其残余抗压强度随着钢纤维掺量的增加呈现先增加后降低的趋势。（6） UHPC的裂缝自愈合性。尽管UHPC具有优异的性能，但长期在严酷复杂
11、的环境中也容易受外部因素的诱导，形成微缝，甚至在持续承受荷载的过程中，微缝也会扩展演化成为有危害的宏观裂缝。UHPC基体结构的致密性和纤维的增韧效应也使其裂缝常以多重微缝的形式存在，同时，UHPC与普通混凝土相比，不仅胶凝材料用量更大，而且水胶比更低，所以有大量未完全水化的水泥熟料和辅助胶凝材料存在于UHPC内部，在遇到水时，会发生火山灰的二次水化反应，生产的水化产物可以有效封闭UHPC的微裂纹，从而使UHPC具有良好的裂缝自愈合性能。（7） UHPC的低碳环保性能。UHPC可实现工程结构轻量化、节约原材料、减少碳排放，拥有免维护的超长服役寿命，是一种低碳环保型材料。在构件设计时，由于UHPC
12、强度高，可以使用比普通混凝土更小的截面尺寸，设计更复杂和更有创新性的截面形状，实现相同的承重能力、跨越能力，最终达到节约材料的效果。所以在同一工程中，采用UHPC时需要更少的水泥量，意味着可以减少水泥的生产量，从而降低能量消耗，减少C02和其他有害气体的排放，对实现建筑行业的节能减排、绿色低碳具有非常重要的意义。同时，UHPC的耐久性能十分优异，设计寿命是普通混凝土的23倍，节约了重复拆除和建造构筑物的人力和物力资源。3 UHPC的相关标准3.1 国外标准国外关于UHPC的标准最早出现在2001年，以下是比较具有代表性的标准和指南39：2001年，法国土木工程协会(AFGC)与土木结构设计管理
13、局(SETRA)率先颁布了UHPC暂行设计指南超高性能纤维混凝土一临时建议，成为最早的相对完善的UHPC结构设计依据；经过10年的应用，根据最新研究进展和工程应用经验进行修订和完善，于2013年颁布了该指南的修订版。2014年，瑞士工程及建筑师学会(SIA)制定并颁布了关于超高性能纤维混凝土(UHPFRC)的SIA2052技术规范超高性能纤维混凝土指南一材料、设计及应用。2015年，加拿大编写了与UHPC相关的标准，分别为CSAA23.1附件U材料和施工方法和SAS6附件A8.1钢纤维混凝土桥梁的结构设计。2016年，法国正式颁布了两份与UHPC相关的标准和规范，一份是UHPC的设计规范对欧洲
14、规范2的补充一一混凝土结构设计：超高性能纤维增强混凝土的具体规则(NFPI8-710),另一份是UHPC的材料技术标准超高性能纤维增强混凝土：规格、性能、生产和一致性(NFPI8-470),对UHPC分类、组分要求、配比要求、测试方法、生产控制以及检验验收等诸多方面做了系统详细的规定。2017年，美国材料与试验协会发布ASTMeI8591856M17超高性能混凝土试件的制造和试验的标准实施规程。此外，还有一些国家如日本、韩国、德国、西班牙、澳大利亚等也都在加紧编制UHPC相关的指南和标准。3.2 国内标准我国关于UHPC的标准最早出现在2006年，以下是比较具有代表性的标准：2006年，中华人
15、民共和国铁道部科学技术司发布了客运专线活性粉末混凝土(RPe)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件。2015年，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准管理委员会联合发布了GB/T31387-2015活性粉末混凝土。2017年，中国电力企业联合会布了T/CEC143-2017超高性能混凝土电杆。2018年，中国建筑材料联合会和中国混凝土与水泥制品协会发布UHPC系列标准，包括T/CBMF37-201gT/CCPA7-2018超高性能混凝土基本性能与试验方法、T/CBMF96-2020/T/CCPA20-2020超高性能混凝土预混料、T/CBMF127T/CCPA222021超高性能混凝
16、土预制构件生产技术规程和T/CBMF128/T/CCPA23-2021超高性能混凝土现场浇筑施工技术规程等。2020年，中国工程建设标准化协会颁布了T/CECS10107-2020超高性能混凝土(UHPC)技术要求，并开展了一系列有关UHPC的规程研究和制订工作。4 UHPC的工程应用在国外，UHPC材料已在市政、桥梁、核电、建筑等众多工程领域得到应用，著名的工程如：1997年加拿大建成了世界上第一座UHPC人行桥；2001年法国建成了世界上最早的UHPC跨线桥；2002年日本建造完成了UHPC人行桥；2002年韩国建成了一座主跨12Om的UHPC拱桥;2007年德国建成了第一座多跨UHPC桥
17、;2010年奥地利建成世界上第一座UHPC公路拱桥。在国内，2005年，在沈阳西科硅有限公司工业厂房扩建工程中，首次采用C140级UHPC制作预应力大体积构件，这是UHPC在我国工业建筑上的首次规模化应用；2006年，我国在迁曹铁路工程中修建了第一座UHPC桥梁，此时铁路工程中的电缆槽盖板是我国UHPC最大的用途之一，UHPC在石武客专河南段和京石客运专线盖板工程中被大量使用；2015年1月，福州大学旗山校区UHPC人行拱桥建成，这是我国首座UHPC人行桥、首座UHPC拱桥，也是国际上第三座UHPC拱桥，同年7月，在石家庄至磁县（冀豫界）公路改扩建工程第XJ-8标段K34+690建成了国内首座
18、UHPC公路梁桥;2016年1月，世界首座全预制拼装UHPC桥梁在湖南长沙正式建成通车，全桥仅有两个桥墩，同年北京鸿锐嘉科技发展有限公司发明了RPC注浆管，这是一种采用了钢丝骨架强化的UHPC材料，并将其用于隧道拱顶带模注浆工艺中；2017年12月，深茂铁路建成了全球首例高铁全封闭UHPC超薄声屏障，不仅满足了结构性能与生态环境保护的要求，而且呈现了UHPC薄壁结构带来的独特艺术美感；2018年5月，蒙华铁路洞庭湖特大桥钢超高性能混凝土（UHPC）组合桥面完成了超高性能混凝土的浇筑，这是世界范围内首次将UHPC组合桥面技术应用于铁路桥梁；2022年，研究人员开始将UHPC应用于高原低气压地区，
19、贾佳等在实际工程应用过程中发现，RPCl20混凝土的气液界面结构明显异于常压地区，在调整外加剂和配合比后，UHPC能在高原低气压环境下实现浇注成型，并保证其力学性能和耐久性指标达到设计要求。5 UHPC存在的问题UHPC经过多年的发展，以其卓越的性能优势在建筑领域崭露头角，也是国内外研究人员科研的焦点。UHPC在国内发展已有20年的历史，其配合比及制备技术已然不再是无法攻克的难题，相关的标准也相继发布，其优异的材料性能得到了大量研究结果的证实和工程应用的验证。但是与普通混凝土的成熟度、规范化、规模化相比，仍然存在较大的差距，具体表现为以下几方面：（1） UHPC的高成本和复杂的工艺仍然是制约其
20、快速发展的因素。在原材料方面，一般采用水泥、级配良好的石英砂、硅灰、高效减水剂、微细钢纤维等，其中，价格昂贵的钢纤维的用量最高可以达到10%左右，所以UHPC的材料成本约为普通混凝土的10倍以上。在养护工艺方面，UHPC通常需要采用高温蒸汽养护、热养护、热水.干热组合养护，其养护工艺免杂，能耗较大，使其养护成本远高于普通混凝土，同时，高温养护方式在现场实施工程中较难实现。在配合比方面，UHPC在制备过程中水胶比较低、硅灰用量较高，因而其浆体表现出粘性大和坍落度经时损失大的缺点，同时水泥用量较高，在浆体硬化后仍然有大量未水化的水泥颗粒，只能起到填充的作用，在后期服役过程中很难完全水化。（2）在大
21、部分标准中，关于UHPC的定义，通常将纤维增强作为必要条件，制约了研究人员对于UHPC研究的想象空间。单独使用纤维作为增强材料制备的薄壳结构，如RPC电缆槽盖板,在使用中经常会出现人员在上面走动造成盖板破损的现象,容易对人员造成伤害，其原因是UHPC结构在冲击荷载下的损伤，但是现行标准中未对UHPC抗冲击性能测试的方法和数值进行规定。而以钢丝网骨架进行增强的制品在抗折性能和抗冲击性能方面有很大的提升，如带模注浆用的RPC注浆管。（3）虽然国内己经发布了大量的UHPC相关标准，并且还有更多的标准、规程在不断地研制和更新中，但是针对UHPC特性一耐久性的标准还不够完善，许多学者在研究UHPC耐久性
22、时直接套用普通混凝土测试方法，如ASTMC1202-22混凝土抗氯离子渗透性能的标准电指示试验方法、GB/T500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法、RCM法、NE1.法、AASHTOT2592002混凝土抗氯离子渗透性能测试的标准试验方法、JTGE30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程等。与普通混凝土不同，UHPC掺入了超细的掺合料以及高强纤维，如钢纤维，这就造成了UHPC在采用普通混凝土耐久性测试方法时，得到的结果误差较大。因为钢纤维的优异导电性能会对与电流相关的测试产生较大的影响，所以造成UHPC耐久性能较差的假象，如测量不掺入纤维的UHPC,其耐久性表现优异，但是
23、与实际应用中钢纤维在UHPC表面层的分布，容易出现纤维端头的腐蚀，出现UHPC耐久性下降的结果不一致。展望UHPC由于具备高强、高韧性、高耐久、低碳环保性以及综合成本低等优点，成为国内外研究的焦点，并且经过近30年的发展在配合比设计、原材料优化、标准建立、工程应用等方面，取得了重大突破。在努力完成“碳中和、碳达峰目标的背景下，如何实现UHPC向更低成本、更绿色低碳，更环保、更广泛的应用领域前进，是UHPC未来发展的重要趋势。结合目前UHPC技术存在的问题，提出了以下几点展望：（1）通过优化UHPC的配合比设计、原材料选择，改善UHPC浆体的工作性，采用价格低廉的固体废弃物替代部分UHPC的原材
24、料，降低UHPC的成本。（2）制定和研究更加科学的养护方式，降低现有养护方式的高能耗和高成本，同时促进UHPC中未水化水泥的水化进程。（3）发展钢丝（钢筋）网骨架增强UHPC和少纤维、无纤维UHPC,不仅能降低UHPC的成本，而且能大大提升UHPC的抗折、抗压强度，这将成为工程应用未来的研究趋势。（4）针对UHPC特性的耐久性评价方法研究和标准还不够完善的问题，应鼓励学术界和工业界不断创新，制定符合UHPC耐久性能测试的试验方法，促进UHPC的实际应用和发展。我们生活在一个资源有限但人口庞大且增长率逐渐减小的星球上。不断增长的人口给地球带来了巨大压力，导致极端天气现象增多，而老龄化人口则在降低
25、劳动力供应的同时带来了额外需求。这些因素导致了一场风暴的出现，包括人口密度增加、基础设施超负荷、供应链产能极限超负荷、自然灾害增多，以及对更环保、可持续、有韧性的基础设施的强烈需求这是保障我们生活质量的至关重要的基础设施，包括清洁水源、卫生设施、人员和货物的运输与住房。从历史上看，我们通过扩大基础设施的容量来解决不断增长的需求问题。显而易见，继续通过扩大容量和消耗有限资源来解决这些问题是不可接受的。在一个迫切要求实行循环经济的世界里，工程师在提供新的技术解决方案，以满足全球对更可持续、更环保、更有韧性基础设施的需求中发挥着关键作用。本文回顾了超高性能混凝土（UHPC）的发展，展望了材料技术将如
26、何满足全球对更可持续和更有韧性基础设施的需求。本文涵盖了未来潜在的UHPC产品/解决方案、制造方法和整体市场潜力。什么是UHPC超高性能混凝土（UHPC）的定义可以广义地表述为一种水泥基复合材料，具有比高性能混凝土（HPC）更强的强度、耐久性和拉伸韧性。UHPC通常使用纤维以提高抗拉裂性能,其规定的抗压强度在28天时至少为120MPa,采用了无机材料多尺度颗粒填充（也可以使用较大尺寸的材料）。该材料基体通常由细颗粒材料（如砂（400m;也可使用较大尺寸的材料）、石英粉、波特兰水泥和硅灰（也可以使用其他非有机矿物填料）等混合制成。该基体通常含有小直径的纤维，直径为12mm0.2mm（也可以使用较
27、大直径的纤维），体积掺量很高，体积掺量范围从1%到5%。纤维类型可以是高碳钢或有机材料（如PoM、PVA、玻璃等）。UHPC的高抗压和抗拉性能也有利于提供高粘结应力，因此大幅度减小普通钢筋或预应力钢筋的粘结锚固长度。与传统RC或HPC一样，UHPC是一系列不同配方的产品，用于不同的应用。这些配方因原材料成分剂量、钢筋和纤维类型以及养护条件而异。尽管UHPC在全球范围内己经研究和开发了超过四分之一个世纪，但与传统混凝土相比，它仍然是一种相对较新的材料。这项技术的使用正在缓慢增加，并在世界各地的许多应用中获得了认可，如桥梁、建筑产品、安全、水/废水、建筑构件等。正是UHPC卓越的力学性能，特别是耐
28、久性和拉伸韧性，无论部署这项技术所面临的挑战如何，其均能为潜在的技术使用者提供了帮助。缺乏UHPC具体的法规和标准、一般从业者缺乏认知和信心，以及关于什么是UHPC的共识是阻碍这项技术实施的一些主要因素。一些司法管辖区己经开始制定UHPC的法规、标准、规范或指南，如美国混凝土协会（美国）、美国材料试验协会（美国）、联邦公路管理局（美国）、加拿大标准协会（加拿大）、瑞士工程师和建筑师协会（瑞士）、法国土木工程师协会（法国）、日本土木工程师协会（日本）、韩国混凝土学会（韩国）、中国混凝土和水泥制品协会（中国）、西班牙科学技术混凝土协会（西班牙）等。大多数这些编写法规/标准的机构以及国家规定机构在他
29、们的文件中都对他们认为是UHPC的内容存在不同的看法.从混凝土的整体历史来看，UHPC仍然是一种非常新的材料,尽管它己经研究了大约40年，并且己经应用了近30年。超高性能混凝土（UHPC）的全球定义可以广义地表述为“一种水泥基复合材料，具有超强的强度、耐久性和拉伸韧性，与高性能混凝土相比，应包含用于抗拉裂性能的纤维或网格，且规定的抗压强度应在28天时至少为120MPa”。全球发展2022年11月，全球人口刚刚突破了80亿的大关，根据联合国的预测，到2050年将达到100亿，并在2080年达到峰值。尽管全球人口继续增长，对地球施加了更大的压力，但增长速度有所减缓，这导致了社会整体老龄化。这种需求
30、增加（更多人口）与供应减少（劳动年龄人口减少）的情况，导致劳动力短缺，将推动对机器人和人工智能（Al）的需求增加。不断增长的人口对我们的星球和老化的基础设施产生了更多的环境需求，而基础设施则提供了社会的生活质量一一清洁水源、卫生设施、人员和货物的流动与住房。尽管人口增长对气候产生的直接和间接影响可以进行辩论，但近年来很明显，地球正经历更多的极端/严重天气事件。严重的天气事件可能超过现有老化基础设施的承载能力，导致损坏和过早的失效。这种需求增长、更严重的天气、老化的基础设施以及减少的劳动力供应的组合为解决这些挑战提供了许多创新机会（见图1）。虽然许多解决方案将是社会性的，但本文将仅讨论基于技术的
31、基础设施解决方案，如再利用、提高韧性和减少能耗。图1全球趋势；挑战与必要的变革以适应机遇未来市场尽管UHPC在全球范围内已经研究、开发和商业化了超过四分之一个世纪，但与传统混凝土相比，它仍然是一种相对较新的材料技术。新的UHPC供应商正在全球范围内不断涌入市场，UHPC正在得到更多早期采用的国家的广泛接受，同时越来越多的新应用不断增长。UHPC卓越的力学性能，特别是耐久性和拉伸韧性，无论部署所面临的挑战如何，为潜在用户提供了帮助和充分的理由。新的和互补技术消除了进入市场的障碍。新的互补技术，如3D打印、机器人技术、人工智能等，提高了UHPC应用的制造效率。采用旋转浇筑、喷射浇筑、挤压和半旋转成
32、型等浇铸技术提供了技术协同作用。通过技术协同作用的组合产生了比各部分之和更大的结果（1+12）以下是一些适用于UHPC材料的应用场景，突出显示UHPC的性能为推动和发展提供了强大的优势：超长跨度桥梁500英尺：美国联邦公路管理局（FHWA）己经开发了一种300英尺的桥梁设计，马来西亚的Dura公司已经生产了300英尺的桥梁。通过进一步优化和后张拉,使用UHPC的清晰跨度将会增加。高而细的建筑物：UHPC已经用于高楼的剪力墙中的柱子和连接梁。高强度允许更细的柱子，从而促进了更高的建筑物，并改善了楼层的利用率。在剪力墙中使用UHPC连接梁和改进柱子的韧性，有助于优化的抵抗风力和地震荷载的横向体系。
33、标志性形状：从UHPC开发的早期，建筑师们就利用这种材料创造了薄、弯曲、多孔的立面、遮阳篷和棚架，具有高度的美观表面效果。通过取消钢筋，UHPC为建筑师提供了新的设计自由度。空心杆、桩和管：采用旋转铸造、振动压实和离心力方法生产了空心圆形元素，旋转铸造的预应力空心管己经在高灯杆中得到大量应用。海上浮动结构：UHPC非常适合抵抗严酷的海洋环境，包括盐蚀、冻融、磨损和碰撞风险。这种套筒式UHPC系统可以为设备提供所需的保护。高安全性：由于其坚韧的基体，UHPC对于恐怖主义或意外冲击具有很高的抵抗力。该材料己用于保险柜、大使馆的装甲以及需要其他保护或安全性的设施。能源网络：UHPC已经用于电力杆、高
34、压输电的横臂和软土壤和北极永冻土的格栅基础。风力涡轮机：对于陆上和海上风力涡轮机，UHPC将通过提供坚固耐用的解决方案来促进其发展。爱荷华州立大学已经开发出一种UHPC高塔风力涡轮机设计，可用于实现更高的涡轮机塔，从而提高能源效率。生活建筑：生活建筑可以拥有绿色屋顶或墙壁，如下图2所示。UHPC提供了一种强大、耐用但轻质的解决方案，以提供支撑附属系统的结构骨架。图2佛罗里达奥兰多的生态建筑高速大规模交通：早在2000年代初，日本就已经开发出了磁悬浮引导轨道。而UHPC也可用于制造高耐磨的薄壁管道，用于超级高铁。这些管道可以采用非平衡预应力设计，以产生管道内平滑逐渐变化的曲线。维修和修复：随着我
35、们基础设施的老化，维修和修复市场正变得异常庞大。UHPC可以将这些基础设施的使用寿命远远延长，超越最初的设计寿命。目前，这已经是UHPC最大的市场之一，应用领域包括桥墩外包、桥面整体化层替换、预制桥梁连接节点以及修复梁端伸缩缝等。模块化住宅：随着人口不断增长，住房需求巨大。利用预制的保温UHPC夹芯板，搭配格栅屋顶和楼板，可以轻便高效地建造成本效益高的住房。与传统的“宜家”风格预制不同，模块化住宅在交付时己完全组装好，可立即入住。前面的列表突显了UHPC未来的各种应用，几乎所有基础设施组件都可采用UHPC,图3更是直观展示了UHPC在基础设施中的广泛用途。图3UHPC在未来世界中的应用这些应用
36、正在由创业公司以不同的商业化阶段进行开发。在未来的几年里，这些创新解决方案将继续进入市场。”你不能仅仅问顾客他们想要什么，然后尝试提供给他们。等你把它建好的时候，他们会想要新的东西。”-史蒂夫乔布斯大多数人甚至不知道他们想要什么，直到他们看到它。因此，有时你必须给人们他们需要的东西，而不是他们要求的东西。这正是乔布斯在颠覆手机市场时所做的事情，他推出了iPhone。在试图预测UHPC市场规模时，借鉴史蒂夫乔布斯的经验将为我们提供对突破性技术市场如何发展的基本理解。就像预测智能手机市场一样，谁会预测到几乎地球上的每个人都会拥有一部智能手机，有时甚至拥有多部，或者智能手机技术将超越有线电话，加速发
37、展中国家的普及。即使购买智能手机的成本很高，或者每月的费用很大，购买者也认为它具有价值并进行购买。竞争和与之平行发展的互补技术，比如5G网络，极大地促进了应用推广的速度，超过了许多人的预测。在90年代初，UHPC明确被认为是一项突破性技术，将有一个长期的S形增长曲线（一开始非常缓慢，然后在陡峭的增长中积累势头，直到成熟，然后趋于平稳参见图4）,原因是存在许多重要的技术障碍，比如缺乏法规/标准以及由保守的专业工程师控制的保守客户群，他们的工作是设计基础设施并保护公众。此外，人们认识到，由于在应用中需增加多种控制措施，使得这项技术非常适合预制行业。UHPC卓越的材料性能为优化产品形状打开了大门，但
38、需要在工厂设备上投入可观的投资（新的模具和预制厂的改建），这将进一步减缓向市场提供UHPC产品的广泛发展。图4UHPC发展的S形曲线（年销售量与年份）然而，在行业先驱者们着手解决这些“进入障碍”时，该技术在幕墙、标志性建筑、预制桥梁构件、桥梁连接节点和桥梁整体化层等市场中也存在着一些不小的应用领域。尽管建筑师认识到UHPC提供的设计自由度，并用它来打造标志性建筑，但预制厂商仍然不愿充分拥抱这项技术，因为他们认为该材料的单位成本与常规的混凝土相比过高。除了成本之外，由于他们已经在满负荷运行或超过满负荷运行，许多预制厂商不愿冒险采用颠覆性的新技术；许多人认为这不值得冒险。与此同时，美国联邦公路管理
39、局（FHWA）启动了一项UHPC研发计划和一项部署该材料用于美国桥梁的开发计划，以解决美国日益恶化的桥梁问题。FHWA的这项工作促使了UHPC在预制桥梁构件之间的连接方面的快速采用。最近，FHWA的一项类似计划导致了UHPC在桥梁整体化层上的应用，特别是特大型项目，如特拉华纪念大桥和萨姆纳隧道（马萨诸塞州波士顿）。许多美国桥梁管理机构都在密切关注这两个特大型项目，希望在自己的项目中使用这种材料。虽然UHPC整体化层是美国这项技术的较新应用，但在瑞士，数百座桥梁己经使用了这种解决方案。UHPC在法国、中国、马来西亚、日本等国家也已经发展了20多年。2015年以前，由于开发UHPC产品、专利和保守
40、的行业需要投入时间和投资，全球范围内的商业供应商数量有限。自2015年以来，全球范围内的新UHPC供应商数量有了加速增长。预估2040年UHPC市场在美国，目前有85座使用年限超过50年的大跨度悬索桥需要维修桥面，有40万座州级桥梁结构存在缺陷或功能过时，加利福尼亚交通部已确定有6000座需要更换整体化层的桥梁，还有100O多座主要隧道需要更换整体化层。所有这些结构都可以通过UHPC覆盖层和UHPC连接+预制解决方案来显著延长其使用寿命。仅UHPC材料的修免这些桥梁所需数量就超过20亿美元。截至目前，在美国，UHPC批量生产构件的建筑市场主要受到只有两家公司（TAKT1.和EnvelFacad
41、es）生产能力的限制。建筑师在其标志性建筑设计中仅有极小部分使用UHPC幕墙，这也受到行业产能和高昂材料成本的限制。随着许多新的UHPC供应商进入市场，不同的供应链降低了单价，促进了UHPC更广泛的接受。仅在极小的幕墙市场份额中，UHPC幕墙在美国就有潜力达到1亿美元。中国是另一个巨大的市场，新的材料供应商正在进入市场，这项技术在建筑和桥梁市场都得到了接受。中国有许多杰出的建筑案例使用了UHPC。中国正在制定UHPC的新设计规范，将促使工程师更广泛地在结构中使用UHPCo中东（ME）地区已经开始接受UHPC,许多标志性建筑项目如卢赛尔大厦（1.usailTowers）已在2022年世界杯之前建
42、成。随着沙特阿拉伯2030愿景项目（如IROSHN、NEoM等）以及中东玩家的兴趣，预计仅UHPC材料市场可能达到100亿美元。马来西亚的Dura在过去15年中己建造了200多座UHPC桥梁，并继续向更大跨度发起挑战。目前，仅在马来西亚销售的UHPC产品估计每年约1500万美元，预计到2040年将增长到5000万美元。印度市场存在巨大的基础设施和住房需求，以满足不断增长的中产阶级需求。例如，印度政府最近宣布计划在2024年印度大选前建造2720万套住房。此外，印度总统表示，政府将在未来三年内投入15000亿卢比（约合18亿美元）用于提供安全住房、干净饮用水和卫生设施、教育、健康和营养等方面。最
43、近，印度出现了几家新的UHPC材料供应商。预计到2040年，印度的UHPC材料供应市场可能达到500亿美元。日本最近宣布了一个计划（ShutokoRenewalProject）,重建其高速公路基础设施，以更换1964年东京奥运会时建造的大部分公路和桥梁，这些结构己经使用了60多年。在2018年，大东京地区的都市高速公路公司完成了近5万次现有老化混凝土和钢结构的维修。ShutokoRenewal计划旨在为被替换的基础设施提供100年的使用寿命，为更具韧性的基础设施打开了大门。到2040年,全球UHPC材料的需求预计将达到每年IQOO亿美元，如果将基于UHPC施工的整个建筑行业纳入考虑，则整个行业
44、规模将达到每年1万亿美元。结论1 .我们生活在一个资源数量有限、人口众多但增长率减缓的星球上。不断增长的人口给地球带来了巨大的压力，导致极端天气和老龄化人口增加了对劳动力的需求，但供应逐渐减少。这些因素导致了人口密度的增加，使我们的基础设施超负荷运转，超过了供应链的能力限制，自然灾害增加，以及对更加环保、可持续、具有韧性的基础设施（如UHPe）的巨大需求。很显然，继续通过扩大容量和消耗有限资源来解决这些问题是不可接受的。2 .UHPC的卓越力学性能，特别是耐久性和抗拉性，为潜在用户提供了好处和充分的理由，不论对于一种新材料技术的部署面临多大挑战。3 .自2015年以来，全球新的UHPC供应商数
45、量以加速的速度增加，提供了竞争并进一步创新和优化材料供应和成本。4 .己经展示了许多成功的本地UHPC部署的良好示例。这些应用的更广泛部署将会发生。这不是“是否”而是“何时”的问题。UHPC供应商的迅速扩张为这一预测提供了支持。5 .当试图预测UHPC市场规模时，借鉴史蒂夫乔布斯的经验将提供对突破性技术市场发展方式的基本理解。6 .UHPC是一项突破性技术，通常具有长时间的S型曲线发展增长（起步缓慢，随后迅速增长，直至成熟，然后趋于稳定）。经过25年的缓慢发展增长，UHPC刚刚开始迅速扩张的阶段。7 .至J2040年，全球UHPC材料的需求预计将达到每年1.OoO亿美元，如果将基于UHPC施工
46、的整个建筑行业纳入考虑，则整个行业规模将达到每年1万亿美元。观点（1）UHPC（超高性能混凝土）未来前景充满希望。随着全球人口的增长和气候变化对基础设施的影响不断加剧，UHPC的卓越性能将在建筑和基础设施领域发挥越来越重要的作用。它将成为应对人口增长、气候变化和基础设施老化挑战的重要解决方案之一。（2）UHPC的耐久性和抗拉韧性使其在建筑、桥梁、隧道等领域具有广泛的应用潜力。未来，我们可以期待看到更多大跨度桥梁、高层建筑、海洋工程等项目采用UHPC,以提高结构的寿命和性能。（3）随着UHPC供应商数量的增加和技术的不断创新，UHPC的成本将逐渐下降，使其更具竞争力。这将促使更多的建筑师和工程师
47、采用UHPC,推动市场的增长。（4）UHPC不仅在传统建筑领域有广阔前景，还在新兴领域如3D打印、智能制造、可持续能源等方面有巨大潜力。它将为未来的建设项目提供更灵活、更可持续的解决方案，推动建筑和基础设施行业的进步。参考文献孙向东，马玉全，田月强.超高性能混凝土桥梁设计与施工关健技术问题探讨广东公路交通，2019,045（005）:25-30.2V.H.（Vic）Perry,FCSCE,FEC,FEICzMASc.,P.Eng.TheFutureofUltra-HighPerformanceConcreteC.ThirdInternationalInteractiveSymposiumonUltra-HighPerformanceConcrete2023.
