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            重點產業發展報告
            2019年中國超高性能混凝土(UHPC) 技術與應用發展報告(下)
            時間:2020-01-20    來源:CCPAUHPC分會     分享:
            UHPC突破了水泥基材料性能和應用領域的很多極限。無論是結構材料組分的復合,水泥基材料本身的性能、與纖維增強材料的復合、還是與其他結構材料的“組合”,應該說都打開了許多發展空間,為我們創新者提供許多想象空間。

            接:2019年中國超高性能混凝土(UHPC) 技術與應用發展報告(上)

            五、中國UHPC的工程應用與市場規模

            1、中國UHPC工程應用

            以下是介紹收集到的中國UHPC工程應用部分案例,也是一些有較大發展潛力的應用。

            鋼-UHPC復合橋面

            鋼-UHPC復合橋面2011年首次在廣東肇慶馬房大橋應用,截至2018年11月已在中國用于60余座鋼橋,橋面面積超過百萬平方米。下表是2011-2017年17個工程應用案例。湖南大學邵旭東教授團隊發展的鋼-UHPC復合橋面結構,很好地解決了困擾鋼橋的技術難題,增強了鋼橋的市場競爭力。鋼-UHPC復合橋面已進入規?;?、可持續應用階段,也是中國繼鐵路電纜溝蓋板(RPC蓋板,現在已停用)之后,目前UHPC使用量最大的工程應用。

            裝配式橋梁預制構件的結構連接

            在美國和加拿大,UHPC現在最主要的應用為快速橋梁施工(ABC),即用于裝配式橋梁預制構件的濕接縫連接。采用UHPC濕接縫進行構件之間“結構連接”,大幅度減小接縫寬度、簡化接縫配筋、不需要鋼筋焊接,顯著減少了現場施工量和難度,能夠提高裝配化率、施工效率和經濟性,更重要的是:大幅度提升了裝配結構的性能,包括抗疲勞、抗震、抗裂性能以及耐久性,克服了傳統方式連接構件“連接節點弱”的難題。

            上海市政、上海城建設計院已經在一些高架橋工程中率先設計采用預制裝配方式快速施工,并使用UHPC濕接縫連接構件,如上海2016年建設的S3公路先期實施段高架橋部分小箱梁的縱向接縫連接(長3.1km,用預制裝配方法施工僅用了100天建成),上海嘉閩高架預制裝配式結構的梁-梁之間、蓋梁-墩柱之間以及墩柱-承臺之間的接縫連結,寧波機場路南延市政道路和輕軌一體化高架箱梁縱向接縫連接(參見下圖),均為UHPC濕接縫連接。預制裝配式橋梁與UHPC濕接縫組合的技術體系,因建設速度快、橋梁性能和質量好,預計未來會在中國獲得越來越多的應用,同時成為UHPC應用的重要領域。

            鋼-UHPC組合梁的UHPC橋面板

            近幾年,鋼-UHPC組合梁在中國橋梁結構創新與應用取得了重大進展。2018年建造的南通中央森林公園鋼管拱橋(寬6m、跨徑32m),采用了預制和現澆80mm厚UHPC橋面板;2019年正在施工建設的兩座大型橋梁工程——南京長江五橋和湖南益陽青龍洲大橋,均采用了預制UHPC橋面板,然后與鋼箱梁組成鋼-UHPC組合梁。

            南京長江五橋跨越長江段長4130m,主橋為三塔雙跨組合梁斜拉橋,跨徑布置為80m+218m+ 2×600m+218m+80m。其鋼-UHPC組合梁標準節段尺寸為14.6m長、35.6m寬、3.6m高(組合梁中心線處),制造方法為(參見下圖):預制生產鋼筋UHPC(含粗骨料)板,標準板尺寸為6.92m寬、11.3m長、0.17m厚;每個組合梁節段有4塊UHPC預制板,在工廠采用UHPC濕接縫相互連接、與鋼箱梁疊合連接。組合梁架設安裝后,梁段UHPC板橫向在現場用UHPC濕接縫連接。該工程UHPC用量為預制板(494塊)6569m3、工廠和現場濕接縫分別為4736m3和365m3,總用量達11670m3,是迄今世界上UHPC用量最大的橋梁工程。該項目UHPC預制板在中交二航局第四工程公司蕪湖裕溪口預制場生產,為此二航局新建造了適合UHPC拌制、輸送、布料、振搗和整平的設備與生產線(見下圖),使UHPC構件生產的自動化水平、生產效率和質量控制能力都提高到了新水平。

            湖南益陽市青龍洲大橋是跨越資江自錨式懸索橋,跨徑布置為 60m+110m+260m+110m+60m,主梁為鋼-UHPC 輕型組合梁,梁寬 36.5m。其橋面板為鋼板條與 UHPC 矮肋板的組合結構,頂板厚 100mm,縱肋高 120mm(含 8mm 厚鋼板條)。

            混凝土橋面鋪裝

            2019年完工的蘇州東環快速路跨運河橋,主橋為70m+120m+70m預應力混凝土箱梁橋。為了提高橋梁負彎矩區抗裂能力和耐久性,在橋墩墩頂兩側約16米范圍,原設計70mm厚C40普通混凝土鋪裝用UHPC鋪裝替代,施工見下圖。

            在混凝土橋梁上采用UHPC鋪裝,具有廣泛應用價值。瑞士洛桑理工Brühwiler教授倡導,并在世界范圍獲得認可和應用的橋梁維修加固方法,是在混凝土橋面鋪設鋼筋UHPC層 —— 這是一個多重功能層:提高橋梁強度、剛度,抗裂、防水和保護普通混凝土,從而提高橋梁服役壽命。新橋使用UHPC鋪裝, UHPC層的多重功能從新橋就發揮作用,有助于提升了橋梁性能、質量和工作壽命。

            UHPC梁橋

            馬來西亞發展了多種全截面UHPC梁為主梁的橋梁,有效發揮UHPC力學性能使UHPC橋造價低于其傳統鋼筋混凝土橋。因造價很有競爭力,馬來西亞現在是UHPC梁橋數量最多的國家。在其它國家如法國、美國、韓國和中國(見大事年表),也都發展和建造了UHPC梁橋,但都沒有進入實質性推廣應用,原因之一是初始造價高于傳統材料和結構的梁橋。開展UHPC橋梁結構創新,或許能改變這種狀況。

            2018年中路杜拉公司建造中國首座無筋預應力體系UHPC梁橋——廣州北環高速擴建F匝道橋。該橋有6片I型后張預應力預制梁,梁高62cm,頂、底緣寬度40cm,腹板厚度10cm,跨徑16m。預制I梁體內未配置縱向鋼筋及箍筋(只有后長預應力筋);梁頂之間設置UHPC搭板(作為永久模板),上面澆筑15cm厚C50鋼纖維混凝土橋面板,再鋪設2cm厚瀝青超薄磨耗層。據介紹,該橋預制梁采用UHPC結構替代現在廣泛采用的預制小箱梁、空心板或T梁,具有預制裝配化、輕型快速化、減輕結構自重(40%~60%)、有效減小建筑高度或提高跨越能力的優勢,并能簡化施工工藝、提高結構質量,具備經濟優勢。

            水工結構UHPC抗沖磨層

            廣東蓋特奇公司制備的低收縮抗沖磨UHPC,2018年1月和2019年5月分別在兩個水工工程用于鋪設抗沖磨功能層(厚度分別為10cm和20cm)??箾_磨UHPC層與普通混凝土粘接良好,形成一體化結構,都沒有出現開裂、脫空等現象。至今,兩個工程的UHPC抗沖磨層狀態良好,將成為工程應用UHPC抗沖磨長期性能觀察的很好樣板。

            如果采用全壽命周期成本進行評估,UHPC作為水利水電工程抗沖磨材料具有一定的經濟優勢。隨著的材料技術的發展,UHPC的制備成本會進一步降低,性能進一步提升, 有望發展成為最優異的水工抗沖磨材料之一。

            工業建筑UHPC應用

            在工業建筑領域,華新新材用UHPC為幾項工程提供了完美解決方案,如華新長山口垃圾預處理廠、十堰環保工廠和云陽環保工廠等工程項目,使用預制工字型UHPC預應力梁替代鋼梁,很好解決了主梁在腐蝕性環境的防腐、耐久問題,同時具有承載能力大、自重輕、耐火、免維護使用壽命長、施工便捷、經濟適用等優點。這些UHPC梁,在工廠采用超可隆?預混料制備UHPC,預制生產,常溫養護,總計使用3000余噸預混料。在水泥工廠窯尾鋼煙囪防腐改造工程中,用噴射法施工UHPC保護層替代傳統防腐涂料,借助超可隆?早強、高強、耐腐蝕、耐久等性能,可施工快速,大幅度減小停窯損失,并且有效延長維護維修周期,降低維護成本。時間短、有效周期長等優勢。在華新武穴環保工廠的危廢聯合儲庫,地坪使用超可隆?作為面層,既能很好抵抗鏟車、行車等機械作用的剮蹭、撞擊和摩擦,又實現了抗滲和耐化學侵蝕的功效,且施工簡單、高效。

            在工業建筑領域,擁有耐高溫、耐腐蝕、耐撞擊、耐磨等性能的UHPC(通用或專門制備),擁有較大的應用發展空間。

            建筑幕墻或外立面

            2019年UHPC工程應用的最大亮點在建筑項目,南京倍立達公司繼2018年完成中國第一個UHPC幕墻項目 

            —— 深圳悅彩城展示中心,在2019年又完成多個項目(參見項目實景照片)。

            ——深圳悅彩城展示中心幕墻:由弧形鏤空板和弧形實心板組成,弧形鏤空板尺寸為3000×1200×30mm 、實心板尺寸3000×1200×20mm,采用UHPC預混料噴射成型。

            ——余杭文化藝術中心幕墻:至今中國最大的UHPC建筑應用項目,幕墻總面積達20,000m2;UHPC板采用預混料澆筑成型。構件板塊尺寸不一,平均超過10m2,最大板塊8m長×3m高;預制UHPC板塊生產速率最高達700m2/天,這可能是世界上最高的UHPC板日產量。

            ——南京中海左岸瀾庭售樓處UHPC 柱廊:室外造型柱,柱子沒有橫向分縫,UHPC構件單體高8米、寬4米,為一整件預制構件,把柱子的挺拔與頂天立地的氣勢完美表現出來。UHPC構件采用預混料噴射法一次成型,噴射工藝控制板塊厚度,平均厚度僅為25mm。UHPC構件為帶背附鋼架的大板構造,通過螺栓柔性連接,避免出現溫度應力及干縮應力造成的裂紋。項目采用裝配式的干掛安裝方法,實現了三維可調,從而保證安裝的精度。

            ——上海音樂學院歌劇院幕墻:造型裝飾幕墻采用UHPC預混料澆筑成型,常溫養護16~18h后脫模。UHPC材料攪拌完成后,具有優異的工作性能,澆筑在模具中能夠完整表現模具造型,同時自流平材料也大大節省人工,操作簡便。

            ——溫州甌江路景觀項目外立面:復雜構造3D鏤空幕墻,采用UHPC預混料澆筑成型。

            砼創(上海)新材料科技股份有限公司2019年承擔和完成了寧波市奉化區未來城科普中心項目建筑外立面UHPC板預制和安裝工程(參見項目實景照片)。

            預制裝配式建筑的構件連接

            在首屆CCPA-UHPC論壇清華大學樊健生教授的報告中,統計分析與UHPC相關的國家自然科學基金項目(2013~2017)和中文期刊發表的論文(2014~2018),發現中國UHPC應用研究熱點在橋梁上。他介紹,他們團隊研究用低收縮高延性水泥基復合材料(LSECC)連接裝配式建筑構件,試驗證明可提升節點域的抗震性能(達到現澆結構的抗震水平),并降低裝配建筑的節點施工難度。他建議擴展UHPC應用研究的領域,發揮UHPC材料特長,例如用UHPC連接預制混凝土構件,可以形成“強節點、弱構件”,提高結構抗震性能。

            上海建工二建集團裝配創新研究所已經開展了相關試驗研究和工程實踐。針對 UHPC與鋼筋粘結性能,UHPC濕接縫連接梁(梁-梁節點)受彎性能、柱(柱-柱節點)抗震性能以及梁-柱節點抗震性能等進行了大量基礎試驗,提出和建立起基于UHPC濕接縫連接的新型預制裝配式框架體系PCUS,經過1 : 1足尺模型載荷試驗驗證,結構性能達到全現澆結構水平,且節點連接的施工效率提高、成本降低(與套筒灌漿連接對比)。PCUS體系已成功應用于海鈅瀜庭商品房項目、上海白龍港污水處理廠改造等多個項目。

            采用UHPC濕接縫連接預制裝配式建筑、橋梁或其它結構的PC構件,能夠提高節點連接的質量、性能和可靠性,實現“強節點、弱構件”的裝配結構,并降低現場施工難度和成本,具備技術、經濟兩方面優勢,是UHPC最具發展潛力的應用之一。

            2、中國如今的UHPC市場規模

            從CCPA-UHPC分會會員提供的部分項目與用量信息,保守估計2019年中國UHPC用量超過3萬立方米,使用了逾6.5萬噸UHPC預混料。在上述各種應用中,橋梁應用占據了絕大多數。

            六、未來發展建議

            UHPC在不同國家經歷了四十年、三十年或二十年技術發展和推廣應用后,由于國情和需求差異,UHPC應用的進展有較大差異,其中的成功應用值得我們學習借鑒。丹麥UHPC的規?;瘧弥饕诮ㄖI域,包括預制UHPC樓梯、陽臺、幕墻、預制構件濕接縫連接;此外,在風電鋼塔筒的灌縫連接方面,丹麥產品性能和應用技術也居于世界領先地位。法國UHPC研發與應用涉及領域較多,包括多種結構形式公路橋、建筑構件和幕墻、工業建筑、維修加固、水利工程抗沖磨等,形成的UHPC產業規模最大,如今支撐UHPC產業的主要是建筑應用,包括大型建筑項目如體育場、高鐵站等一些創新結構與幕墻建筑;橋梁翻新、維修加固可能會成為另一支撐性應用。韓國在橋梁和建筑都有一些創新性應用;馬來西亞、美國和加拿大的研究應用主要在橋梁方面。

            中國經歷二十年的研究應用,UHPC在鋼橋面鋪裝、鋼-UHPC組合橋梁的應用規模已經走在了世界前列;UHPC在裝配式橋梁和建筑構件的結構連接應用已經開始,且橋梁結構連接在UHPC應用體量的占比較大,預期待技術體系建立完善后,會進入可持續規?;瘧?。我們還擁有許多UHPC技術與應用發展空間,建議重點在以下方面開展工作:

            1、裝配式建筑

            中國正在大力推進建筑產業化、裝配化,UHPC除用于濕接縫結構連接具有技術和經濟優勢外,使用UHPC生產部分構件如樓梯、陽臺、輕質“三明治”保溫墻板,設計應用合理,也可以從減小構件重量、減小建筑整體自重、降低運輸吊裝安裝施工成本等方面獲得經濟性,并提升裝配式建筑質量。這類構件與裝配式鋼結構建筑結合應用,可形成相互補充的裝配建筑體系。在這方面,丹麥取得非常好的應用效果,我們也應該在裝配式建筑領域發展相應設計、預制生產、結構連接、安裝以及相應標準規范等構成的技術體系。

            2、結構維修加固

            瑞士UHPC應用的主要領域為維修加固,已經成為最具市場競爭力的橋梁維修加固技術體系,其技術經濟優勢也在世界范圍獲得驗證、認可和應用。世界許多國家包括中國都面臨大量橋梁老化問題,需要維修加固或更換,日本如今就著力發展UHPC橋梁維修加固技術。

            中國已經開展了UHPC維修加固研究和應用,也有了相關地方標準(如陜西省地方標準SDBXM39-2019),公路學會標準正在編制,但還集中在混凝土橋梁方面。還有大量老化的碼頭、隧道、水利水電、建筑等混凝土結構,同樣面臨老化、存在結構缺陷以及不能滿足現在對結構承載能力或抗震性要求等各種各樣的問題。UHPC維修加固技術與方法具有技術和經濟優勢,還會在更多工程領域和更大范圍獲得應用,有很大市場發展空間。在該領域,未來創新發展的內容包括,適應不同場合、不同結構多樣化的UHPC成型施工方法,快速維修加固材料和施工技術,等等。

            美國正在開展針對鋼橋梁的UHPC維修加固研究,取得了滿意的試驗研究結果。應用UHPC進行鋼結構的維修加固和保護,也值得關注和發展相應技術。

            3、創新建筑與結構

            法國在建筑和結構創新方面走在世界前列,重要的原因是建筑師、結構工程師較早參與到UHPC創新和應用的行列中。我國擁有數量眾多的建筑師和結構設計師,如果他們中更多人了解UHPC、參與到UHPC建筑設計和結構設計中來,會打開一個很大創新發展空間。為此,需要更多開展UHPC知識普及、標準規范宣傳等活動。

            從2019年初開始,CCPA-UHPC分會與預拌混凝土分會合作建立了微信公眾號“混凝土和UHPC”。通過公眾號向社會大眾推廣宣傳UHPC基礎知識、相關技術、產品和工程應用。歡迎有更多人來利用這個平臺,投稿介紹自己或所見所聞的UHPC相關技術和應用,加入UHPC推廣宣傳活動,共同推動UHPC在中國的發展進步。

            UHPC為水泥制品、工程結構的性能改善和壽命提升、為創造開發新產品和新結構、為工程結構連接以及維修加固等提供了性能更好的材料,在更高層次上滿足我們對產品、對結構、對工程的需求,如輕質高強、高耐久或長壽命、免維護、美觀、防火、綠色低碳、低資源消耗等等,對推動行業向高質量、環境生態友好方向發展,對水泥制品和工程結構升級換代具有重要意義。

            我們正走在UHPC成長的路上,把UHPC發展好并在合適的地方用好,我們需要扎扎實實建立起科學先進的UHPC技術體系,包括材料制備、材料性能與試驗、結構設計與優化、成型施工、質量控制與驗收以及標準規范體系;需要研究發展適合不同類型工程應用、施工特點和需求的UHPC材料;需要讓建筑師、結構設計師、水泥基材料產品企業、工程業主了解UHPC并參與開發UHPC應用;需要在模型制造、現場生產澆筑裝備、成型養護施工工藝等各方面提升技術和技藝水平等。匯集起眾人的智慧、技能和努力,推動UHPC的創新與技術進步,將使中國成為UHPC發展的新引擎,并有所成就。

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