超高性能混凝土標準發(fā)展現(xiàn)狀分析

楊成軍 李錫松 韋建孫 韋 琛 余楊赟

（1 廣西壯族自治區(qū)建筑工程檢測中心有限公司；2 南寧市中小企業(yè)服務中心）

混凝土具有原材料來源廣、生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉以及應用方便等特點，從建筑市場的發(fā)展需求及技術進步方面來看，混凝土在今后相當長的時間內(nèi)仍是應用最廣、使用量最大的人造材料。隨著超高層建筑、高速鐵路、橋梁、隧道及特殊結構的建筑的設計建造的迅猛發(fā)展[1]，混凝土朝著更高耐腐蝕性、更高耐久性、更高強度的方向發(fā)展，在此背景下，具有優(yōu)異的力學性能、超高耐久性和超高韌性等特點的超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）應運而生。

2015 年，發(fā)布實施的清華大學、北京交通大學等研究機構編制的GB/T 31387《活性粉末混凝土》[2]，成為我國UHPC/RPC 領域首部國家標準。隨著國家標準體系改革的不斷推進，團體標準在UHPC 領域正發(fā)揮著越來越重要的作用。2018 年后，中國建材聯(lián)合會、中國混凝土與水泥制品協(xié)會、中國工程建設標準化協(xié)會等相繼發(fā)布實施了6 部UHPC 產(chǎn)品標準、試驗方法標準，目前尚有20 多部UHPC 標準正在制定中。為深入了解我國UHPC領域的標準化發(fā)展水平，本文整理了我國UHPC 領域的標準化發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，并提出相關發(fā)展對策。

1 UHPC 標準化工作現(xiàn)狀及分析

1.1 標準制定現(xiàn)狀

作為相對新的工程材料，UHPC 產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于初級階段，與之相適應的政策還不完善，缺乏完善的應用技術規(guī)程、設計規(guī)范、試驗方法及產(chǎn)品標準，限制UHPC工程應用瓶頸相當突出。圍繞UHPC 工程應用，中國建材聯(lián)合會、中國混凝土與水泥制品協(xié)會等社會團體相應成立了標準化相關委員會，負責UHPC 試驗、產(chǎn)品推廣、工程應用相關的標準制定工作。截止2022 年3 月，已發(fā)布了國家標準1 部，中國建材聯(lián)合會和中國混凝土與水泥制品協(xié)會聯(lián)合頒布的標準4 部，中國工程建設標準化協(xié)會標準2 部，中國電力企業(yè)聯(lián)合會標準1 部，中國公路學會標準1 部，浙江、廣東、湖南等地方標準或地方團體標準7 部。此外，獲批立項、正在制定的標準17 部，部分標準已完成報批，即將實施，已發(fā)布及正在編制的標準統(tǒng)計表見表1。這些標準將成為促進UHPC 工程應用的重要力量。可以預想，隨著UHPC 團體標準體系的快速發(fā)展，困擾UHPC 工程應用的標準規(guī)范“瓶頸”將不斷減少，將加快UHPC 在中國進入“黃金發(fā)展期”。

表1 已發(fā)布/在編的UHPC 相關標準統(tǒng)計

1.2 檢測方法和指標體系分析

2015 年，GB/T 31387《活性粉末混凝土》頒布[2]，成為我國首部UHPC/RPC 國家標準，對推動UHPC 應用研究極具意義。該標準規(guī)定UHPC 了性能等級、配合比設計、制備與運輸、養(yǎng)護、試驗方法、檢驗規(guī)則等，對抗壓強度的要求為≥100MPa，抗折強度≥12MPa、彈性模量≥40GPa，但未對拌合物性能及試驗方法作出要求。

2018 年后，相繼發(fā)布了T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》[3]、T/CBMF 96-2020/T/CCPA 20-2020《超高性能混凝土預混料》[4]、T/CECS 10107-2020《超高性能混凝土（UHPC）技術要求》[5]、T/CECS 864-2021《超高性能混凝土試驗方法標準》[6]、T/CCPA 23-2021/T/CBMF 128-2021《超高性能混凝土現(xiàn)場澆筑施工技術規(guī)程》、T/CCPA 22-2021/T/CBMF 127-2-21《超高性能混凝土預制構件生產(chǎn)技術規(guī)程》等6 部團體標準，其中4 部屬試驗標準、2 部屬產(chǎn)品標準，對UHPC 拌合物性能、力學性能、耐久性分級、技術要求、試驗方法、現(xiàn)場澆筑及預制構件生產(chǎn)等方面作了較為全面的描述，各類技術指標及等級劃分詳見表2。

表2 各標準技術指標要求及分級情況

（續(xù)表1）

不同于GB/T 31387 以抗氯離子滲透性（電通量法）評價抗?jié)B透性能，上述團體標均采用測試氯離子擴散系數(shù)評價抗?jié)B透性能。另外，T/CECS 10107 還有關于UHPC干燥收縮、早期自收縮的分級及技術要求，其中干燥收縮按養(yǎng)護條件分為熱養(yǎng)護及自然養(yǎng)護，其技術指標要求分別不大于100×10-6、300×10-6。對于抗壓強度測試試件尺寸，均要求采用100mm 立方體試件，不同于普通混凝土采用150mm 立方體為標準試件，這點得到國內(nèi)大部分UHPC 學者的認可，國內(nèi)目前廣泛采用的2MN、3MN 試驗機依然可以滿足測試要求[7]。與傳統(tǒng)材料產(chǎn)品標準不同的是，T/CBMF 96-2020/T/CCPA 20-2020 給出了預混料使用說明書參考模板，對預混料攪拌、養(yǎng)護、包裝作了詳細說明，對推廣應用UHPC 具有較好的指導意義。筆者重點對比了UHPC 標準體系中較為重要的幾個技術指標及試驗方法。

⑴抗拉性能：T/CECS 10107-2020 規(guī)定的抗拉性能等級評定指標為抗拉強度ftu、殘余抗拉強度/彈性極限抗拉強度ftr/fte、抗拉強度/彈性極限抗拉強度ftu/fte與抗拉應變的要求。T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018 規(guī)定的抗拉性能等級評定指標為彈性極限抗拉強度fte或變形達到0.15%時所對應的抗拉力強度ftr與抗拉強度/彈性極限抗拉強度ftu/fte、抗拉應變作為試驗值。T/CBMF 96-2020/T/CCPA 20-2020 僅規(guī)定了彈性極限抗拉強度。雖然T/CECS 10107-2020 與T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018 標準規(guī)定各等級強度值相同，但前者由加荷過程中的最大荷載計算所得，后者取線性轉(zhuǎn)為非線性點所對應的拉應力值，后者較前者要求高。鑒于最大荷載與線性轉(zhuǎn)為非線性點不一定重合，筆者認為后者作為評價指標更為科學。

⑵抗?jié)B性能：兩者技術指標要求存在差異原因在于T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018 標準是利用Nernst-E instein 方程，由飽鹽試件電導率計算氯離子擴散系數(shù)。T/CECS 10107-2020 以GB/T 50082 快速氯離子遷移系數(shù)法為藍本進行了適當修改，基本上等同采用普通混凝土測試方法。

⑶測試方法的全面性：T/CBMF 37-2018/T/CCPA 7-2018 僅給出了UHPC 基本性能相關的試驗方法。而T/CECS 864-2021 借鑒了現(xiàn)行國家標準GB/T 50080、GB/T 50081、GB/T 50082 中的相關試驗方法，針對UHPC性能特點給出了UHPC 較為關注或常用到的拌合物性能、物理力學性能、長期性能及耐久性能指標的試驗方法，既保持了混凝土試驗方法的連貫性，注重與現(xiàn)行國標、行標的協(xié)調(diào)性，也考慮了UHPC 的材料特征。

⑷收縮性：與普通混凝土和HPC 相似，人們在應用過程較為關注UHPC 收縮性指標，UHPC 收縮主要有自收縮和干燥收縮，自收縮占總收縮比例較大，干燥收縮則較小[8]，這點從T/CECS 10107-2020 對收縮性能的技術要求可看出，自然養(yǎng)護類干燥收縮≤300×10-6、熱養(yǎng)護類干燥收縮≤100×10-6，自然養(yǎng)護類要求早齡期自收縮≤1000×10-6，是干燥收縮的3.3 倍。

2 UHPC 標準體系的幾點討論

2.1 UHPC 制備

作為首批UHPC 技術規(guī)范，CECS 標準體系主要基于傳統(tǒng)混凝土編制形成，CBMF/CCPA 標準著重考慮了預混料及預制品的技術性能。整體而言，標準體系發(fā)展滯后于生產(chǎn)實踐應用，還有很多可完善的方面，如UHPC 的骨料、超細粉、纖維等原材料需要經(jīng)過“精挑細選”，配合比成分比普通混凝土多且復雜，如何進行配合比設計既能發(fā)揮各組分的性能特征又能符合經(jīng)濟最優(yōu)化，尤其是將成本最高的纖維性能最大化。

2.2 UHPC 構件結構驗收

目前雖有部分文獻報道了UHPC 在橋梁工程的足尺試驗研究，但涉及超高層建筑、異形結構建筑、輕型化結構等結構的試驗研究報道還很少。另外，關于試驗室測試及實體結構取樣檢測對比試驗研究至關重要。試驗室研究與工程應用實踐尚未全面掛鉤，尚未系統(tǒng)性開展“試驗室試驗”、“結構實體上取樣試驗”、“結構性能試驗”的關聯(lián)性研究。國外的實踐表明[9]，在UHPC 建筑結構工業(yè)化應用前進行“合適性試驗”是必要且有益的，還未經(jīng)過全面性能驗證的預混料和制品需要進行耐久性及結構性能驗證，實現(xiàn)UHPC 工業(yè)化前還要更多的研究工作。

2.3 UHPC 標準協(xié)調(diào)性

新材料配套標準對其推廣應用至關重要。除《活性粉末混凝土》為國標外，余下標準均為近期發(fā)布的團體標準，尚未形成完善的標準體系，成為UHPC 在中國推廣應用的主要阻力之一。近3 年，各類團體協(xié)會標準在UHPC 產(chǎn)品及應用領域的制定在不斷推進，將成為未來UHPC 應用實踐的重要保證。目前，正在開展制定工作的UHPC 標準接近20 部，不同團體協(xié)會標準制定尚未形成合力，呈現(xiàn)“百花爭鳴，百花齊放”態(tài)勢，對UHPC 應用實踐是否利好，目前難以斷言，值得期待。

3 未來研究方向

結合UHPC的技術特征及應用場景，從滿足工程應用的角度出發(fā)，健立全生命周期和結構功能化需求可作為UHPC 標準體系的未來研究方向。

⑴建議建立覆蓋設計、制備、運輸、施工、安裝、質(zhì)量驗收、檢測、認證與評價的標準體系。UHPC 的超高耐久性是其得到推廣應用的基礎，但因成本遠高于普通混凝土，限制其不能作為普遍適用的工程材料用于現(xiàn)代工程中。應基于UHPC 材料特征，考慮延長構筑物服役壽命，從生命全周期視角評價UHPC 構筑物“從搖籃到墳墓”對環(huán)境的影響及單位成本，促進UHPC 構筑物健康可持續(xù)發(fā)展。

⑵現(xiàn)階段，我國鼓勵社會團體編制標準，編制單位多而雜、各層級機構標準協(xié)調(diào)性、互補性較差，導致目前UHPC 標準體系呈現(xiàn)多而散的特點，難以科學指導生產(chǎn)實踐。從結構功能化角度來看，UHPC 將繼續(xù)在橋梁工程、電廠、市政工程等領域發(fā)揮優(yōu)勢，陸續(xù)應用在超高層建筑、建筑外立面、樓梯、陽臺、飄窗、創(chuàng)意場景等工程中，因此針對不同應用場景應盡早把工程應用研究成果轉(zhuǎn)化為技術標準體系。

4 結語

UHPC 制備應用技術經(jīng)過20 余年的研究，憑借其優(yōu)異的力學性能、韌性、耐久性和體積穩(wěn)定性，應用在各種大跨徑橋梁、高速鐵路、核電站、地下空間、海上平臺等大型工程項目中。國內(nèi)UHPC 工業(yè)化應用及標準規(guī)范尚處于起步階段，現(xiàn)有的UHPC 技術標準無法支撐UHPC 結構建筑生產(chǎn)體系及產(chǎn)業(yè)鏈運作，后期還需在深入研究的基礎上編制系統(tǒng)、科學的標準體系。可以預期，隨著系統(tǒng)研究的深入、標準規(guī)范體系的建立完善，UHPC 預混料、UHPC 預制品將在超高層建筑、橋梁工程、超輕結構、高耐久耐用結構、加固改造工程及各類創(chuàng)意場景中發(fā)揮越來越重要的作用。