UHPC(超高性能混凝土）,不是UHDC（超高耐久性混凝土），一种你可能还不知道的新型结构材料|水泥|混凝土|结构材料|耐久性|胶凝|钢筋

演讲者：Liberato Ferrara，米兰理工大学

描述：最近结束的Horizon 2020 ReSHEALience项目开发了一种针对暴露于具有挑战性的结构场景（包括极端恶劣环境条件）下的混凝土结构的新概念设计方法。基于超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）和包含纳米添加剂以增强功能性的纺织物增强混凝土（TRC）而发展的超高耐久性混凝土（UHDC），已经在实验室和现场条件下通过机械和恶劣环境测试得到了发展和验证。这种方法在一个全面的生命周期思考框架内，结合了更高且更持久的性能、增强的结构功能性和高价值的美学要求。该项目中开发并验证的高度韧性材料概念——“品牌化”为UHDC——还展示了通过其自愈能力随时间工程化结构性能的可能性。由于这种创新的概念设计方法在结构工程中的应用，混凝土不再仅仅被视为提供被动保护的材料，其随时间的退化需要尽可能延迟，而是成为根据操作场景要求主动塑造自身性能的重要角色，同时保持功能性和美观性。项目结果表明，与传统方式相比，使用少至70%的材料就能达到相同或更高的结构和耐久性性能，并且在整个参考服务生命期内维护需求降低到原来的五分之一甚至十分之一。这代表了混凝土建筑行业在使用先进水泥基材料方面的一种突破性创新，克服了当前仅通过超高性能混凝土（UHPC）极高的抗压强度来推广它们的情况，而其更高的耐久性往往只是作为一个附加优势被接受，但在设计、施工和维护中几乎未能量化为真正的利益。

UHPC(超高性能混凝土）,不是UHDC（超高耐久性混凝土），一种你可能还不知道的新型结构材料

https://www.youtube.com/watch?v=Y3szooqVQQw&t=198s

好的，谢谢，谢谢Roberto。再次欢迎大家。我希望能简要地谈谈我和我的研究团队在米兰理工大学土木与环境工程系一起学习的一些经验教训，这些经验来自我们对超高性能混凝土（UHPC）长达数年的研究。事实上，为了设定框架，如今我们都知道，在我们的每一项活动中，都必须考虑联合国可持续发展目标。其中一些目标，比如这里用绿色标出的，以及编号为7的目标，与我们土木工程师的职业密切相关。

我想设定一个目标，谈谈我们工作的场景。这张照片，Tony，你可能还记得，我们一起在里约热内卢参加过2018年的Persimmon会议，度过了愉快的时光。这是里约热内卢的“明日博物馆”。事实上，当我那次参观时，这里的信息让我深受震撼：人类已经成为一股地质力量，强大到足以塑造地球。那么是怎样的方式呢？实际上，世界一半以上的人口，几年后甚至三分之二，将生活在城市中。这意味着我们将建造新的建筑和基础设施。

这带来了问题，因为建造新建筑和翻新基础设施的问题很大。根据ASCE的估计，交通中断每年给每个家庭造成4000欧元的损失，这些钱就这样浪费掉了。我们不知道这些钱去了哪里。我们必须为货运建造新的港口。这是我发现的地中海港口，它们正在增加容量，以容纳长达400米的货船。这对混凝土来说是一个相当苛刻的结构服务场景。

我们需要保护海岸免受极端气候事件的影响，同时减少对化石燃料的依赖，这是CO2排放的主要问题之一。这是欧盟的调查，你可以看到它们仍然高度依赖石油和化石燃料，平均占比10%，但在一些国家更高。因此，我们必须追求更高的目标，例如用更高的塔架捕获更强的风力，深入开发地热能和其他可再生能源形式。而这些都需要混凝土，没有替代品。也许你们有些人今天早上听过我们的同事Karen Scrivener教授的演讲，根据她的估计和计算，如果我们想用木材建造，每年需要砍伐相当于印度面积的森林。这并非不可能，但你必须留出足够的时间让木材重新生长。

但问题在于，我们使用了大量的自然资源，需要生产大量的水泥，而这会排放CO2。那么我们有哪些可能性呢？减少熟料生产的CO2，减少水泥中的熟料含量，这是水泥行业已经取得的进步。作为从事材料和结构工作的工程师，我们在混凝土领域的任务是减少水泥用量。我们在建筑中使用混凝土，作为学者，我还要说，我们需要教育最终利益相关者，让他们更高效地使用和再利用建筑。

问题是我们对混凝土要求哪些性能？当然需要抗压强度，我们会关注胶凝材料消耗。但重要的还有衡量标准。如果我们只看每立方米胶凝材料或水泥的消耗，会觉得高性能混凝土每立方米需要更多水泥，所以它更不可持续。但这不是正确的衡量标准。应该看你需要多少胶凝材料来产生单位强度，你会发现越高越高效。此外，我们还要求耐久性和韧性。在这方面，我认为我们的规范仍然落后，它们大多是规定性的，基于成分的处方可能会阻碍行业吸收创新和知识进步。

这正是我们在欧洲14个伙伴组成的联盟中努力的背景。我们从欧盟获得了约550万欧元的资助，超过四年时间尝试解决这一挑战。这是联盟的合作伙伴，包括学术界和混凝土行业全价值链的产业。我有幸协调这个项目，我们在三个层面上行动：产品、过程和环境。

在产品层面，我们说不要简单地谈论超高性能混凝土，让我们把耐久性融入名称。这不是一种新材料，它已经存在，但让我们尝试将耐久性嵌入设计中。我们从UHPC开始，这是我们做的第一次浇筑，背景里有Springsteen的配乐，希望他不会因为版权问题介意。这种材料的标志性特征是它在拉伸下表现出应变硬化反应，这使它与传统混凝土不同。我们显然确定了不同测试下的机械性能，但我们还想推广一个标志性的耐久性特征：它能自我修复裂缝，主要是由于持续的水化和碳酸钙。你可以看到这里的一些图片，这条裂缝完全闭合，不仅性能随时间保持稳定，材料性能和结构性能也是如此。我们还进行了显微镜研究，了解其原因，并通过纳米技术增强了这一特性。你可以看到这些数据点，我们使用了氧化铝纳米纤维，成功将单条裂缝的开口控制在几十微米以下，非常非常窄，对你来说没什么大不了的。

然后我们必须从实验室扩展到施工现场，不是混合50升，而是每批次混合500升。这也涉及对建筑公司的教育。我们在五个全尺寸试点项目中使用了这些材料，两个在意大利，两个在西班牙，一个在爱尔兰，我们还翻新了马耳他岛上的一个水塔。这是意大利的一个试点，普通钢筋混凝土厚10厘米，预制UHPC厚3厘米。你可以看到这里的载荷验证。如果你关注混合设计，比如每立方米600千克的水泥，你并没有减少水泥用量。但如果你看每平方米墙体的用量，普通混凝土从35千克/平方米减少到我们的解决方案，只有18千克/平方米。显然，我们有不同的解决方案、不同的性能、不同的成本。关键是我们必须从生命周期的视角来框架化这一点。

这是另一种看待问题的方式。我们将其嵌入经典的结构设计方程中，研究氯化物、硫酸盐等的劣化机制，最终预测机械性能指标随时间的变化，比如最大弯矩等。我们证明了从普通混凝土到超高性能混凝土服务寿命的增加，通过实验室结果验证了这些。这是LCA（生命周期评估）的结果。对于普通结构，你需要400毫米到1000毫米厚的墙，而UHPC的建造成本几乎相同，因为总体积减少了。对于普通混凝土，由于劣化和腐蚀，你增加了维护成本，而UHPC则不然。最终会发生什么？如果你说结构能持续100年，可能你的利益相关者会说，我50年后就不需要它了，我会放弃这个地方。所以我们尝试解决这种材料的可回收性，证明你可以保持机械性能，这是抗压强度。你还可以将这种材料细碎后部分替代水泥，而不仅是骨料，同时保留其自我修复能力。

总结一下，这是我从欧盟委员会关于材料作用的论文中得到的启发，以及我们在职业中需要关注的关键词：确保更高的材料耐久性、更高的能源效率、更高的材料回收和再利用度。这些是我们必须传递给年轻同事的挑战，让他们在职业生涯中解决。我想感谢大家一起关注，以及参与不同联盟项目的同事们，通过这些项目完成了这项研究。这是Resilience项目，我们的最后一次会议。这是另一个欧洲网络国际培训网络，我们在其中教育和培训15名博士生研究这些课题。

我想感谢……这些是过去几年与我们一起工作的硕士生，显然没有他们就没有这些工作。这是我的博士生和我的家人，这也是我们工作中美好的一部分。我显然要感谢这项研究和项目的资助者，欧洲项目，与我们合作的公司，以及最近获得资助的一些国家研究项目。再次感谢大家的关注。

谢谢。

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