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五、UHPC與低碳、高質量工程建設
“30·60雙碳目標“——“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”是我國政府對世界的承諾，也是我國貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的國策。近年來，各行各業的產業結構都在向綠色化、低碳化轉型，都在為實現“雙碳目標”和高質量發展而努力。隨著碳交易市場的建立與完善，經濟運行中會形成“排碳有成本，減碳有收益”的機制。在工程建設領域，UHPC材料和應用技術不僅能實現工程結構低碳化、綠色化及工程質量提升，還能從減碳中獲得經濟收益，是生態環境效益與經濟效益俱佳的新材料與新技術，應該得到充分的重視和利用。為此，本報告用這一章介紹和討論如何計算工程結構產生的碳排放、減碳的目標、UHPC減碳的效果與潛力及未來發展。
1、工程結構產生的碳排放與減碳目標 溫室氣體排放的控制與管理是通過碳足跡（carbon footprint）的核算、報告和核查落地落實。碳足跡指個人、組織、產品或服務在其生命周期中直接或間接產生的總溫室氣體排放量，通常以二氧化碳當量CO2e來表示，其他溫室氣體包括甲烷（CH?）、氧化亞氮（N?O）、氫氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）等按溫室效應折算為CO2e，它涵蓋了從原材料獲取、生產、運輸、使用到廢棄處理等各個環節的溫室氣體排放。國標GB/T 51366-2019 《建筑碳排放計算標準》適用于新建、擴建和改建的民用建筑的運行、建造及拆除、建材生產及運輸階段的碳排放計算，標準附錄為計算提供了需要的參數，包括主要能源碳排放因子、建筑物運行特征、常用施工機械臺班能源消耗、建材及運輸的碳排放因子[1]。分析計算一個建筑物的碳足跡，是按圖5-1分別計算建筑物全生命周期（從“搖籃”到“墳墓”），即建材生產及運輸（A1～A3）、建造（A4～A5）、運行及維護維修（B1～B7）到廢棄處理（C1～C4）各個階段產生的CO2 eq排放。
圖5-1：建筑生命周期的階段和碳足跡分析計算模塊 [2]
為實現“雙碳目標”，各行各業都已制定或正在制定減碳的路線圖及階段性目標，終極目標是在2050年全球實現碳中和，即大氣中溫室氣體零增長。對于UHPC材料，我們最關注的是UHPC為工程結構減碳。英國結構工程師學會（The Institution of Structural Engineers，簡稱IStructE）建議了工程結構的碳評級SCORS方案（如圖6-2所示），并鼓勵工程師以此作為項目設計中的碳目標。
圖5-2a是IStructE 的Will Arnold等建議針對建筑結構建造（A階段）的碳足跡SCORS評級方案[3]，按建筑單位內部面積碳排放kgCO2e/m2 GIA（圖6-1的A1～A5階段產生的碳排放除以總內部面積，GIA指建筑總內部面積）評定碳足跡等級（分為A++、A+、A～G級）。這里建筑結構指上部與下部主體結構。A級建筑結構建造的碳足跡介于100～149kgCO2e/m2 GIA，E級介于300～349kgCO2e/m2 GIA。英國對現有326個建筑項目的分析，SCORS評級分布在A++～G級，平均為E級，G級為高層建筑，最高達1,000kgCO2e/m2 GIA。
圖5-2：英國結構工程師學會 (IStructE) 建議的建筑結構和橋梁結構碳足跡評級方案 [3,4]
為了2050年在全球范圍能夠實現碳中和，Will Arnold等認為建筑結構建造的平均碳足跡每年要減小10%。因此，2030年碳足跡目標應設定為，SCORS評級平均達到A級，即小于149kgCO2e/m2GIA。目前，可能實現A++級的方式是對現有結構進行低影響的再利用。在現有建筑資產豐富的國家/地區應重視和優先考慮再利用[3]（參見本章第3節）。
圖5-2b是IStructE的Cameron Archer-Jones 等建議針對橋梁結構建造的碳足跡SCORS for bridge（SCORBS）評級方案[4]，按橋梁單位功能面積碳排放kgCO2e/m2FA（A1～A5產生的碳排放除以總功能面積，FA指功能面積，參見圖6-2c）評定碳足跡等級（A++、A+、A～G級）。橋梁結構由主結構（上、下部結構，含基礎）和疊加的恒載（如鋪裝層、護欄等）構成。圖5-3為COWI公司數據庫中，他們以前和現在設計的橋梁項目（跨徑10m至>2,000m），SCORBS評級分布。在COWI數據庫中，橋梁平均碳足跡為2,300kgCO2e/m2，并有一些規律可循：橋梁跨徑和結構形式與碳足跡強關聯，跨徑大碳足跡相對高；上部結構主材料為鋼材和鋼-混凝土復合橋梁的碳足跡（2,570kgCO2e/m2）通常比混凝土（1,590kgCO2e/m2）要高；荷載類型（公路、軌道、人行等）對碳足跡沒有明顯影響。2023年，Collings對200座不同結構橋梁（不限跨徑）建造完成（A1～A5）的碳排放分析[5]，得到橋梁平均碳足跡為2,420kgCO2e/m2。2024年，Collings和Murthy進行的另一項分析[6]，將橋梁跨徑限制在100m以內，得到橋梁平均碳足跡為2,250kgCO2e/m2。
圖5-3：COWI公司數據庫中的橋梁按SCORBS評級分布[4]
當前，橋梁結構建造的碳足跡評級平均水平介于D級和E級，差的低至G級。為了2050年在全球范圍能夠實現碳中和，橋梁結構建造的碳足跡目標應設定為：在2030年的平均評級至少要達到B級（<1,499kgCO2e/m2）；2050年評級至少要達到A++（<249kgCO2e/m2）[4]。 為了實現這樣的目標，所有結構/土木工程師需要有“碳足跡思維”，并將隱含碳的計算納入工程設計和方案比選；需要通過材料和技術創新提高結構材料的使用效率、減少用量，UHPC就是這方面最佳的結構材料之一（詳見本章下一節）；此外，還需要建材生產企業特別是水泥和鋼材企業努力降低建材隱含的碳，如生產過程使用清潔能源、碳捕集等。橋梁結構最終實現A++評級——接近零碳排放，可能還需要借助“碳補償”實現[4]，例如通過植樹或其他環保項目抵消大氣中相應的二氧化碳量。
2、應用UHPC建造橋梁減碳效果的定量化分析
與傳統鋼筋混凝土（RC）和鋼結構相比，UHPC材料不僅高效使用了水泥，同時更好更有效地發揮了鋼材（筋材如鋼筋和鋼纖維）的強度。因此，對于同等功能的工程結構，使用R-UHPC建造，能顯著地節材降耗和減碳降排，以下是國外、國內定量化分析對比的示例。
北美的分析對比 圖5-4a是北美常用鋼-RC復合結構公路梁橋的上部結構，梁長30m，橋面寬7.3m；圖6-4b為同樣功能的預應力UHPC門型梁（也稱P型梁）公路梁橋的上部結構，梁長和橋面寬度也分別是30m和7.3m。表5-1包含兩種梁橋上部結構的材料用量、材料能耗、材料隱含的溫室氣體量和變暖潛能GWP（即當量二氧化碳/kgCO2e）以及對比。該分析對比僅限于兩個梁橋上部結構的建材部分（A1～A3階段），沒有包含建造（A4～A5），也沒有包含橋梁下部結構和基礎。
圖5-4：北美常用鋼-RC梁橋和新型先張預應力P型UHPC梁橋上部結構 [7]
表5-1：鋼-RC梁橋和UHPC梁橋上部結構建材用量與環境指標定量化對比分析 [7]
僅對比上部結構，R-UHPC結構的建材能耗和碳足跡（表5-1中GWP）分別比鋼-RC結構降低了54%和56%。單位橋面板面積的碳足跡：鋼-RC結構為199,978/(30x7.3)=913kgCO2e/m2，R-UHPC結構為88,377/(30x7.3)=404 kgCO2e/m2。（注：這里沒有包含橋梁下部結構，也沒包含建造施工A4～A5的碳足跡；面積是按總面積，不是SCORBS評級計算用的功能面積FA）。 表5-1中雖然沒有包含橋梁的下部結構和基礎，但UHPC上部結構重量比鋼-RC上部結構重量降低了35%，可以預期UHPC梁橋與鋼-RC梁橋相比，下部結構和基礎的要求、材料用量、碳足跡等會有所下降，建造施工（A4～A5）的碳足跡也會降低。 中國的分析對比 廣州鼎興土木的馬玉全博士在《超高性能混凝土（UHPC）節能減排技術分析》報告中，選取了16m、30m和50m三個典型跨徑橋梁、實際工程中常用的傳統混凝土（RC）結構與UHPC結構，分析比較了碳排放方面的差異[8]。對比的橋梁結構如下：
表5-2為橋梁使用主要建材的密度、能耗和溫室氣體排放因子，及全球變暖潛能（當量二氧化碳排放因子kg CO2e/m3）。表5-3為實際工程三種跨徑鋼-RC梁橋和UHPC梁橋上、下部結構建材用量。這里將馬玉全博士分析計算的核心結果匯集在了表5-4，本報告在表5-4中補充了按ISTRUCTE橋面功能面積FA計算碳足跡與評級。
從表5-3的對比可見，建造16m、30m和50m跨徑公路梁橋，UHPC結構降低碳足跡的幅度分別為34%、9.6%和38.4%，減碳效果顯著。這體現的是橋梁工程目前的狀況和水平，UHPC結構設計體系還處于發展完善的過程，結構效率還有進一步提升的潛力。
圖5-5：對比的16m、30m和50m跨徑公路橋常用傳統結構與UHPC結構橫截面圖[8]
表5-2：鋼-RC梁橋和UHPC梁橋結構主要建材的能耗與溫室氣體排放因子[8]
表5-3：三種跨徑鋼-RC梁橋和UHPC梁橋上、下部結構建材用量[8]
表5-4：三種跨徑鋼-RC梁橋和UHPC梁橋結構建造（A1～A5）的碳足跡[8]
美國哥倫比亞大學CBIPS分析，橋梁全生命周期的碳足跡分布為[9]：建材（A1～A3）占65～75%，建造（A3～A5）占6～10%，運維（B1～B7）占8～15%，廢棄處理（C1～C4）占3～15%。UHPC結構因擁有超高耐久性、超長服役壽命和免維護特征，UHPC橋梁使用運行階段（B1～B7）維護維修主要是非UHPC部分，UHPC結構在該階段的碳足跡、生態環境效益和經濟效益的比較優勢更大。
UHPC也可以再生利用，瑞士已經發展了相關技術，可以把廢棄的UHPC破碎提取鋼纖維和制成UHPC用骨料。此外，先張預應力UHPC梁橋，在其他非UHPC部分達到壽命終點后，UHPC梁還可以重復使用。
建造工程結構，UHPC能夠節材降耗和減碳的底層邏輯，在于UHPC高效率使用水泥與鋼材： — 與混凝土結構相比，UHPC依靠提高結構強度降低結構自重/恒載，從而大幅度減小建材（關鍵是水泥和鋼筋）用量（對比表5-3中16和30m跨徑傳統混凝土結構與UHPC結構的單位橋面總重量），同時減小了碳足跡； — 與鋼結構相比，UHPC利用了定向微觀結構的鋼筋材——冷拔鋼筋和鋼絲（纖維）的高抗拉強度，并將增強鋼筋用于需要受拉的部位，UHPC擔負其它功能，大幅減少結構的用鋼量（對比表5-3中50m跨徑傳統鋼結構與UHPC結構單位橋面用鋼量），降低造價的同時降低了碳足跡。
自2004年開始至今的20年，瑞士已有四百多個UHPC工程應用案例，其中三百多個是應用UHPC進行橋梁和建筑結構加固、修復與耐久性保護。他們發展的UHPC維修加固技術體系，在對老結構的加固保護效果、施工速率、成本、長效性及環境效益等各個方面全面優于傳統方法，因此廣泛地受到工程業主接受和認可。 在2024年10月法國召開的“UHPFRC 2024”國際研討會上，對應于傳統方式的“治療式維修”（Curative maintenance），瑞士提出了工程結構“再生式修復”（Regenerative maintenance）的概念，即：采用UHPC修復老化損傷的結構，使之獲得新一輪的生命周期。Bertola Numa和Brühwiler Eugen在報告中用圖5-6解釋了“再生式修復”的概念： — 傳統方法維修：可以改善結構性能，但對結構沒有良好的保護作用，老結構性能會進入衰減-維修，再衰減-再維修的循環，直至維修也無法滿足安全性要求而拆除。 — 應用UHPC維修：利用高強度UHPC薄層與老結構形成復合結構，可以使老結構性能恢復到初始性能水平或提升到現代設計荷載要求的水平；利用高密實UHPC保護老結構，使之不再受到環境水、腐蝕性介質的侵蝕，阻止性能繼續衰減，從而使老結構“再生”，進入第二個、可能更長久的生命周期。
圖5-6：結構的“治療式維修”與“再生式修復” (摘自Bertola Numa 的ppt)[10]
圖5-8顯示了十多個用UHPC “再生式修復”橋梁的碳足跡（綠色點），無論橋梁面積大小，碳足跡均在150kgCO2eq/m2左右（A++級），比COWI公司統計的橋梁建造（新建）碳足跡平均值（2,300kgCO2e/m2）減少了93%；比橋梁更換或重建的最低碳足跡水平（約1,000kgCO2e/m2）減少了85%。 可見，對于老化、損傷或不能滿足現代標準要求的現有工程結構，要盡可能避免“更換”或“重建”，使用UHPC修復使之“再生”能夠大量地減少碳排放。
圖5-8：橋梁UHPC修復與重建的碳足跡對比 (摘自Bertola Numa 的ppt)[10]
六、UHPC的技術交流
1、英文版圖書《基于超高性能混凝土（UHPC）的橋梁新結構》出版 湖南大學邵旭東教授主編的中文版《基于超高性能混凝土（UHPC）的橋梁新結構》圖書在2022年12月出版；英文版《Innovative Bridge Structures Based on Ultra-High Performance Concrete (UHPC)》在2024年1月由Elsevier出版集團和人民交通出版社共同出版。該書“詳細介紹了作者團隊研發的系列UHPC新結構以及在不同類型橋梁?程中的應?實例，反映了從新材料到新結構、新理論、新?法、新標準等全鏈條創新研究成果。主要內容包括超?性能混凝?（UHPC）介紹、UHPC橋梁設計?法、在役開裂鋼橋?的加固改造、UHPC橋?板結構、?跨徑單向預應?UHPC箱梁橋、中?跨徑裝配式梁橋、特?跨徑拱橋新體系探索、UHPC加固混凝?橋?、鋼 —混組合梁負彎矩區UHPC接縫、UHPC重?式灌漿接頭、伸縮裝置UHPC錨固技術等“（引自陳政清院士為該書寫的序）。
瑞士著名UHPC結構專家、洛桑理工（EPFL）Eugen Brühwiler 教授在為該書英文版寫的序中贊揚道：“這本書匯集了創新和新穎的橋梁設計，指出了橋梁工程為什么必須發展進步。對于現代橋梁工程師來說，必然希望知道在傳統的鋼筋混凝土和鋼結構之后會出現什么，并希望超越傳統設計。這本書有望成為培訓結構工程師和學生的參考資料和基礎。此外，工程行業仍然需要“轉向”更可持續的結構和橋梁工程，這本書為此做出了重大貢獻。愿這本書成為現代橋梁建設的重要參考書。我期待有很多讀者對這本書感興趣，并就我們橋梁工程的未來展開熱烈的討論。歡迎來到后混凝土時代！”
圖6-1：中、英文版圖書封面
2、國際國內UHPC專題論壇和研討會 第六屆德國系列UHPC國際研討會“HiPerMat 2024”于2024年3月6～8日在德國Kassel市召開。
由CCPA-UHPC分會主辦的“第四屆超高性能水泥基材料與應用技術（UHPC）論壇”，于2024年5月31號在南京召開。本屆論壇以“超高性能混凝土應用與創新”為主題，共邀請了7位專家學者及企業相關技術人員做了UHPC材料生產制備、研究進展、工程設計與應用案例等多個層面的精彩報告。參加本屆論壇總人數超過250人。
中國混凝土與水泥制品協會預拌混凝土分會、江西省建材科研設計院有限公司于2024年9月5～7日在江西井岡山組織召開第十屆“井岡山論壇”。期間中國混凝土與水泥制品協會UHPC分會于9月6日下午組織召開了“UHPC應用技術報告會”。
第四屆法國系列國際研討會“UHPFRC 2024”于2024年10月21～23日在法國Menton市召開。
第四屆亞洲混凝土聯合會/湖南大學主辦的超高性能混凝土材料和結構國際會議（The 4th ACF/HNU International Conference on UHPC Materials and Structures, UHPC2024-China）于2024年10月24～27日在中國長沙召開。
3、UHPC設計定制大賽 2024年5月31日上午，由中國混凝土與水泥制品協會主辦、超高性能水泥基材料與工程技術（UHPC）分會、混凝土藝術產業創新工作委員會、預拌混凝土分會、教育與人力資源工作委員會承辦，青島科尼樂機械設備有限公司支持的“科尼樂杯”第三屆全國UHPC設計定制大賽南京舉辦。來自UHPC材料研發、設計制造和施工企業，以及高校、科研院所的專業人員、在校學生組成的26個團隊（其中企業組17個，院校組9個）參加了本屆比賽（見圖6-2、6-3）。
本屆大賽仍以“UHPC彈性球設計定制”為主題，按要求的尺寸與重量設計定制UHPC彈性球，在大賽現場進行“彈性”、“輕質高強”和“韌性”性能測試。本次大賽，UHPC球彈跳再創新高度，最高達到90cm，且無開裂，再一次向我們直觀展示和證明了水泥基材料可以達到的強度和韌性水平，也說明水泥基材料及其所建造的結構所具備的潛力和發展進步空間！  圖6-2：第三屆全國UHPC設計定制大賽現場及獲獎單位
圖6-3：賽后全體參賽隊員、大賽裁判和組織工作人員合影
4、CCPA-UHPC分會的科普與國際交流活動 在“混凝土和UHPC”微信公眾號上發布UHPC相關推文，包括UHPC科普文、工程應用案例、技術文獻、行業發展信息等。其中，發表的原創文“超高性能混凝土 (UHPC) 技術與應用及標準發展的大事年表”、“中國超高性能混凝土 (UHPC) 技術與應用發展報告”系列獲得較高的關注度。
2024年3月CCPA-UHPC分會與CCPA國際合作中心聯合組團赴德國Kassel參加第六屆德國系列UHPC國際研討會“HiPerMat 2024”，并在德國、荷蘭和比利時開展UHPC技術發展和應用調研與交流，及項目參觀活動。
5、2025年將開展的重要UHPC技術交流與競賽活動 CCPA-UHPC分會組織召開的“第二屆全國UHPC技術發展與創新應用大會”，計劃于2025年3月13～15日在武漢歐亞會展國際酒店舉辦。
在CCPA行業大會和“中國混凝土博覽會”期間 (2025年9月5～7日，廣州廣交會展館)組織舉辦“第四屆全國UHPC設計定制大賽”，舉辦 “第五屆超高性能水泥基材料與應用技術(UHPC)論壇”，歡迎關注和參與。
6、首屆UHPC創新獎（2023-2024年度）評獎活動 為持續推動UHPC材料技術在國內的普及和發展，激勵產業創新研發和應用實踐，不斷突破UHPC在建筑工程、基礎設施、能源等領域的應用場景和邊界，“全國UHPC技術發展和創新應用大會”組委會自第二屆大會起開始組織評選雙年度“UHPC創新獎”。該獎為大會的重要組成部分，由大會主辦方CCPA- UHPC分會組織實施。組織科學公正的評選“UHPC創新獎”及廣泛宣傳，進一步提升社會對UHPC材料與應用技術的認知度，同時在產業上下游形成良好的示范效應。
“UHPC創新獎（2023-2024年度）”面向全國范圍共計征集48個UHPC應用項目實例，其中41項通過初審入圍參賽，涵蓋基礎設施類（14項）、建筑類（15項）和產品類（12項）的UHPC創新應用。根據評審規則，由各方面專家組成的評審小組，評選出13個“突破獎”和17個“優秀獎”（詳見表6-1）。評審規則規定“突破獎”指在世界上或中國具有突破性、開創性、獨創性的UHPC應用；“優秀獎”指有重大改進的UHPC材料與技術，顯著提升了UHPC應用的技術水平及經濟效益。首次評獎征集的創新項目數量、創新的“突破性”和“先進性”水平都向我們展示：中國UHPC材料與應用技術在快速進步，并引領行業向更廣泛應用場景、向更先進技術方向發展，正在為工程建設提供更低碳、更高性價比解決方案。評獎結果將在“第二屆全國UHPC技術發展與創新應用大會”上頒獎，敬請關注。
表6-1：首屆UHPC 創新獎（2023-2024年度）獲獎項目與產品
結束語 在過去的五十年間，水泥基材料最重大的突破是DSP理論建立和UHPC的發明（1979年）。UHPC跨越式提高了水泥基材料的強度、韌性和耐久性；大幅提升了水泥和鋼材的使用效率，不僅降低了工程建設初期的資源消耗和碳排放，而且能數倍提高工程結構在嚴酷環境的免維護服役壽命，再在工程壽命周期中數倍地降低了資源消耗，蘊含著巨大的環境效益和經濟效益。我們應該將UHPC發展好利用好。工程建設行業為實現“雙碳目標”減碳、為提升建造工程結構質量與服役壽命，需要UHPC材料及其應用技術，同時也會有力促進UHPC產業發展。
在2024年，中國UHPC應用技術、應用場景和應用量都在發展進步；在過去的6年間，我國UHPC用量平均的年增長率為46%，并保持良好的發展勢頭。作為新興產業，高效率規模化UHPC的制備和構件預制生產及應用，在2024年取得重大進步。UHPC作為新質生產力，已經成為部分企業新的發展動能，展示出UHPC新興產業的形態。（完）
來源：混凝土和UHPC |
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