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五、UHPC与低碳、高质量工程建设
“30·60双碳目标“——“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”是我国政府对世界的承诺，也是我国贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的国策。近年来，各行各业的产业结构都在向绿色化、低碳化转型，都在为实现“双碳目标”和高质量发展而努力。随着碳交易市场的建立与完善，经济运行中会形成“排碳有成本，减碳有收益”的机制。在工程建设领域，UHPC材料和应用技术不仅能实现工程结构低碳化、绿色化及工程质量提升，还能从减碳中获得经济收益，是生态环境效益与经济效益俱佳的新材料与新技术，应该得到充分的重视和利用。为此，本报告用这一章介绍和讨论如何计算工程结构产生的碳排放、减碳的目标、UHPC减碳的效果与潜力及未来发展。
1、工程结构产生的碳排放与减碳目标 温室气体排放的控制与管理是通过碳足迹（carbon footprint）的核算、报告和核查落地落实。碳足迹指个人、组织、产品或服务在其生命周期中直接或间接产生的总温室气体排放量，通常以二氧化碳当量CO2e来表示，其他温室气体包括甲烷（CH?）、氧化亚氮（N?O）、氢氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）等按温室效应折算为CO2e，它涵盖了从原材料获取、生产、运输、使用到废弃处理等各个环节的温室气体排放。国标GB/T 51366-2019 《建筑碳排放计算标准》适用于新建、扩建和改建的民用建筑的运行、建造及拆除、建材生产及运输阶段的碳排放计算，标准附录为计算提供了需要的参数，包括主要能源碳排放因子、建筑物运行特征、常用施工机械台班能源消耗、建材及运输的碳排放因子[1]。分析计算一个建筑物的碳足迹，是按图5-1分别计算建筑物全生命周期（从“摇篮”到“坟墓”），即建材生产及运输（A1～A3）、建造（A4～A5）、运行及维护维修（B1～B7）到废弃处理（C1～C4）各个阶段产生的CO2 eq排放。
图5-1：建筑生命周期的阶段和碳足迹分析计算模块 [2]
为实现“双碳目标”，各行各业都已制定或正在制定减碳的路线图及阶段性目标，终极目标是在2050年全球实现碳中和，即大气中温室气体零增长。对于UHPC材料，我们最关注的是UHPC为工程结构减碳。英国结构工程师学会（The Institution of Structural Engineers，简称IStructE）建议了工程结构的碳评级SCORS方案（如图6-2所示），并鼓励工程师以此作为项目设计中的碳目标。
图5-2a是IStructE 的Will Arnold等建议针对建筑结构建造（A阶段）的碳足迹SCORS评级方案[3]，按建筑单位内部面积碳排放kgCO2e/m2 GIA（图6-1的A1～A5阶段产生的碳排放除以总内部面积，GIA指建筑总内部面积）评定碳足迹等级（分为A++、A+、A～G级）。这里建筑结构指上部与下部主体结构。A级建筑结构建造的碳足迹介于100～149kgCO2e/m2 GIA，E级介于300～349kgCO2e/m2 GIA。英国对现有326个建筑项目的分析，SCORS评级分布在A++～G级，平均为E级，G级为高层建筑，最高达1,000kgCO2e/m2 GIA。
图5-2：英国结构工程师学会 (IStructE) 建议的建筑结构和桥梁结构碳足迹评级方案 [3,4]
为了2050年在全球范围能够实现碳中和，Will Arnold等认为建筑结构建造的平均碳足迹每年要减小10%。因此，2030年碳足迹目标应设定为，SCORS评级平均达到A级，即小于149kgCO2e/m2GIA。目前，可能实现A++级的方式是对现有结构进行低影响的再利用。在现有建筑资产丰富的国家/地区应重视和优先考虑再利用[3]（参见本章第3节）。
图5-2b是IStructE的Cameron Archer-Jones 等建议针对桥梁结构建造的碳足迹SCORS for bridge（SCORBS）评级方案[4]，按桥梁单位功能面积碳排放kgCO2e/m2FA（A1～A5产生的碳排放除以总功能面积，FA指功能面积，参见图6-2c）评定碳足迹等级（A++、A+、A～G级）。桥梁结构由主结构（上、下部结构，含基础）和叠加的恒载（如铺装层、护栏等）构成。图5-3为COWI公司数据库中，他们以前和现在设计的桥梁项目（跨径10m至>2,000m），SCORBS评级分布。在COWI数据库中，桥梁平均碳足迹为2,300kgCO2e/m2，并有一些规律可循：桥梁跨径和结构形式与碳足迹强关联，跨径大碳足迹相对高；上部结构主材料为钢材和钢-混凝土复合桥梁的碳足迹（2,570kgCO2e/m2）通常比混凝土（1,590kgCO2e/m2）要高；荷载类型（公路、轨道、人行等）对碳足迹没有明显影响。2023年，Collings对200座不同结构桥梁（不限跨径）建造完成（A1～A5）的碳排放分析[5]，得到桥梁平均碳足迹为2,420kgCO2e/m2。2024年，Collings和Murthy进行的另一项分析[6]，将桥梁跨径限制在100m以内，得到桥梁平均碳足迹为2,250kgCO2e/m2。
图5-3：COWI公司数据库中的桥梁按SCORBS评级分布[4]
当前，桥梁结构建造的碳足迹评级平均水平介于D级和E级，差的低至G级。为了2050年在全球范围能够实现碳中和，桥梁结构建造的碳足迹目标应设定为：在2030年的平均评级至少要达到B级（<1,499kgCO2e/m2）；2050年评级至少要达到A++（<249kgCO2e/m2）[4]。 为了实现这样的目标，所有结构/土木工程师需要有“碳足迹思维”，并将隐含碳的计算纳入工程设计和方案比选；需要通过材料和技术创新提高结构材料的使用效率、减少用量，UHPC就是这方面最佳的结构材料之一（详见本章下一节）；此外，还需要建材生产企业特别是水泥和钢材企业努力降低建材隐含的碳，如生产过程使用清洁能源、碳捕集等。桥梁结构最终实现A++评级——接近零碳排放，可能还需要借助“碳补偿”实现[4]，例如通过植树或其他环保项目抵消大气中相应的二氧化碳量。
2、应用UHPC建造桥梁减碳效果的定量化分析
与传统钢筋混凝土（RC）和钢结构相比，UHPC材料不仅高效使用了水泥，同时更好更有效地发挥了钢材（筋材如钢筋和钢纤维）的强度。因此，对于同等功能的工程结构，使用R-UHPC建造，能显著地节材降耗和减碳降排，以下是国外、国内定量化分析对比的示例。
北美的分析对比 图5-4a是北美常用钢-RC复合结构公路梁桥的上部结构，梁长30m，桥面宽7.3m；图6-4b为同样功能的预应力UHPC门型梁（也称P型梁）公路梁桥的上部结构，梁长和桥面宽度也分别是30m和7.3m。表5-1包含两种梁桥上部结构的材料用量、材料能耗、材料隐含的温室气体量和变暖潜能GWP（即当量二氧化碳/kgCO2e）以及对比。该分析对比仅限于两个梁桥上部结构的建材部分（A1～A3阶段），没有包含建造（A4～A5），也没有包含桥梁下部结构和基础。
图5-4：北美常用钢-RC梁桥和新型先张预应力P型UHPC梁桥上部结构 [7]
表5-1：钢-RC梁桥和UHPC梁桥上部结构建材用量与环境指标定量化对比分析 [7]
仅对比上部结构，R-UHPC结构的建材能耗和碳足迹（表5-1中GWP）分别比钢-RC结构降低了54%和56%。单位桥面板面积的碳足迹：钢-RC结构为199,978/(30x7.3)=913kgCO2e/m2，R-UHPC结构为88,377/(30x7.3)=404 kgCO2e/m2。（注：这里没有包含桥梁下部结构，也没包含建造施工A4～A5的碳足迹；面积是按总面积，不是SCORBS评级计算用的功能面积FA）。 表5-1中虽然没有包含桥梁的下部结构和基础，但UHPC上部结构重量比钢-RC上部结构重量降低了35%，可以预期UHPC梁桥与钢-RC梁桥相比，下部结构和基础的要求、材料用量、碳足迹等会有所下降，建造施工（A4～A5）的碳足迹也会降低。 中国的分析对比 广州鼎兴土木的马玉全博士在《超高性能混凝土（UHPC）节能减排技术分析》报告中，选取了16m、30m和50m三个典型跨径桥梁、实际工程中常用的传统混凝土（RC）结构与UHPC结构，分析比较了碳排放方面的差异[8]。对比的桥梁结构如下：
表5-2为桥梁使用主要建材的密度、能耗和温室气体排放因子，及全球变暖潜能（当量二氧化碳排放因子kg CO2e/m3）。表5-3为实际工程三种跨径钢-RC梁桥和UHPC梁桥上、下部结构建材用量。这里将马玉全博士分析计算的核心结果汇集在了表5-4，本报告在表5-4中补充了按ISTRUCTE桥面功能面积FA计算碳足迹与评级。
从表5-3的对比可见，建造16m、30m和50m跨径公路梁桥，UHPC结构降低碳足迹的幅度分别为34%、9.6%和38.4%，减碳效果显著。这体现的是桥梁工程目前的状况和水平，UHPC结构设计体系还处于发展完善的过程，结构效率还有进一步提升的潜力。
图5-5：对比的16m、30m和50m跨径公路桥常用传统结构与UHPC结构横截面图[8]
表5-2：钢-RC梁桥和UHPC梁桥结构主要建材的能耗与温室气体排放因子[8]
表5-3：三种跨径钢-RC梁桥和UHPC梁桥上、下部结构建材用量[8]
表5-4：三种跨径钢-RC梁桥和UHPC梁桥结构建造（A1～A5）的碳足迹[8]
美国哥伦比亚大学CBIPS分析，桥梁全生命周期的碳足迹分布为[9]：建材（A1～A3）占65～75%，建造（A3～A5）占6～10%，运维（B1～B7）占8～15%，废弃处理（C1～C4）占3～15%。UHPC结构因拥有超高耐久性、超长服役寿命和免维护特征，UHPC桥梁使用运行阶段（B1～B7）维护维修主要是非UHPC部分，UHPC结构在该阶段的碳足迹、生态环境效益和经济效益的比较优势更大。
UHPC也可以再生利用，瑞士已经发展了相关技术，可以把废弃的UHPC破碎提取钢纤维和制成UHPC用骨料。此外，先张预应力UHPC梁桥，在其他非UHPC部分达到寿命终点后，UHPC梁还可以重复使用。
建造工程结构，UHPC能够节材降耗和减碳的底层逻辑，在于UHPC高效率使用水泥与钢材： — 与混凝土结构相比，UHPC依靠提高结构强度降低结构自重/恒载，从而大幅度减小建材（关键是水泥和钢筋）用量（对比表5-3中16和30m跨径传统混凝土结构与UHPC结构的单位桥面总重量），同时减小了碳足迹； — 与钢结构相比，UHPC利用了定向微观结构的钢筋材——冷拔钢筋和钢丝（纤维）的高抗拉强度，并将增强钢筋用于需要受拉的部位，UHPC担负其它功能，大幅减少结构的用钢量（对比表5-3中50m跨径传统钢结构与UHPC结构单位桥面用钢量），降低造价的同时降低了碳足迹。
自2004年开始至今的20年，瑞士已有四百多个UHPC工程应用案例，其中三百多个是应用UHPC进行桥梁和建筑结构加固、修复与耐久性保护。他们发展的UHPC维修加固技术体系，在对老结构的加固保护效果、施工速率、成本、长效性及环境效益等各个方面全面优于传统方法，因此广泛地受到工程业主接受和认可。 在2024年10月法国召开的“UHPFRC 2024”国际研讨会上，对应于传统方式的“治疗式维修”（Curative maintenance），瑞士提出了工程结构“再生式修复”（Regenerative maintenance）的概念，即：采用UHPC修复老化损伤的结构，使之获得新一轮的生命周期。Bertola Numa和Brühwiler Eugen在报告中用图5-6解释了“再生式修复”的概念： — 传统方法维修：可以改善结构性能，但对结构没有良好的保护作用，老结构性能会进入衰减-维修，再衰减-再维修的循环，直至维修也无法满足安全性要求而拆除。 — 应用UHPC维修：利用高强度UHPC薄层与老结构形成复合结构，可以使老结构性能恢复到初始性能水平或提升到现代设计荷载要求的水平；利用高密实UHPC保护老结构，使之不再受到环境水、腐蚀性介质的侵蚀，阻止性能继续衰减，从而使老结构“再生”，进入第二个、可能更长久的生命周期。
图5-6：结构的“治疗式维修”与“再生式修复” (摘自Bertola Numa 的ppt)[10]
图5-8显示了十多个用UHPC “再生式修复”桥梁的碳足迹（绿色点），无论桥梁面积大小，碳足迹均在150kgCO2eq/m2左右（A++级），比COWI公司统计的桥梁建造（新建）碳足迹平均值（2,300kgCO2e/m2）减少了93%；比桥梁更换或重建的最低碳足迹水平（约1,000kgCO2e/m2）减少了85%。 可见，对于老化、损伤或不能满足现代标准要求的现有工程结构，要尽可能避免“更换”或“重建”，使用UHPC修复使之“再生”能够大量地减少碳排放。
图5-8：桥梁UHPC修复与重建的碳足迹对比 (摘自Bertola Numa 的ppt)[10]
六、UHPC的技术交流
1、英文版图书《基于超高性能混凝土（UHPC）的桥梁新结构》出版 湖南大学邵旭东教授主编的中文版《基于超高性能混凝土（UHPC）的桥梁新结构》图书在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出版集团和人民交通出版社共同出版。该书“详细介绍了作者团队研发的系列UHPC新结构以及在不同类型桥梁?程中的应?实例，反映了从新材料到新结构、新理论、新?法、新标准等全链条创新研究成果。主要内容包括超?性能混凝?（UHPC）介绍、UHPC桥梁设计?法、在役开裂钢桥?的加固改造、UHPC桥?板结构、?跨径单向预应?UHPC箱梁桥、中?跨径装配式梁桥、特?跨径拱桥新体系探索、UHPC加固混凝?桥?、钢 —混组合梁负弯矩区UHPC接缝、UHPC重?式灌浆接头、伸缩装置UHPC锚固技术等“（引自陈政清院士为该书写的序）。
瑞士著名UHPC结构专家、洛桑理工（EPFL）Eugen Brühwiler 教授在为该书英文版写的序中赞扬道：“这本书汇集了创新和新颖的桥梁设计，指出了桥梁工程为什么必须发展进步。对于现代桥梁工程师来说，必然希望知道在传统的钢筋混凝土和钢结构之后会出现什么，并希望超越传统设计。这本书有望成为培训结构工程师和学生的参考资料和基础。此外，工程行业仍然需要“转向”更可持续的结构和桥梁工程，这本书为此做出了重大贡献。愿这本书成为现代桥梁建设的重要参考书。我期待有很多读者对这本书感兴趣，并就我们桥梁工程的未来展开热烈的讨论。欢迎来到后混凝土时代！”
图6-1：中、英文版图书封面
2、国际国内UHPC专题论坛和研讨会 第六届德国系列UHPC国际研讨会“HiPerMat 2024”于2024年3月6～8日在德国Kassel市召开。
由CCPA-UHPC分会主办的“第四届超高性能水泥基材料与应用技术（UHPC）论坛”，于2024年5月31号在南京召开。本届论坛以“超高性能混凝土应用与创新”为主题，共邀请了7位专家学者及企业相关技术人员做了UHPC材料生产制备、研究进展、工程设计与应用案例等多个层面的精彩报告。参加本届论坛总人数超过250人。
中国混凝土与水泥制品协会预拌混凝土分会、江西省建材科研设计院有限公司于2024年9月5～7日在江西井冈山组织召开第十届“井冈山论坛”。期间中国混凝土与水泥制品协会UHPC分会于9月6日下午组织召开了“UHPC应用技术报告会”。
第四届法国系列国际研讨会“UHPFRC 2024”于2024年10月21～23日在法国Menton市召开。
第四届亚洲混凝土联合会/湖南大学主办的超高性能混凝土材料和结构国际会议（The 4th ACF/HNU International Conference on UHPC Materials and Structures, UHPC2024-China）于2024年10月24～27日在中国长沙召开。
3、UHPC设计定制大赛 2024年5月31日上午，由中国混凝土与水泥制品协会主办、超高性能水泥基材料与工程技术（UHPC）分会、混凝土艺术产业创新工作委员会、预拌混凝土分会、教育与人力资源工作委员会承办，青岛科尼乐机械设备有限公司支持的“科尼乐杯”第三届全国UHPC设计定制大赛南京举办。来自UHPC材料研发、设计制造和施工企业，以及高校、科研院所的专业人员、在校学生组成的26个团队（其中企业组17个，院校组9个）参加了本届比赛（见图6-2、6-3）。
本届大赛仍以“UHPC弹性球设计定制”为主题，按要求的尺寸与重量设计定制UHPC弹性球，在大赛现场进行“弹性”、“轻质高强”和“韧性”性能测试。本次大赛，UHPC球弹跳再创新高度，最高达到90cm，且无开裂，再一次向我们直观展示和证明了水泥基材料可以达到的强度和韧性水平，也说明水泥基材料及其所建造的结构所具备的潜力和发展进步空间！  图6-2：第三届全国UHPC设计定制大赛现场及获奖单位
图6-3：赛后全体参赛队员、大赛裁判和组织工作人员合影
4、CCPA-UHPC分会的科普与国际交流活动 在“混凝土和UHPC”微信公众号上发布UHPC相关推文，包括UHPC科普文、工程应用案例、技术文献、行业发展信息等。其中，发表的原创文“超高性能混凝土 (UHPC) 技术与应用及标准发展的大事年表”、“中国超高性能混凝土 (UHPC) 技术与应用发展报告”系列获得较高的关注度。
2024年3月CCPA-UHPC分会与CCPA国际合作中心联合组团赴德国Kassel参加第六届德国系列UHPC国际研讨会“HiPerMat 2024”，并在德国、荷兰和比利时开展UHPC技术发展和应用调研与交流，及项目参观活动。
5、2025年将开展的重要UHPC技术交流与竞赛活动 CCPA-UHPC分会组织召开的“第二届全国UHPC技术发展与创新应用大会”，计划于2025年3月13～15日在武汉欧亚会展国际酒店举办。
在CCPA行业大会和“中国混凝土博览会”期间 (2025年9月5～7日，广州广交会展馆)组织举办“第四届全国UHPC设计定制大赛”，举办 “第五届超高性能水泥基材料与应用技术(UHPC)论坛”，欢迎关注和参与。
6、首届UHPC创新奖（2023-2024年度）评奖活动 为持续推动UHPC材料技术在国内的普及和发展，激励产业创新研发和应用实践，不断突破UHPC在建筑工程、基础设施、能源等领域的应用场景和边界，“全国UHPC技术发展和创新应用大会”组委会自第二届大会起开始组织评选双年度“UHPC创新奖”。该奖为大会的重要组成部分，由大会主办方CCPA- UHPC分会组织实施。组织科学公正的评选“UHPC创新奖”及广泛宣传，进一步提升社会对UHPC材料与应用技术的认知度，同时在产业上下游形成良好的示范效应。
“UHPC创新奖（2023-2024年度）”面向全国范围共计征集48个UHPC应用项目实例，其中41项通过初审入围参赛，涵盖基础设施类（14项）、建筑类（15项）和产品类（12项）的UHPC创新应用。根据评审规则，由各方面专家组成的评审小组，评选出13个“突破奖”和17个“优秀奖”（详见表6-1）。评审规则规定“突破奖”指在世界上或中国具有突破性、开创性、独创性的UHPC应用；“优秀奖”指有重大改进的UHPC材料与技术，显著提升了UHPC应用的技术水平及经济效益。首次评奖征集的创新项目数量、创新的“突破性”和“先进性”水平都向我们展示：中国UHPC材料与应用技术在快速进步，并引领行业向更广泛应用场景、向更先进技术方向发展，正在为工程建设提供更低碳、更高性价比解决方案。评奖结果将在“第二届全国UHPC技术发展与创新应用大会”上颁奖，敬请关注。
表6-1：首届UHPC 创新奖（2023-2024年度）获奖项目与产品
结束语 在过去的五十年间，水泥基材料最重大的突破是DSP理论建立和UHPC的发明（1979年）。UHPC跨越式提高了水泥基材料的强度、韧性和耐久性；大幅提升了水泥和钢材的使用效率，不仅降低了工程建设初期的资源消耗和碳排放，而且能数倍提高工程结构在严酷环境的免维护服役寿命，再在工程寿命周期中数倍地降低了资源消耗，蕴含着巨大的环境效益和经济效益。我们应该将UHPC发展好利用好。工程建设行业为实现“双碳目标”减碳、为提升建造工程结构质量与服役寿命，需要UHPC材料及其应用技术，同时也会有力促进UHPC产业发展。
在2024年，中国UHPC应用技术、应用场景和应用量都在发展进步；在过去的6年间，我国UHPC用量平均的年增长率为46%，并保持良好的发展势头。作为新兴产业，高效率规模化UHPC的制备和构件预制生产及应用，在2024年取得重大进步。UHPC作为新质生产力，已经成为部分企业新的发展动能，展示出UHPC新兴产业的形态。（完）
来源：混凝土和UHPC |
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