超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete)材料特徵與結構行為

成大土木工程學系研究助理 黃正豪

成大土木工程學系碩士生 吳子其

成大土木工程學系碩士生 於念淨

成大土木工程學系 特聘教授 洪崇展

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC)於力學性能與耐久性上具卓越表現，當應用UHPC取代傳統混凝土材料時，須全面了解UHPC構件於各類荷載作用下之結構行為。本文針對UHPC構件進行簡要性回顧，內容包含UHPC構件於軸力、剪力及彎矩作用下之行為與分析設計方法。

超高性能混凝土，又稱超高性能纖維混凝土(Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete，簡稱UHPFRC)，為一新興結構材料。由於其低水膠比(w/b < 0.25)、高膠結材料含量、細微礦物摻料，以及顆粒最佳級配設計，UHPC具備極高耐久性與超高抗壓強度。UHPC之特徵為展現擬似抗拉塑性或應變硬化行為，且伴隨密集且細小的裂縫，即所謂「多重裂縫反應」(multiple cracking response)。除了改善抗拉行為外，UHPC中所添加之不連續短纖維亦能提供如同傳統箍筋般的圍束效應，使UHPC受載時，韌性、強度保持性、抗爆裂與剝落性及能量吸收能力方面，均遠優於傳統高強度混凝土(HSC)。

目前研究與工程實務已廣泛應用UHPC在新建結構、補強與修復，以及基礎設施。例如，應用於橋梁系統，包含橋面板、現澆連接、橋柱及輕質耐久之橋梁主梁。此外，由於UHPC低滲透性，其對於環境劣化作用之防護極為有效，可減少維護需求並延長使用年限。UHPC亦能使設計者發展創新之結構形式，在減少鋼筋用量、降低鋼筋擁擠與縮小斷面情況下，仍提供卓越的力學性能。

在結構應用上，UHPC構件通常配置鋼筋(R/UHPC)以提升力學行為。R/UHPC構件整體結構性能優於傳統RC構件，然其力學行為與破壞模式卻顯著不同，設計應用時需進一步了解才能有效發揮其特性。本文系統性檢視R/UHPC構件之結構行為、設計與分析方法，以促進R/UHPC之合理應用與設計，並為未來實務應用提供參考。

3.4UHPC柱

設計規範通常要求特殊抗彎矩構架之RC柱配置密集之橫向鋼筋，以確保在極端荷載下呈現韌性破壞模式。然而，此要求常導致鋼筋擁擠與施工困難。基於UHPC卓越之力學與抗損傷特性，於結構柱中採用UHPC，有望在維持或改善柱之目標行為的同時，簡化鋼筋設計。

既有研究(Hung等人2018; Hung與Yen 2021）顯示，以UHPC取代傳統混凝土用於短柱與細長柱，可在不犧牲柱體抗壓行為的條件下，減少所需之圍束鋼筋量。當纖維體積取代率僅0.75%時，鋼纖維已能有效緩解混凝土剝落與壓碎，並抑制縱向鋼筋之挫屈；破壞模式之改善，平均使柱之峰值軸壓強度提升約50%。

類比於RC柱抗壓強度之評估流程，亦有研究針對R/UHPC柱提出等效壓力塊係數。Hung與Yen(2021)所得之等效係數顯著低於0.85，並評估ACI ITG-4.3R (2007)抗壓強度公式用於R/UHPC柱之適切性，結果顯示，以該文獻中公式評估R/UHPC柱之峰值抗壓強度之結果偏保守，強度平均將低估約10%。最終假定有效圍束UHPC核心面積與鋼纖維及橫向鋼筋量相關，並建立受圍束UHPC抗壓強度之預測模型，對26支UHPC柱之估算平均誤差約1%。

以UHPC取代RC柱可大幅縮小柱之斷面尺寸，但細長效應將加劇P-Delta效應，致使細長R/UHPC柱承載力下降。Hung等人(2018)對兩端鉸支、偏心受壓至破壞之細長R/UHPC柱進行系列試驗，結果顯示，當添加V_f=1.5%之鋼纖維時，柱之壓碎應變由0.0025提升至0.0036。此外，儘管含纖維之UHPC柱的圍束鋼筋量減少70%，其力量-位移關係仍與不含纖維且鋼筋量符合ACI 318規定之UHPC柱相當。最終，該研究採用ACI 318之彎矩放大法評估試體總彎矩需求之誤差小於6%。

3.5剪力牆

RC剪力牆具有優異之強度與勁度，惟低矮剪力牆在反覆地震力作用下易由剪力行為主要控制，進而迅速劣化其勁度與強度，限制消能與其韌性。Hung等人(2017)及Hung與Hsieh(2020)以低矮R/UHPC剪力牆進行反覆載重試驗，添加端鉤鋼纖維除了可使牆體之剪力承載能力提升約70%外，亦可將縱、橫向鋼筋之應變需求分別降低逾20%與40%。Hung與Hsieh(2020)以壓拉桿模型(strut-and-tie model)評估低矮R/UHPC牆之剪力能力，並引入UHPC之壓力軟化係數，考量正交拉力對壓桿抗壓強度之折減，該模型對試體之剪力強度預測誤差小於5%。

四、結論與建議

UHPC在靜態與動態載重作用下之優越材料性能，使得開發新型且更具多樣性的結構構件成為可能。既有研究已突顯UHPC於連接、修補、補強與防護等不同載重型態下的應用潛力。

1.相較於RC構件，R/UHPC撓曲構件在裂縫型態、勁度與強度方面皆有提升。提高縱向鋼筋比使UHPC之高抗壓強度與應變容量得以發揮，可顯著提升韌性。惟此作法與RC撓曲設計中偏好的受拉控制設計理念不同。

2.由於UHPC在強度、極限應變、圍束效應與抗剝落/壓碎方面具超高性能，以UHPC取代一般RC構件之混凝土有助抑制與抗壓相關的破壞型態。即便細部設計簡化且圍束鋼筋用量降低，R/UHPC柱之抗壓表現仍優於一般RC柱。

3. R/UHPC梁可達到遠高於現行RC設計規範所規定之混凝土設計剪力強度(至少三倍以上)，對結構設計具有實質助益。例如，典型之低矮RC剪力牆的剪力主控行為可轉化為撓曲控制，進而提升韌性並呈現穩定之遲滯反應。

4.高強度鋼筋與UHPC之組合，可作為解決高強度鋼筋用於一般強度混凝土構件時可能出現之不利行為或破壞模式的可行方法，此類不利行為或破壞模式包括裂縫寬度過大、劈裂破壞、混凝土過早壓碎以及鋼筋挫屈。

5.由於UHPC具有高握裹強度，可簡化內部鋼筋之錨定設計，對連接設計與高強鋼筋尤其有利。

6.既有UHPC規範顯示，現行RC之耐震設計規定對R/UHPC構件可予以放寬，範圍包括鋼筋發展長度、圍束與剪力鋼筋用量、設計可允許之最大剪力、以及最大縱向鋼筋比。

參考文獻

1.ACI ITG-4.3 R-07. (2007). Report on structural design and detailing for high-strength concrete in moderate to high seismic applications: American Concrete Institute.

2.Bermudez, M. & Hung, C., (2019) “Shear Behavior of Ultra-High Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete Beams”, International Interactive Symposium on Ultra-High Performance Concrete Papers 2(1).

3.Bermudez, M., & Hung, C.-C. (2024). Shear Strength Equation and Database for High-Strength High-Performance Fiber-Reinforced Concrete and Ultra- High-Performance Concrete Beams without Stirrups. ACI Structural Journal, 121(4).

4.Bermudez, M., & Hung, C.-C. (2025). Shear Strength Database for Nonprestressed High- Strength High-Performance Fiber-Reinforced Cementitious Composites and Ultra-High-Performance Concrete Beams without Stirrups. ACI Structural Journal, 122(1).

5.Hung, C.-C., & Chueh, C.-Y. (2016). Cyclic behavior of UHPFRC flexural members reinforced with high-strength steel rebar. Engineering Structures, 122, 108–120.

6.Hung, C.-C., & Hsieh, P.-L. (2020). Comparative study on shear failure behavior of squat high-strength steel reinforced concrete shear walls with various high-strength concrete materials. Structures, 23, 56–68.

7.Hung, C.-C., & Yen, C.-H. (2021). Compressive behavior and strength model of reinforced UHPC short columns. Journal of Building Engineering, 35, 102103.

8.Hung, C.-C., Hu, F.-Y., & Yen, C.-H. (2018). Behavior of slender UHPC columns under eccentric loading. Engineering Structures, 174, 701–711.

9.Hung, C.-C., Lee, H.-S., & Chan, S. N. (2019). Tension-stiffening effect in steel-reinforced UHPC composites: Constitutive model and effects of steel fibers, loading patterns, and rebar sizes. Composites Part B: Engineering, 158, 269–278.

10.Hung, C.-C., Li, H., & Chen, H.-C. (2017). High-strength steel reinforced squat UHPFRC shear walls: Cyclic behavior and design implications. Engineering Structures, 141, 59–74.

11.Hung, C.-C., Yuen, T. Y. P., Huang, C.-W., & Yen, C.-H. (2022). Tension lap splices in UHPC beams: Influence of rebar size, steel fibers, splice length, and coarse aggregate. Journal of Building Engineering, 55, 104716.

12.Li, He-Sheng. (2016). Tension stiffening behavior and structural flexural behavior of steel reinforced UHPFRC members. Master Thesis. National Cheng Kung University, Department of Civil Engineering. 1-99.

13.RILEM TC 162-TDF (2003). Test and design methods for steel fibre reinforced concrete'-sigma-epsilon-design method. Materials and Structures, 36(262), 560-567.

14.Shao, Y. & Billington, S. L., (2019) “Utilizing Full UHPC Compressive Strength in Steel Reinforced UHPC Beams”, International Interactive Symposium on Ultra-High Performance Concrete Papers 2(1).

15.Wen, K. W., Bermudez, M., & Hung, C. C. (2024). Shear Strength and Model of Non-Prestressed Rectangular UHPC Beams: Influence of Coarse Aggregate. American Concrete Institute, ACI Special Publication,

16.Yen, C.-H., Dlamini, M. N., & Hung, C.-C. (2025). Bond demand and strength of spliced high-strength steel bars in HSC and UHPC beams under bending. Engineering Structures, 337, 120463.

圖1  UHPC 之壓力模型(FHWA-HRT-23-077 2023)

圖2  UHPC 之拉力模型(FHWA-HRT-23-077 2023)

圖3  UHPC梁之剪力強度(Wen等人 (2024) ADDIN EN.REFLIST )