在瑞士路网中采用超高性能纤维增强水泥基复合材料（UHPFRC）对桥梁管理的环境与经济效益

为何保留旧桥很重要

在世界各地，许多建于20世纪中期的公路桥梁正逐步接近其预期使用寿命。将它们拆除并重建既昂贵，又会给出行者带来干扰，还会释放大量温室气体。本研究提出了一个看似简单但影响深远的问题：与其更换老化桥梁，是否可以可靠地对其进行升级和保护，使其恢复如新——同时节省成本并减少排放？

为疲惫的桥梁换一层新皮

研究的核心是一种名称较长但目的明确的材料：超高性能纤维增强水泥基复合材料（UHPFRC）。与普通混凝土相比，UHPFRC在压缩和拉伸方面都更强，而且在正常荷载下几乎不透水。工程师可以在现有桥面上铺设一层很薄的这种材料，通常仅5到10厘米厚，并配以钢筋加固。在对旧混凝土进行适当凿毛并润湿处理后，新层能与旧体良好粘结，使新旧材料共同工作，形成更坚固的整体结构。这种“新皮”不仅能保护桥梁免受水和除冰盐的侵蚀，还能显著提高其承载交通荷载和抗疲劳的能力。

已在数百座桥梁上验证

瑞士已成为该方法的大规模试验场。2011年至2024年间，工程师在瑞士高速公路网的300多座桥梁上采用了UHPFRC。一些工程仅关注耐久性——加一层薄薄的保护层——而许多工程则同时对结构进行了加固。受处理的桥梁类型多样，从乡村小桥到长度超过两公里的大型高架桥，涵盖板桥、多梁桥、箱梁、拱桥，甚至钢—混凝土组合结构。在大多数项目中，所有者希望升级后的桥梁能提供与全新桥相同的安全性并达到80年的使用寿命。实际上，UHPFRC层通常将旧桥的使用寿命延长数十年，且常常消除了必须更换桥梁的需要。

核算碳排放与法郎成本

作者将典型的UHPFRC加固与完全拆除重建一座常见公路天桥进行了比较。他们按全球增温潜势来计算环境影响——即所有材料与施工步骤的总体气候足迹——并统计了每平方米桥面板的财务成本。新建桥梁的碳排放约为每平方米1085千克二氧化碳当量，其中大部分来自大量混凝土和钢材的生产与装配。相比之下，UHPFRC干预只需一层高性能薄层并进行一些局部修补，导致的排放约为每平方米180千克二氧化碳当量。对于相同80年寿命延长而言，这相当于降低了约83%的气候影响。在经济上，情况类似：更换桥梁的成本大约为每平方米10,000瑞士法郎，而使用UHPFRC加固的成本约为每平方米2,500法郎——节省比例约为四比一。

放大到全国道路网络的影响

为了评估这对整个国家意味着什么，团队分析了瑞士联邦高速公路网的全部3903座桥梁。他们根据结构类型、材料、尺寸、年龄和当前状况等因素，检查了每座桥梁是否技术上适合采用UHPFRC方法。由于几乎所有桥面板均由钢筋或预应力混凝土构成，且其跨径和布局与已升级的桥梁相同，他们发现该技术可应用于超过99.7%的总桥面面积。然后，团队使用基于设计寿命、观察到的劣化或固定年度预算的三种不同桥梁更换情景，估算如果所有者在可能的情况下选择UHPFRC加固而非拆除重建，可节省多少碳和资金。

长期收益与规划自由度

在所有情景下，结果都十分显著。在80年期视角下，系统性地选择UHPFRC加固可避免多达770万吨二氧化碳当量的排放——相当于成千上万辆汽车若干年的排放量——并最多可节省185亿瑞士法郎的建设成本。由于加固远比完全更换便宜，同样的公共预算可以更早地处理更多桥梁，从而降低老化结构滑入危险状态的风险。分析表明，在当前年度预算下，传统的“损坏就更换”策略会产生日益增长的紧急维修积压，而以UHPFRC为先的策略则能跟上节奏，甚至在问题变得严重之前实施预防性干预。

对未来桥梁的启示

对非专业读者而言，主要信息是：保留并升级桥梁往往比拆除更明智。在现有结构上加一层薄薄的高性能材料，可以恢复强度、阻隔水和盐，并增加数十年的安全使用期，同时大幅降低成本和气候影响。作者认为，对于与瑞士类似的桥梁网络，当桥梁接近其名义上的“寿命终点”时，UHPFRC加固应成为默认选择，而完整更换应保留给真正无法挽救的情况。随着更清洁版本材料的开发和全球经验的积累，这种方法为实现更安全、更经济、更低碳的交通基础设施提供了一条切实可行的路径。

引用: Bertola, N., Küpfer, C. & Brühwiler, E. Environmental and economic benefits of UHPFRC intervention in bridge management for the Swiss network. Nat Commun 17, 2076 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69103-x

关键词: 桥梁修复, UHPFRC, 基础设施可持续性, 生命周期评估, 碳排放节约