超高性能混凝土耐久性及工程应用研究

潘苏锋 张慧颖 黄海燕

摘 要：超高性能混凝土（UHPC）是一种拥有更高强度、更好耐久性能的新型水泥基复合材料。与传统的混凝土相比，UHPC在大跨度特殊结构、超高层建筑以及混凝土修复中具有重要的应用价值。本文从UHPC的发展、耐久性及在工程中的实际应用等几个方面对UHPC进行阐述，为云南省低纬度高海拔的施工提供相应的理论支持，并进一步推动UHPC在实际工程中的应用。

关键词：超高性能混凝土;复合材料;耐久性

中图分类号：TU528.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0100-03

Abstract： UHPC is a new type of cement-based composite material with higher strength and better durability. Compared with traditional concrete， UHPC has important value in the use of long-span special structures， super high-rise buildings and concrete repair. In this paper， the development， durability and practical application of UHPC were discussed in order to provide theoretical support for the construction status of low latitude and high altitude in Yunnan Province and further promote the application of UHPC in practical projects.

Keywords： ultra-high performance concrete;compound material;durability

自從波特兰水泥发明以来，水泥混凝土逐渐成为土木工程领域重要的建筑材料。与其他建筑材料相比，混凝土的制备原料来源广泛、生产工艺简便、能耗相对较低，且具有强度高、耐久性好、力学性能优异等突出的优势[1]。随着超高层建筑、大跨度桥梁等特殊结构的快速发展，对混凝土的耐久性、韧性等提出了更高要求。在此背景下，1994年，Larrard等首次提出超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）的概念。经过20多年的发展，UHPC在配合比设计、材料性能、养护方法以及工程应用等多个方面都取得了相应的成绩。为了对UHPC有一个比较系统的认识，本文结合云南省低纬度、高海拔这样特殊的施工环境，从UHPC的发展、耐久性及工程中的实际应用等几个方面出发，对UHPC的性能、工程应用前景进行分析。

1 UHPC的发展

UHPC的发展是强度不断增强的一个过程。从混凝土发明到现在超高性能混凝土的提出，抗压强度由最初的20～30MPa逐渐发展到150～200MPa。20世纪60年代，高效减水剂的发明促使低水灰比的高强混凝土诞生（抗压强度大于50MPa）[2，3]。高效减水剂使混凝土用水量减少的同时，也降低了混凝土的内部缺陷。20世纪70年代，在高效减水剂的基础上，丹麦科学家发明了超细粒聚密水泥（抗压强度达到128MPa）[4]。超细粒聚密水泥的发明为超高性能混凝土的研究奠定了基础。20世纪80年代，Birchal等开发出无宏观缺陷的水泥基材料（抗压强度大于150MPa）[5，6]，这种材料最大程度地减少了混凝土内部的孔隙率，提高了混凝土的密实度，为混凝土的后续发展提供了比较好的理论资料。20世纪90年代，法国Bouygues在超细粒聚密水泥、无宏观缺陷水泥基材料及钢纤维混凝土研究基础上，研发出活性粉末混凝土[7]，该发明从理论上拓展了无机胶凝材料学，同时也为超高性能混凝土的研发找到了新的方向。1994年，Larrard等首次提出超高性能混凝土（UHPC）的概念。以活性粉末混凝土制备原理为基础的UHPC材料的研究与应用，是当今水泥基材料发展的主要方向之一，并且朝着更环保、更绿色的方向拓展新的领域[8，9]。

2 UHPC的耐久性

大量试验证明，混凝土耐久性极佳的原因是其极低的水胶比及极小的孔隙率和比较好的微观结构。混凝土耐久性具体表现在吸收水的能力、氯化物渗透性、抗冻融能力以及钙矾石的形成速率等几个方面。目前，学术界主要从2个方面对UHPC的耐久性进行评价：一是抗冻融循环能力，用耐久性系数（冻融循环后动弹性模量与冻融后的弹性模量之比）和质量损失率来表示;二是氯化物渗透速率，氯化物的渗透会严重腐蚀钢筋，大大降低其力学性能，氯化物的渗透速率往往与钢筋腐蚀速率呈正相关，故也常常用后者来表征前者[10]。

通过冻融试验，沈磊[11]研究了超细活性粉末的掺入对UHPC耐久性的影响，发现超细活性粉末的掺入提高了UHPC的密实度，使UHPC内部结构致密，有效抑制了CO2和Cl-的扩散，从而提高了UHPC结构的耐久性。经过多年的发展，单纯提高密实度已经不能满足工程应用的需求。研究超高性能混凝土宏观渗透性能与微观结构时差规律之间的关系，并通过实验结合理论建立合理的超高性能混凝土气体、液体渗透变性模型，对工程具有重要的指导意义。安明喆等[12，13]通过研究超高性能混凝土抗氯离子渗透性发现，其氯离子的扩散系数均低于标准的0.4，故材料的抗氯离子渗透性能极佳。超高性能混凝土以其致密的结构和极小的孔隙率，使其各方面的耐久性都得到一定程度的提高。为了更加深入地了解UHPC的抗氯离子机理，要建立相应的骨料分布模型及氯离子在超高性能混凝土中的传输模型，从宏观、微观2个尺度深入研究超高性能混凝土对准确预测建筑使用寿命具有重要意义。

3 UHPC的工程应用

超高性能混凝土凭借其超高的力学性能和耐久性，与普通混凝土相比，能在复杂、恶劣的环境中提高建筑的使用年限，并且降低后期的维护费用。公路、桥梁是其中最为显著的代表[14]。加拿大于1997年建成世界上第一座用超高性能混凝土修建的大型结构舍布鲁克人行桥（见图1）。该桥的主体为预制钢管-超高性能混凝土桁架结构，采用后张法拼装而成[1]。

奥地利建造的世界上第一座UHPC公路拱桥（见图2）提供了理论支撑及工程施工经验[15]。该桥为并列的双桁架拱，由预制正方形薄壁箱梁和接头现场组装而成，拱内部安装体外后张预应力钢索施加预应力。采用UHPC建造轻质桁架拱，使拱桥结构细巧、造型优美。

除了在桥梁上的应用，超高性能混凝土在薄层和轻型结构上也为建筑师开拓了空间。法国的Millau收费站，该屋面板全长9m，宽28m，而板厚仅为10cm，结构飘逸美观[16]，如图3所示。

4 结语

自UHPC诞生至今，已经发展了近20年，从最初单纯追求混凝土的高强度到后来兼顾各种力学性能，再到利用耐久性、自重轻等优点达到节能减排、节约成本实现可持续发展的目标，UHPC成为发展前景广阔的新型工程材料。未来对UHPC的研究不能仅仅停留在单因素影响上，应深入探讨多种复杂环境因素耦合条件下的耐久性。此外，对UHPC宏观行为及微观结构关系的深入研究，将进一步丰富超高性能混凝土理论，并推动其在工程中的实际应用，应用前景一片光明。

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