超高性能混凝土研究现状及进展

项 阳，唐宾朋

（新疆农业大学交通与物流工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

0 引言

混凝土的使用可追溯到古罗马时期，随着人类社会的进步，工程建设活动趋势开始向环境恶劣区域发展，传统混凝土已无法满足建筑物在特殊环境下的长期使用，对性能良好的材料需求日趋强烈，从而超高性能混凝土应运而生。自20世纪90年代初提出概念以来，超高性能混凝土（UHPC）就引起国内外的密切关注且对其进行大量研究。相较普通混凝土，它具有更高的强度和优异的耐久性以及体积稳定性，通过低水胶比、优化骨料粒径分布、热养护和纤维增强而形成这些优良的性能。在土地资源紧缺，需要加快建设资源型社会的背景下，有效将其应用到工程建设中，并推动超高性能混凝土在国内的发展是至关重要的。

1 概念及进展

超高性能混凝土，简称UHPC，也称作活性粉末混凝土（RPC）[1]。它是一种新型混凝土材料，由水泥、硅灰、沙子、纤维、水和减水剂组成，超高性能体现在耐久性和力学性能方面。

国外对UHPC的研究工作开展较早，在材料性能方面和相关技术已比较成熟，也取得不少研究成果，并将UHPC大量应用到了工程建设中。1994年，De.Larrard等[2]首先提出“超高性能混凝土（UHPC）”的概念，与此同时法国科学家Richard等[3]成功研制出的活性粉末混凝土（RPC），其实就属于超高性能混凝土。1998年，在加拿大开展关于超高性能混凝土、RPC主题的第一次研讨会，就原理、性能和应用等方面进行讨论。后面在加拿大的舍布鲁克市得到应用，修筑了世界上第一座以超高性能混凝土为材料的地标性步行桥。西雅图市第二联合广场建设也应用了超高性能混凝土，并因此在项目成本上节省了30%。

相比于发达国家，国内对于超高性能混凝土的研究起步较晚，大多研究集中在材料性能方面。覃维祖等[4]向国内介绍了活性粉末混凝土，并详细阐述其基本原理和性能特点；黄政宇等[5]利用特制钢纤维研制出了抗压强度达200MPa的超高强钢纤维混凝土；张哲等[6]通过研究UHPC的初裂应变，发现适当增加钢纤维的掺量，可以大大提升初裂应变。冯乃谦[7]针对新拌UHPC粘性大，实际应用到工程中存在困难等问题，提出合理掺加水的用量、控制坍落度损失、利用粉体效应等措施。之后，国内一些知名高校也进行相关的研究。

在UHPC的工程应用中，如栾白铁路干线大桥中的T形梁使用超高性能混凝土，且应用在混合梁斜拉桥结构的广东榕江大桥建设中，包括石武客专的电缆槽盖板，福州大学风景桥的拱肋。同时国家颁布了标准规范《活性粉末混凝土》（GBT31387—2015），其余像《超高性能混凝土结构设计技术规程》的编制也在进行中，这些标准与规范进一步推动超高性能混凝土研究与应用的发展。

目前，我们国家对于UHPC也做了不少的研究工作，但在工程应用上状况不太理想，应用的研究热点大多在桥梁和预制构件方面。要使得UHPC在实际工程中得到更多的应用，仍必须对此课题做更加深入且全面的研究。

2 制备原理

制备原理是通过降低孔隙率、改善微观组织、增强均匀性和增加韧性等方法，控制好并预防材料内部的裂缝，使得UHPC的性能得到提升。

（1）降低孔隙率

孔隙结构是决定超高性能混凝土强度的重要因素。通过加入减水剂、超细活性粉末以及对原材料的密实填料，优化颗粒和压实进行改善。其中，硅灰是重要的原材料之一，它的颗粒细小、活性高，其水化产物有填充作用，并形成致密的界面过渡区，提高了材料的密实度。以上这些措施有效改善混凝土的孔隙率和孔径分布，填充了水泥颗粒间的空隙，从而提高混凝土的性能。

（2）改善微观结构

致密均匀的微观结构可以直接影响UHPC的性能。通过预热压和热养护工艺，在保证混凝土拌合物具有足够和易性的前提下，通过去除粗骨料，可以促进活性粉末的火山灰效应，提高材料的密实度，减少化学收缩，从而改善材料的微观结构以及骨料与水泥浆界面过渡区结构。

（3）提高韧性

韧性指的是材料的能量吸收能力，用来表征材料的抗断裂能力。UHPC中通过掺入纤维，解决混凝土本身低应变、韧性差的问题，并控制材料内部裂缝的生成，大大提高其韧性和强度，延展性与抗冲击性能也得到改善。同时其受弯性能还受到纤维长度、长径比等因素的影响。

3 相关性能

（1）力学性能方面

强度是水泥混凝土的重要性能之一，UHPC的抗压、抗拉和抗弯强度分别为 200～800MPa、25～150MPa 和 30～141MPa，这些强度取决于材料的成分、浇筑和养护条件。由于UHPC的水灰比很低，活性粉末的掺加改善了内部界面，提高界面的粘结强度，从而产生钢纤维与活性粉末复合增强效果。对于UHPC的抗压强度，是和动弹模量呈现一定的线性关系[8]。同时掺入钢纤维可以进一步提高强度和韧性，而掺入聚丙烯纤维反而会使得强度降低。普通混凝土的抗折强度很低，一般只有4～8MPa，而对于超高性能混凝土，在掺入活性粉末和钢纤维后能够大大增加强度，并解决原本混凝土脆性的问题。

（2）收缩性能方面

混凝土的收缩是由于蒸发引起的水分流失或水泥水化反应而产生的。通过在UHPC中掺加钢纤维，可以有效控制养护后所形成的干燥收缩。同时材料中硅灰的加入会影响硬化水泥浆体的孔隙率，包括总孔隙率和孔径分布，从而影响混凝土的收缩性能。其余改善UHPC收缩性能的方式还有降低水胶比，或者采用热养护等。

（3）耐久性方面

超高性能混凝土的孔隙率非常低，在水化水泥浆体中，渗透系数与孔隙的大小、连续性紧密相关，以此直接影响UHPC的抗渗性。而减水剂的用量也直接影响渗透性能，存在最佳减水剂用量，可使渗水性最低；UHPC的氯离子渗透性能可以通过矿物掺合料来提高，氯离子在超高性能混凝土中的渗透系数和扩散系数都远远低于普通混凝土，同时扩散系数也远低于高性能混凝土；在抗冻融方面，UHPC内部结构致密，外部水难以渗透到UHPC中，且钢纤维的掺加控制了裂缝的产生与扩展。

4 养护制度

养护是混凝土在硬化早期的关键环节，目前UHPC常用的养护方法有热养护、高压蒸汽养护、标准室温养护和高温养护等。

（1）热养护

热养护制度主要包括热水养护、蒸汽养护、干热养护和蒸压养护。热养护通过升高温度不仅可提高水泥水化速度和程度，还提高了UHPC强度且控制了干燥收缩。

在90℃下的蒸汽养护，相对于标准室温养护提高了所有混合物的抗压强度，并且对抗弯强度的影响和抗压强度的影响趋势相似。对于干热养护，养护时长对于UHPC抗折与抗拉强度的影响均是先提高再降低的趋势。因此在热养护中，应当控制好升降温的速度，确定好各阶段的时长和恒温温度，最佳恒温时长是与恒温温度相关的。

（2）高压蒸汽养护

高压蒸汽养护的压力、温度和时长是影响RPC力学性能的关键参数。在高压蒸汽养护下的抗压强度，是高于常温标准养护和90℃下热养护的。纤维含量为3%或4%的UHPFC只有经过8h的高压蒸汽养护后，其抗压强度才能达到200MPa以上[9]。在养护过程中，存在一个临界养护时长，当压力与温度一定时，蒸压养护时长过多，反而会降低其力学性能。同时由于其流程复杂、能耗高、设施成本高，在实际工程应用中效果并不理想。

（3）传统养护

传统养护基本以自然养护和标准养护为主。标准室温养护是应用最广泛，经济性和节能性上也较好的工艺。而自然养护在工程实际应用中更加便利，对于设施的要求很低，但由于自然情况下温度不固定，混凝土强度变化不好控制，没有一定的规律性。

相关研究表明，在标准养护28d后，UHPC强度相对于蒸汽养护、高温高压养护要低的多，并且水化作用和火山灰效应在标准养护条件下进行的较缓慢[10]。这是由于UHPC的水胶比一般低于0.20，在传统养护下，水泥超过70%未水化，仅能起到填充作用。而在自然条件养护下，通过保持高湿度和控制硅灰的用量，仍然可以使得UHPC保持较高的抗压强度。

5 研究意义及展望

超高性能混凝土因其卓越和绿色环保的性能，保证建筑物可以在诸多恶劣环境下正常且长期使用，并有效处理了工业废渣，节约土地资源，有着很重要的工程实践意义。同时节省水泥熟料，减少二氧化碳的排放，具有良好的经济效益和环境效益，符合我国可持续发展战略的要求。但同时也存在着诸多因素限制其广泛应用，如UHPC养护设施要求高，成本费用高，工程实际应用中条件有限，无法进行较好的养护。我国也缺乏相关的规范标准，这使得许多工程技术人员在设计和施工等方面对UHPC了解不够深入，暂未形成这种新型混凝土材料在行业生产与应用上的体系，并且国内对该课题相关的研究不够深入，技术尚不成熟，需要进一步完善与标准化。