超高性能混凝土国内外研究与应用进展*

李玲，明阳，陈平，陈宣东，甘国兴

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004；2.广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林541004；3.广西壮族自治区北部湾绿色海工材料工程研究中心，广西桂林541004；4.广西工业废渣建材资源利用工程技术研究中心，广西 桂林541004）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Con⁃crete，简称UHPC），不同于传统的高强混凝土和钢纤维混凝土，指的是力学性能、耐久性能等各项性能都远超普通混凝土和高性能混凝土的一种新型水泥基材料。由于其制备选用了增加原材料细度和提高活性组份的制备方式，也被称为活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）。

目前，UHPC在工程中的应用尚未进入全面实施阶段。一般工程仍以C30～C60混凝土为主，由于UHPC施工和养护条件苛刻、制备成本高等问题限制了其大面积推广应用[1]，仍有一些问题需要研究。当前我国基础设施建设正处于高速发展时期，UH⁃PC的工程应用节能减排效应明显，符合社会可持续发展的主题，蕴含巨大的经济价值。为推动UHPC的应用发展，本文针对国内外UHPC材料研究与应用现状，总结了UHPC配制理论以及力学、耐久性等方面性能，介绍了UHPC工程应用情况，指出了UH⁃PC进一步发展中存在的问题。

1 超高性能混凝土制备原理及性能特点

1.1 超高性能混凝土制备原理

二十世纪七十年代初，通过一些试验研究证实：提高水泥净浆的密实度，可以有效提高强度。丹麦学者H.H.Bache教授提出了DSP理论[2]：即采用硅灰等超细粉体颗粒分散后填充于水泥颗粒之间，从而使粉体颗粒整体的密实度提高。采用减水剂对超细粉体进行分散，硅灰等超细颗粒可填充于水泥颗粒之间取代本来需要水填充的空隙，从而提高整个体系的密实度同时降低了需水量，DSP体系可降低至0.10～0.20的超低水胶比。1993年，法国的皮埃尔·理查德采用最大粒径小于0.6mm的石英砂作集料，依据最大密实理论模仿“DSP材料”，成功研制出具有超高强度、超高耐久性、超高韧性和良好体积稳定的活性粉末混凝土（RPC）[3]。并于1994年在美国首次进行了报道。通过高压成型和高温高压蒸养的RPC，抗压强度最高达到了800MPa。

此后，不同国家的学者开展了大量关于RPC的配制原理和性能的研究工作，并针对不同需求通过改良制备出多种类型的UHPC。通过改善混凝土内部的结构、形貌、孔径分布和均匀性，可显著提高其宏观性能，而UHPC就是结合DSP材料的优点并改进而来的。其基本原理概括如下：（1）通过增加原材料的细度和提高活性成分的反应活性等途径，来减少材料中的微裂纹和孔隙；（2）采用高效减水剂大幅度降低UHPC材料配制的水灰比；（3）依据紧密堆积理论，剔除粗骨料以增加体系的密实度；（4）通过掺入钢纤维以增加材料的延性和韧性；（5）采用蒸汽养护方式实现水化产物分布和形貌的优化[4]。

1.2 超高性能混凝土性能特点

1.2.1 超高的力学性能

单纯超高抗压强度的水泥基材料往往伴随着“超高脆性”，并不意味着“超高性能”。通过添加短纤维，UHPC不仅拥有超高的抗压强度同时还拥有超高的抗折强度和韧性。早期使用长度6～12mm、直径0.15～0.4mm的直圆光钢纤维，所配制UHPC抗拉强度可达30MPa，断裂能可达1500～40000N/m，UHPC从而进入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1000J/m2即划为韧性材料）。如今，加入异形钢纤维，特别是高强扭转型钢纤维的使用，进一步提高了UHPC的抗拉强度、形变能力、断裂能或韧性。此外，还可采用高强高模聚乙烯醇（PVA）有机纤维用于提高UHPC的强度和韧性。UHPC超高的力学性能数据见表1[5]。

1.2.2 优异的耐久性

UHPC超高的耐久性是另一个最具吸引力的性能，根据理论和试验研究基本确定：UHPC没有冻融循环、碱-骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、抗磨耗等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。UHPC优异的耐久性能指标见表2[6]。可见，UHPC的各项耐久性指标均远超普通混凝土和高性能混凝土，可以用于工程长寿命结构设计。

UHPC结构与钢结构相比，具有高耐久和几乎零维护费用的优势，与传统钢筋混凝土结构相比，寿命可成倍提高。目前通过理论分析、现场暴露试验和实际工程检测，预测UHPC结构使用寿命，在自然腐蚀环境中（如海洋环境）可超过200年；在非腐蚀环境（如城市建筑）可达到1000年。相对保守的日本指南认为，在正常使用环境下UHPC结构的设计使用寿命为100年。

1.2.3 良好的环保性和经济效益

使用B.L.Damineli等提出的碳浓度指数（CO2intensity）和胶凝材料浓度指数（binder intensi⁃ty）这两个水泥生态效率指标来评价UHPC的生态效率，发现UHPC属于最低碳的水泥基材料，其水泥或胶凝材料的利用率最高。结合具体工程结构计算比较，可以量化分析UHPC的节能、减排和节材效果。例如，对比典型的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥与UHPC门型梁的梁板一体公路桥（两个桥的长度、宽度和功能完全相同），通过量化分析表明：UHPC桥节材体积为24%，节材重量为35%，节能54%，减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP（当量CO2排放）分别达到59%和44%。UHPC节材和减排优势见表3[7]。

表1 几种混凝土的主要力学性能对比

表2 几种混凝土的主要耐久性的对比

表3 同等承载力条件下不同混凝土参数对比

由表3可知，相同承载力作用下，UHPC的等效体积最小，加之能够在结构中承受更高的剪切荷载作用，从而可以减少梁中的辅助配筋。所以，采用UHPC替代普通混凝土用于工程结构的设计，不仅可显著地减小工程结构的尺寸，同时还可减少建造材料的消耗。尽管UHPC材料更为昂贵，但由于UHPC的耐久性好，维护要求和成本低，结构物全生命周期内成本更低。

2 国外研究与应用进展

UHPC具有优异的力学性能和超高的耐久性能，所以自问世以来，一直备受人们的关注。在UH⁃PC研究领域，国外一直处于领先地位，针对UHPC开展了大量关于原材料组成、配合比设计、工作性能、力学性能、耐久性能、微观结构等方面的研究工作。Pierre Richard等人系统研究了不同材料、不同工艺和养护制度对RPC性能的影响，并总结提出RPC的增强、增韧方法[3]；Marcel cheyrezy等人系统开展了RPC微观结构研究，揭示了RPC超高强和超高耐久性的原理[8]；J.Dugat等人通过开展RPC力学性能试验和不同纤维掺量试验，得出了钢纤维的最佳掺量[9]；Soliman等人基于CPM模型研究了UHPC配合比，进而分析了玻璃粉替代硅灰量对UHPC抗压强度的影响[10]；Zdeb等人研究了热养护参数对RPC抗压强度的影响，得出蒸汽养护和蒸压养护的最佳参数[11]；Smarzewski等人研究了掺混杂纤维对UHPC性能的影响，发现钢纤维对UHPC抗拉强度贡献最大[12]；V.Morin等人通过试验研究了RPC水化反应进程中的孔隙结构特性[13]。此外，国外一些学者通过试验研究还总结出了RPC细颗粒组合的数值级配优化方法和原则[14]。

目前，UHPC在国外已经开展了大量工程应用并取得良好的效果，例如：加拿大最先采用RPC修建了一座人行天桥，这是世界上首次使用RPC材料开展的工程应用实例；法国2001年建成了世界上最早的UHPC公路桥—Bourg-les-Valence跨线桥[15]；2006年美国在爱荷华州建成了Mars Hill公路桥，美国还利用RPC材料制备了特殊要求的管道[16]；德国于2007年建成世界上首座UHPC-钢组合桥梁—Grtnerplatz桥[17]；2010年奥地利建成世界上第一座UHPC公路拱桥—Wild桥[18]；日本采用UHPC建造的Sakata Mirai人行天桥，自重只有普通混凝土桥梁的20%[19]。马来西亚Dura科技公司实现了UHPC的商业化，目前已建成桥梁100多座，是世界桥梁结构应用最多的国家[20]。韩国修建了世界上第一座UHPC人行斜拉桥，推动了UHPC在斜拉桥上的应用，设计建设的UHPC斜拉桥（Legoland Theme Park Bridge），为独塔双跨斜拉桥，主跨100m，圆环形主塔高35m，主梁采用UHPC双主梁，桥面板厚15cm，主梁自重减少30%[21]。国外为了推动UHPC广泛地应用于实体结构上，研究方向已由UHPC基本性能的研究转为UHPC构件及结构设计。

3 国内研究与应用进展

我国关于UHPC的研究和应用起步较晚，近年来也开展了大量研究工作。曹峰、覃维祖等人采用粉煤灰作掺合料配制出性能优良的UHPC，并同时研究了粉煤灰对UHPC的物理和化学作用[22]；刘斯凤、孙伟等人对UHPC耐久性进行了研究，结果表明：UHPC的抗碳化、抗冻融及耐水等性能非常优异[23]；施韬、施惠生等人采用矿渣作为活性组分配制RPC，系统研究了矿渣掺量、养护条件等对RPC力学性能的影响[24]；龙广成、蒋正武等人围绕RPC的自干燥效应开展了系列研究[25]；胡曙光、彭艳周等人开展了掺钢渣粉RPC的试验研究[26]；何峰、黄政宇等人开展了200～300MPa活性粉末混凝土（RPC）的配制技术研究[27]；李月安通过研究发现在UHPC基体中加入0.15%的聚丙烯纤维后，UHPC的冲击韧性提高了5.2%[28]；耿飞、钱春香等人发现UHPC中大掺量EA膨胀剂可促进钙矾石的产生从而补偿收缩[29]；明阳、李顺凯等人先后在大掺量矿物掺合料UHPC配制技术、UHPC补偿收缩技术及大体积结构UHPC应用技术等方面开展了研究工作[30]。邵旭东等人设计并研究了正交异性钢板-薄层超高性能混凝土组合桥面结构体系，研究表明在结构刚度和疲劳开裂等问题上均优于普通钢桥面板和其它组合桥面板[31]。

目前，国内除了在UHPC材料和结构方面开展了大量研究，实际工程应用也越来越多。1999年，北京交通大学就研究设计出UHPC箱梁、T梁、槽梁、无配筋空心板等预制构件，并在北京五环和青藏铁路中获得成功应用[32]。2006年迁槽铁路滦柏干渠大桥采用了低高度后张预应力UHPC梁；2008年UH⁃PC低高度梁又在蓟港铁路上获得应用。湖南大学方志教授团队主持研发和设计的国内首座UHPC桥梁——长沙北辰三角洲横四路跨街天桥于2016年顺利建成通车，这也是国际上首座采用全预制拼装工艺建成的UHPC车行箱梁桥。邵旭东[33]采用UH⁃PC设计了钢-UHPC组合桥面板结构，充分利用UH⁃PC的高抗拉特性解决了普通钢桥面铺装易开裂的难题，并在广东肇庆马房大桥取得成功应用。随后邵旭东团队采用该结构在怒江二桥开展了现浇施工应用研究，继而采用UHPC钢桥面铺装建成株洲枫溪大桥和洞庭湖大桥。中交二航局团队在高温、高盐环境采用现浇UHPC进行了中马友谊大桥钢桥面铺装，通过自动摊铺设备厚度精确控制在6cm，总铺装面积达2325m2。襄阳庞公大桥首次在索塔钢混结合段之间采用现浇UHPC进行大体积施工，共浇筑UHPC方量达300m3，实现UHPC大体积混凝土结构的首次工程应用[34]。正在建设的南京五桥，主梁底板、腹板采用钢结构，顶板采用17cm厚超高性能混凝土板，UHPC设计抗折强度大于18MPa、抗压强度大于150MPa，采用5～10mm碎石粗骨料进行配制，显著降低了UHPC的配制成本。青龙洲大桥主梁为钢-UHPC轻型组合梁，其中桥面板采用钢板条与UHPC矮肋板组合的形式，顶板厚100mm，纵肋高120mm（含8mm厚钢板条），该桥正在施工中，将于2019年底建成通车。

4 研究和应用中存在的问题

UHPC具有十分优异的性能，在实际工程中也得到了良好的应用效果。但由于某些技术发展的迟滞，UHPC的优异性能不能得到充分发挥，在其研究和应用过程中存在的主要问题包括以下几个方面：

（1）制备工艺复杂。由于UHPC是采用紧密堆积理论进行配制的，所以需要通过调整原材料颗粒级配使体系达到最紧密堆积状态，利用高效减水剂实现超低水胶比配制，同时需要添加大量钢纤维提高抗拉强度，所以UHPC工作性能差粘度大，搅拌过程和施工过程困难对设备要求较高。此外，蒸汽养护能显著提高UHPC的性能，为了实现更好的性能，有时必须采用蒸汽养护。所以，如何提高UHPC的工作性能和实现现浇免蒸养的高性能化，是今后主要的研究方向。简化UHPC的制备工艺才能使其在现浇工程中得到大面积推广。

（2）生产成本高。配制UHPC需要使用大量优质原材料，包括优质水泥、优质石英砂、硅灰、超细粉煤灰、镀铜钢纤维和高效减水剂等材料，导致其配制成本较普通混凝土大大提高，尤其是需要添加大量价格昂贵的镀铜微丝增韧，是限制UHPC在工程中大面积应用的主要因素。因此，根据UHPC的制备原理来寻找来源广泛且价格低廉的替代材料，提高纤维使用效率，降低UHPC的制备和生产成本是当前以及今后的主要研究方向。

（3）自收缩大。由于UHPC配制过程水泥用量超大，又要大量使用硅灰等活性粉末材料（其中硅灰掺量可达20%以上），同时制备原理要求水胶比超低，所以UHPC早期水化放热量较大、自收缩量也很大。另一方面，如果UHPC采用蒸汽养护，在养护过程中其局部温度易产生较大变化，进而造成较大的温度收缩。所以，如何通过补偿收缩技术有效抑制UHPC的自收缩以及减少温度收缩，也是今后重要的研究方向。

（4）相关规范标准不完善。当前我国UHPC相关标准规范发展滞后，只有少量材料相关的规范标准，如2006年实行的《客运专线RPC材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》，以及2015年颁布的国家标准《活性粉末混凝土》。但相关结构设计规范还未完全出台，仅有一些供参考的地方标准，如2015年广东省颁布的《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》。UHPC相关标准的不完善，给UHPC的结构设计和应用等方面带来了困难，直接限制了UHPC在我国的应用。2018年由中国混凝土与水泥制品协会一次性下达了《超高性能混凝土：预制构件技术规程》、《超高性能混凝土：结构设计技术规程》、《超高性能混凝土：现场浇筑施工技术规程》的标准制定计划，以上三项标准制定完成后，将能更好的促进UH⁃PC在我国的工程应用。所以，完善相关的规范标准以更好地指导UHPC的快速发展是目前首要解决的问题。

5 总结

UHPC是一种基于紧密堆积理论制备的新型水泥基复合材料，具有优异的力学性能、耐久性能和环保经济效益。国外在UHPC理论研究和应用研究方面都取得了大量成果，UHPC在国外实际工程中已经获得了广泛的应用。近年来国内研究人员紧跟国际步伐，开展了大量的UHPC理论研究和应用研究，并实现了一批实际工程应用，为我国UHPC的大面积推广应用奠定了基础。但是目前我国UHPC在研究和应用方面还存在一些亟需解决的问题，比如材料工作性能差、养护制度苛刻、制备和材料成本高、自收缩大、相关设计和施工标准仍需完善等。在应用方面，UHPC在预制构件领域应用较好，在现浇工程中的应用也逐步开始，但主要集中在钢桥面铺装、钢混结合段和湿接头湿接缝等部分工程部位，完全采用UHPC材料设计的结构应用较少。这与国外UHPC工程应用还存在一定的差距，尤其在中国近30年大规模的基础设施建设背景下，显得差距更大。随着“绿水青山就是金山银山”理念的深入，中国对环保和可持续发展的日益重视，UHPC这种低碳环保材料在今后的基础设施建设中将有广阔的应用前景，我国在UHPC的理论研究和工程应用方面也有望赶上并超过世界先进水平。