超高性能混凝土的发展现状及工程应用介绍

吴子通，王林彬，高 寒，易碧良，李庚英

（1、广州北环智能交通科技有限公司 广州 510030；2、华南农业大学水利与土木工程学院 广州 510642）

0 引言

混凝土是一种由胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和外加剂组成，经过搅拌混合和凝结硬化后具有一定强度的人造建筑材料。与其他建筑材料相比，混凝土的原料来源丰富，生产制作简便，具有良好的经济性，耐久性和适用性。

在历史的长河里，以色列人的加利利城，古埃及人的阶梯金字塔，古罗马的万神庙和斗兽场，都留下了利用火山灰和石灰制作的“幼年混凝土”的身影，古罗马万神庙更是第一次将混凝土由黏结材料变作主体建筑材料。1756年三埃迪斯通灯塔的建造通常被看做是现代混凝土的起点，1909 年建造的富兰克林25 号公寓是现代建筑历史中第一幢明确展现框架的钢筋混凝土建筑。在20 世纪20 年代、50 年代和70 年代，混凝土的平均抗压强度可分别达到20、30、40 MPa［1］。随着混凝土的应用逐渐广泛，社会经济的日益增长，人类社会对混凝土性能的需求也越来越高，强度为30 MPa 以下的混凝土已经无法满足现代建筑工业的需求，水灰比等学说的发展使高强度混凝土的制备成为可能［2］。事实上，20世纪70年代末，在减水剂和高活性掺合料的作用下，强度在60 MPa以上的高强混凝土（High Strength Concrete，HSC）已经得到了广泛应用。

从人类社会发展进程来看，在接下来很长一段时间内，混凝土都将会是使用量最大，应用面最广的建筑材料。但混凝土的自重大，脆性明显，抗拉强度低等缺点限制了混凝土材料的应用范围，而为了满足工程实例中对混凝土越来越高的强度需求，普通混凝土需要更多的用量从而导致更严重的资源损耗和环境污染，甚至无法满足建筑的需求。因此，人们又提出了将HSC 包含在内的高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）的概念。所谓高性能，指的便是高强度，高耐久性，高流动性等［3］。

然而，单纯地通过减低水胶比和提高混凝土粉体密实度来提高混凝土抗压强度，并不能改变混凝土自身脆性大，抗拉强度小的缺点，人们在混凝土中加入纤维材料则可以混凝土的延性和抗拉强度，于是形成了纤维增强混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC），当采用的纤维为钢纤维时，称为钢纤维增强混凝土（SFRC）。

一般来说，HSC 是指抗压强度达到50～120 MPa的混凝土，而HPC 在这个基础上改善了耐久性，提高了混凝土的综合性能，不过高标号的混凝土往往延性更差，容易发生脆性破坏，在混凝土中加入纤维材料从而获得更高的抗拉强度和更好的延性，即为FRC。

随着人们对HPC和FRC的研究更加深入，HPC和FRC 在实际工程中的应用也变得广泛，混凝土初步满足了人们在工程实际中的强度和延性需求，但人们并没有放弃对更高性能混凝土的追求。

20 世纪60 年代，美国的POWERS 便对水泥净浆进行了一系列系统的研究，分别从物理结构和微观结构对水泥净浆硬化后的性能进行分析，初步开始研究密实度与水泥净浆强度的关系，为超高性能混凝土的研究奠定了基础。学者们在20 世纪70 年代初就通过试验研究证实，提高水泥净浆的密实度，可以有效提高混凝土强度。丹麦的BACHE 教授在自身试验研究的基础上，提出了DSP（Densified System with Ultra-Fine Particles）理论，即：用充分分散的超细颗粒（硅灰）填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化，从而使粉体颗粒整体密实度提高，也称为致密化体系。在这之后不久，丹麦的Aalborg Portland公司便注册了Densit 商标，这是第一个被注册的UHPC 配合比。此时期也出现了许多其他的配制高强度混凝土的方法，包括BIRCHALL 配制出的无宏观缺陷水泥基材料（MDF，Macro Defect-Free Cement），LANCARD 制备的注浆纤维混凝土（SIFCON），NAAMAN提出的纤维增强混凝土（HPFRCC），BACHE 等将DSP混凝土基体与钢筋结合，开发了CRC（Compact Reinforced Composite，密实增强复合材料）等，为UHPC 的完善和发展打下了试验基础。

在DSP 体系的基础上，通过高效减水剂的作用将混凝土粉体均匀分散开，用更小的水胶比就可以实现更密实化的混凝土，从而得到更高抗压强度的混凝土，称为超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC），因为一般需掺入钢纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，UHPFRC）。但UHPC 并不是简单的对HPC和FRP的增强，而是有明确的各项力学性能指标，可以施工制备的新型水泥基建筑材料。LARRARD 和SEDRAN 在1994 年 首次 提 出UHPC 的名称，在这之前一段时间内，BONNEAU 在DSP理论基础下，结合MDF 和FRC 的基础上配制出的活性粉末混凝土（RPC，Reaetive Powder Conerete），一段时间内甚至作为超高性能混凝土的代名词使用。进入新世纪以来，世界各国对UHPC的研究的开始重视起来。

目前，UHPC的工程应用研究尚处于起步阶段，但已成为土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料。各国在UHPC的组成材料和配比、制作、养护以及其物理力学性能方面的研究较多，但对UHPC 实际桥梁结构的力学性能、设计计算理论等方面的研究却较少。

1 超高性能混凝土的技术指标

1.1 UHPC的力学性能

UHPC 是一种现代新型的建筑材料，不同国家之间暂时没有形成统一的定义标准。现有比较通用的是法国和日本的UHPFRC 规范，两者对UHPC 的定义稍有不同，但均要求UHPC 抗压强度能达到150 MPa［4］。而我国的标准《活性粉末混凝土：GB∕T 31387—2015》对UHPC的技术指标则要比150 MPa低，R100的UHPC抗压强度要求为100 MPa，抗折强度在120 MPa以上。

1.2 UHPC的耐久性性能

UHPC 的密实度和均匀性都比普通混凝土要好，水胶比也比普通混凝土要低，所以UHPC 内部的孔隙和缺陷要比普通混凝土小很多。此外，通过热养护UHPC 能获得很好的微观结构，从而获得良好的耐久性能［5］。关于UHPC 的耐久性能研究，一般包括抗冻融循环性能，抗氯离子渗透性能，抗碳化性能和渗水性等耐久性研究，其氯离子扩散系数，碳化深度和吸水孔隙率等指标均要远优于普通混凝土。

1.3 UHPC的环保与经济价值

使用UHPC 能减少二氧化碳的产生。在实际工程中，在相同的运用环境下，UHPC的构件截面要比普通混凝土的小得多，也就是说使用UHPC 代替普通混凝土可以减少在生产水泥过程中产生的CO2含量。同时运用粉煤灰，硅灰等矿物粉料替代骨料，也可以减少由于过度开采天然石料所引起的环境问题。虽然UHPC 的单位造价要比普通混凝土（NC）的高，但在相同工作环境下UHPC 的用量更少，考虑到UHPC 优异的耐久性能，还可以节约大部分的维护成本。

2 超高性能混凝土的不足之处

UHPC 具有许多优点，应用在土木工程领域能有极好的前景，不仅可以突破传统混凝土材料的强度限制，大大提高混凝土的运用范围，同时可以减少碳排放量，提高建筑行业的绿色化程度［6］。但是UHPC 的配合比成分复杂，各组分对混凝土的性能都会产生影响，不可避免的会存在不足之处，限制了UHPC 在实际工程中的推广应用。

2.1 整体造价较高

UHPC 的整体造价相较普通混凝土更高，尤其是应用在纤维材料，胶凝材料和高效减水剂的高额成本，使得UHPC 的造价大概是普通混凝土的10～20倍，一些施工单位会以此为判断依据，从而弃用UHPC 而选用更廉价的普通混凝土，限制了UHPC 在实际工程中的应用。

其实在许多工程实例中我们发现，虽然UHPC 的单位造价要远远高于普通混凝土，但是采用UHPC 依然能够实现更高的经济收益。这是因为虽然高强度混凝土的造价要比低强度混凝土的高，但这个差价可以被构件减少的截面尺寸所节约的成本所补偿。在美国，从30 MPa起混凝土每提高10 MPa，每m3混凝土拌合物的成本提高20美元，60 MPa的混凝土相应造价为120 美元，120 MPa 的混凝土相应造价为240 美元，当用120 MPa 混凝土代替60 MPa 混凝土时运用在高层建筑柱子结构时，力学性能提高了一倍，造价提高一倍，两者基本相抵，但同时，生产、运输以及施工过程上产生的能耗也会大大降低，后期混凝土结构的养护成本也由于UHPC 的高耐久性而降低。越来越多的UHPC 研究机构的成立，各国政府对UHPC 的支持力度不断加大，UHPC的整体造价还在不断下降，包括选用更低成本的配合比成分替代品，优化施工工艺等。因此，随着UHPC 在土木工程领域的推广运用，UHPC的整体造价过高的缺点，将会被整体结构经济效益更高的优点所补偿［7-8］。

2.2 胶凝材料用量较高，需要高温养护

UHPC 的配合比胶凝材料含量很高，大约是普通混凝土的3～4倍，如果不能充分发生水化反应，则UHPC 早期的收缩会非常大，导致UHPC 的开裂，在工程中应用也会存在安全隐患［9-10］。同时UHPC 极低的水胶比也增加了胶凝材料充分水化反应的难度。所以不可避免地，在UHPC 的制作过程需要进行高温养护，使得胶凝材料可以充分进行水化反应，但这也限制了UHPC 在工程中的应用，大部分的实际工程并没有高温养护的施工条件，无法实现现场浇筑，所以UHPC更多应用在使用预制构件的工程之中。高温养护同时也会提高UHPC使用过程的能耗成本。

2.3 钢纤维分散困难

在UHPC 中加入钢纤维是一个非常显著的特征，但钢纤维在添加过程中会出现较明显的成团现象，钢纤维成团后内部也许会产生较大的孔洞，导致UHPC具有一定的缺陷，暂时来说没有较好的分散钢纤维的方法，只能在施工过程中缓慢加入钢纤维，大大提高了UHPC的施工难度。

3 研究展望和成果介绍

由于UHPC 的配合比通常会加入钢纤维增强韧性，通常UHPC 都会具有较好的韧性，其断裂模式与普通混凝土会有明显的区别，所以有必要通过细观力学对UHPC 的断裂性能进行深入，但现有的国内关于UHPC 的性能研究多集中在力学性能、干缩性能和水化过程的研究，对于UHPC 断裂性能的研究较少，在接下来的科研工作中，可以结合分形理论和断裂力学，在普通混凝土的基础上开展对UHPC 的研究，从而获得更符合UHPC试验的损伤本构模型。

本公司在UHPC 的研究基础上，依托广州北环高速沙贝立交扩建工程F 匝道桥加宽桥工程［11］，既解决了桥梁加宽净空不足的现场现实问题，同时对16 m工字型UHPC 预制简支梁进行系统研究，进行相关设计参数优化分析、桥梁设计计算理论研究、桥梁抗弯抗剪承载能力试验研究、桥梁舒适度研究，项目的研究成果具有重要的工程实践价值。主要创新点包括：①在国内首次提出UHPC 无普通钢筋预制桥梁设计理念，提出相应设计理论；②通过足尺寸试验验证桥梁承载能力；③通过预埋传感器，建立16 m 工字型UHPC 预制简支梁长期监测系统；④通过成桥动载试验参数分析，研究UHPC桥梁行车舒适性。

本项目2018 年6 月完成需求调研、立项工作，2018年8月前完成材料和工艺试验。2018年9月完成完成现场使用，系统优化，2018 年9 月～2019 年3 月对该材料和技术进行连续跟踪研究，2019年上半年提取研究成果并申请专利。