UHPC超高性能混凝土制备及工程应用研究进展

2023-04-16仇志敏

广东土木与建筑 2023年2期

仇志敏，刘睿，熊哲

（1、振中建设集团有限公司广州 511445；2、广东工业大学土木与交通工程学院广州 510006）

0 引言

随着经济的发展，工程规模不断扩大，工程结构的高度，跨度和深度的记录也不断被刷新。工程的发展不仅对工程技术的提升有更高要求，同样对工程材料向更高性能的探索与研发有新的要求。

超高性能混凝土（UHPC）起源于德国卡塞尔学院对高性能混凝土的进一步发展，在国内一般简称为活性粉末混凝土（RPC）［1］。UHPC 以其超高强度、高韧性、可靠的耐久性能、孔隙率低以及其良好的自密实性等诸多优异性能［2-3］，迅速成为了广受工程届青睐的主要建筑材料和研究热点。

UHPC能集众多优秀性能于一身主要是它建立在完善的理论体系之上，同时合理的原材料选用也是重要因素。本文基于目前国内外关于UHPC 的研究进展，总结了UHPC 制备原理与技术手段，梳理了UHPC制备的原材料选择与成分特性，旨在为研究者们提供UHPC制备的理论依据和原材料选择建议。

1 UHPC的制备原理与技术手段

国内外学者针对UHPC 开展了大量关于原材料组成与微观结构分析、UPHC 力学性能、UHPC 的工作性能，UHPC 的制备技术以及其优势与不足等方面的研究。总结出UHPC 的制备技术包含：孔隙度-强度理论，原材料紧密堆积理论、加入活性矿物掺合料以改善微观结构、加入高效减水剂以降低水胶比、添加纤维以提高韧性。

1.1 孔隙度-强度理论

混凝土是多相组成的各向异性材料，内部的孔隙结构混凝土的性能影响较大。混凝土基体孔隙的数量、大小、位置都是混凝土性能的影响因素，这些参数不确定性较大，难以用于建立表征混凝土性能的理论模型。研究者们通过实验结果证实，利用总孔隙度可以得到一个可以接受的强度预测。基于此，RÖBLER［4］和ODLER［5］建立了水泥基材料孔隙度与抗压强度的理论模型：

式中：σ0为零孔隙率时的抗压强度；P为孔隙率；P0为零孔隙率；σ为孔隙率等于P时的抗压强度；A、B、D为实验常数。

大多数孔隙度-强度关系都是这4种类型中的一种。式⑵特别适用于低孔隙度体系，式⑶特别适用于高孔隙度体系。这四个方程都清楚地表明，孔隙率越低，强度越高。因此降低混凝土基体的总孔隙度就是提升混凝土强度的一个关键理论。

1.2 原材料紧密堆积理论

混凝土硬化后的基体主要由固体颗粒和孔隙组成，减少其内部孔隙最有效的办法之一就是使固体颗粒堆积得更加密实。STOVALL［6］提出了线性堆积密度模型（LPDM），该模型考虑了所用材料尺寸级之间的相互作用。LARRARD［7］引入了虚堆积密度概念，对LPDM 模型进一步优化，虚堆积密度是粒子逐一放置时的最大堆积密度。Larrard 在改进的LPDM 模型的基础上建立了固体悬浮模型（SSM），引入虚拟填料因子，该因子解释了理想和随机颗粒填料之间的差异，SSM模型是UHPC的配合比设计理论模型的基础。

1.3 使用高效减水剂降低水胶比

混凝土在水化反应后会生成大量的Ca（OH）2，Ca（OH）2强度低、松散和孔隙多，是造成普通混凝土材料强度低原因之一。通过降低水胶比抑制Ca（OH）2晶体的生长空间或添加活性矿物掺合料促进Ca（OH）2的二次水化的方式可减少基体中Ca（OH）2的含量［8］。低水胶比可以有效地降低UHPC 中的孔隙度，但是较低的水胶比会使混凝土浆体流动性大大降低，从而影响它的施工性能。采用高效减水剂可显著降低给定和易性所需的水胶比，明显减少UHPC 的骨料之间的孔隙，提高UHPC的密实度和强度［9］。

1.4 加入活性矿物掺合料改善微观结构

混凝土内部实际上是由骨料、水泥膏体和它们之间的界面过度区（ITZ）三相组成的。界面过渡区具有较高的孔隙率，是常规混凝土中最薄弱的部分。

在UHPC 中添加的矿物掺合料一般都具有较高的火山灰反应活性，且含一定量的SiO2或Al2O3。水泥经水化反应生成大量的Ca（OH）2，矿物掺合料中的SiO2与其进一步反应生成水化产物C-S-H。C-S-H比Ca（OH）2具有更高的刚度、硬度和密度［10］。有利于改善UHPC 中界面过度区的性能，使其密实度与基体一样。这极大地增强了UHPC 的同质性，对改善结构的整体性能至关重要［11］。

1.5 掺入高强度纤维材料提高韧性

韧性是一种材料的能量吸收能力的度量，表征材料抵抗断裂的能力。混凝土是一种抗拉强度较低的脆性材料，抗变形能力和抗冲击强度及韧性较差。在混凝土中掺入纤维可以防止和控制裂缝的萌生、扩展或贯通，使变形能力得到改善。

目前有关UHPC 的研究中，使用最多的是钢纤维、PE 纤维、玻璃纤维和碳素纤维。相对来说，制备的UHPC 抗拉强度较高的是钩状钢纤维。PE 纤维因其良好的疏水性消除了纤维与基体的化学键合，显著提高了纤维桥接的互补能，因而使用PE 纤维制备的UHPC具有更高的韧性［12］。

2 UHPC制备的原材料

与普通混凝土相比，UHPC 制备所采用的原材料种类也更为丰富。UHPC 的原材料一般分为活性材料、骨料、高效减水剂、纤维。如前所述，采用高效减水剂和掺入纤维是提高UHPC性能的重要技术手段。

2.1 活性材料

UHPC常用的活性材料有水泥和矿物掺合料。新的研究成果表明，采用大量的矿物掺合料取代水泥，可以降低UHPC 的使用成本。制备UHPC 时采用的矿物掺合料一般有：硅灰、粉煤灰、高炉渣灰、偏高岭土超细粉、石灰石细粉、钢渣粉、超细粒子。

2.1.1 水泥

制备UHPC 的水泥可以分为四大类：低热硅酸盐水泥、硅粉混合水泥、调粒水泥和球状水泥。

低热硅酸盐水泥矿物组成是的最大特点是C3S含量低而C2S 含量高，具有低碱含量、低至中细度。因此，使用低热硅酸盐水泥制备的UHPC 具有粘度低、自收缩小、高温开裂少等优点。

硅粉混合水泥制备UHPC 可以抑制混凝土的自收缩开裂［13］。日本某水泥公司利用硅粉混合水泥成功研发了强度达200 MPa的超高强混凝土。

调粒水泥的特征是已经对活性材料的粒径做了优化处理，并掺入了石灰石细粉、硅粉、粉煤灰和矿渣粉。前期需先优化水泥中粒度分布，提高其填充率；然后加入大粒径水泥颗粒，使粒度分布往粗方向改变；最后加入超细粉，达到最密实填充。用调粒水泥制备UHPC 具有水泥浆体流动性好、早期强度高、水化热低，水化反应放热慢和节约资源等优点。缺点是制备的UHPC性能上限较低。

球状水泥是利用水泥熟料经过高速气流粉碎及特殊处理工艺后得到的且表面为球状的水泥产品。因其表观密度增大、填充性提高、粒度分布均匀且松堆积密度提高［14］。利用球状水泥制备的UHPC 的优点是流动性提高极大、抗压强度和前期强度，抗碳化能力有所提高［15］，缺点是使用成本高。

2.1.2 硅灰

硅灰是一种具有高活性的火山灰质材料。在UHPC 中添加硅灰主要有以下作用：硅灰细颗粒粒径小，能很好地填充UHPC 中的孔隙，使其堆积密度大大提高；硅灰中含有大量的SiO2微颗粒，能够迅速溶解后与水泥浆体中的Ca（OH）2反应生成C-S-H 凝胶，可填充UHPC 的裂缝和空隙，进一步改善UHPC 的微观结构；硅灰颗粒具有很好的球形外表，且颗粒粒径小，能够在UHPC 浆体中很好地发挥形态效应，改善其流变性能［16］。硅灰的最佳含量依赖于水胶比，水胶比较低的情况下，需要硅灰含量相对较低［17］。

2.1.3 粉煤灰

粉煤灰具有较强的火山灰活性，其粒径比水泥颗粒稍细。在UHPC 中应用比较广泛，粉煤灰在UHPC主要有以下作用：首先粉煤灰的化学成分SiO2、CaO、Al2O3在UHPC 制备和养护过程中会发生水化反应，生成C-S-H 凝胶填充UHPC 的空隙和裂缝，同时消耗混凝土中的Ca（OH）2，避免过多的Ca（OH）2降低UHPC界面结合区强度等［18］。

YAZICI 等人［19］发现含粉煤灰和高炉矿渣粉的UHPC 的强度随养护条件的改善而增强；在标准条件下养护后抗压强度达到200 MPa 以上，采用高压釜养护后强度可达250 MPa 以上。PENG 等人［20］研究发现UHPC中掺入超细粉煤灰和钢渣粉且当钢渣粉与超细粉煤灰的最佳配比为1.5时，UHPC的强度达到最高。

2.1.4 高炉渣灰

高炉渣灰是高炉冶炼铁时生成熔融的高炉矿渣，经喷水急冷，干燥后得到粒状的高炉水淬矿渣。高炉渣灰应用于混凝土是由于其本身的水硬性，虽然这种硬化性能较弱，但是加碱后可以激发其硬化，和硅酸盐水泥混合在一起时，由于Ca（OH）2和硫酸盐的作用，可以促进其硬化［19］。YAZICI 等人［21］用高炉矿渣替代普通硅酸盐水泥制备UHPC，掺入高炉矿渣量制备的UHPC 在蒸压养护后的抗压强度可提高至250 MPa 以上，UHPC的强度显著提高。

2.1.5 钢渣粉

钢渣粉是炼钢的过程产物，它含有一定量的C3S和C2S。钢渣的密度很高，用钢渣粉替代水泥可改善混凝土的流动性。研究者通过用钢渣粉替代部分水泥制备了UHPC，在高压高温养护后获得了197 MPa的抗压强度［22］。通过电镜观察，发现钢渣粉UHPC 的结晶水化产物大于普通水泥制备的UHPC，且胶凝状Ca（OH）2的含量较多。

2.1.6 石灰石细粉

石灰石细粉是通过将石灰石破碎磨细后得到的一种非火山灰矿物掺合料，主要成分是Ca（OH）2。石灰石细粉在制备UHPC 的过程中的主要作用是：提高UHPC 浆体的流动性和促进UHPC中C-S-H凝胶的形成。

LIU［23］研究了一种含石灰石细粉的新型UHPC，实验结果表明：含石灰石粉的UHPC 抗压强度大于120 MPa；高温条件下，石灰石细粉的水化活性和加速作用明显，水化形成单铝酸钙水化物。WEERDT［24］证实了石灰石细粉和粉煤灰之间的协同作用及其随时间的持久性，石灰石细粉使混凝土中形成了一碳或半碳铝酸盐水合物，混凝土的水合物体积增加，孔隙度随之降低，强度增加。

2.1.7 偏高岭土超细粉

偏高岭土超细粉的主要化学成分为：SiO2、Al2O3以及少量的Fe2O3、CaO、MgO［25］。已有研究表明，偏高岭土超细粉可以作为UHPC的活性矿物掺合料，掺入偏高岭土超细粉的混凝土拌合物均匀性好、不泌水、不离析。在低水胶比的情况下，添加偏高岭土超细粉的UHPC在抗压强度和劈裂抗拉强度方面的提升不大，但是添加偏高岭土超细粉可以极大地提升UHPC的耐久性［26］。

2.1.8 超细粒子

超细粒子一般是指经过特殊细化处理的纳米级别粒子，在UHPC 制作中常用的超细粒子有：纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米TiO2、纳米Fe2O3等纳米颗粒。它们比表面积高，反应活性高，可以作为水泥相的晶核，进一步促进水泥水化；它们还可以作为纳米增强体和填充体，使UHPC 的微观结构和ITZ 致密化，降低UHPC的孔隙率的效果［27］。

DING［28］通过实验发现：在UHPC基体中加入适量纳米CaCO3有效地降低了孔隙率，细化孔隙结构，UHPC的抗压强度有所提高。在UHPC 基体水化过程中，纳米SiO2的使用促进了C-S-H 凝胶的形成，从而提高水化水泥制品的性能［29］。

2.2 骨料

混凝土中的聚合物一般都有粗骨料和细骨料，UHPC 常选用细骨料作为聚合物［30］。细观力学认为，骨料越小，基体的裂纹萌生韧性和稳态裂纹扩展时的断裂功也越低，都有利于复合材料的延性。

UHPC 的制作中一般采用细硅砂、细磨石英砂和天然河沙作细骨料。石英砂主要成分是SiO2，其含量在95%以上，细磨石英砂具有硬度高和界面性能好，易于采购等优点。石英砂在配级、平均粒径等方面都是普通天然河砂无法比拟的，但缺点是价格高昂［31］。

天然河砂颗粒外形较圆润，需水量比石英砂低，同时价格相对便宜，缺点是颗粒级配较差，制备的UHPC强度相对较低［32］。

细硅砂是以石英为主要矿物成分，由天然河砂加工而成的一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，硬度和石英砂相当，且性脆无解理，价格比石英砂便宜但是贵于天然河沙［33］。

考虑当前天然河砂资源紧缺、石英砂昂贵的成本，使用再生骨料替代传统细骨料是一种绿色、经济的UHPC 制备途径［34］。YU［35］使用再生混凝土骨料（RCA）替代天然河砂制备UHPC，使用细粒RCA 制备的UHPC 的和易性和力学性能比高质量集料的UHPC高。AMBILY［36］研究发现，铜渣作为细骨料制备抗压强度大于150 MPa 的UHPC，比相同条件下使用天然河砂制备的UHPC 抗压强度高。GONZÁLEZ［37］分析了使用萤石矿副产品来替代传统细骨料对UHPFRC性能的影响，结果表明使用萤石矿废砂（WMS）制备UHPFRC，抗压强度提高了11%左右。

3 UHPC的工程应用

超高性能混凝土具有超高强度、高韧性、高耐久性等诸多优点，可满足新时代建筑的特殊要求，应用前景广阔。当前，对UHPC 的研究已从材料研究转变为UHPC 的结构设计与施工技术的创新研究与应用。结合UHPC 的特点总结了UHPC 的应用主要集中在以下方面：①UHPC 强度高，可用于跨度更长、净空更大的桥梁工程［38］；②结构加固，现场抢修；③建筑外立面，轻量化楼梯等；④UHPC抗拉强度高，耐腐蚀，可用作输送管道；⑤UHPC抗渗性好，适用于地下管廊工程等；⑥抗压强度与韧性高，可用于对抗撞击要求高的工程中。

UHPC 在桥梁工程应用中最常见。2010 年湖南大学的邵旭东等人提出了“正交异性钢板-薄层UHPC轻型组合桥面结构”，攻克了普通正交异性钢板易疲劳开裂及钢桥面沥青铺装易破损等难题，通过进一步改善，成功配制了性能更优的钢桥面专用超高韧性混凝土（STC），成功应用于广东肇庆马房大桥、洞庭湖二桥等［39］。2016 建成的长沙北辰三角洲横四路跨街天桥是国际上第一次采用全预制拼装工艺建成的UHPC车行箱梁桥。2021 年建成通车的青龙州大桥采用了钢-UHPC矮肋桥面板组合梁，自重比传统组合梁减少了30%～40%［40］。

在既有桥梁维修加固方面，2020年进行维修加固的润扬大桥，首次采用免蒸养UHPC 技术。解决了蒸养温度变化对既有桥梁钢结构安全性影响的难题，结合采用连接层加湿粘结剂代替焊接栓钉，攻克了既有钢桥面维修半封闭交通，连续铺装施工难度大，施工工期紧张，因施工缝引发的病害隐患等难题［41］。UHPC 具有高耐久性，能够给钢结构提供长期可靠的防腐保护。2021年建成的广州海心桥，拱脚以及下部的钢拱肋均采用了外包UHPC 保护层，可以保证建筑具有更长期服役的高耐久性，该应用实例为钢结构防腐涂装更新困难的工程提供了新的防腐思路［42］。

UHPC 具有其自重轻，防腐蚀性能好，并且低消耗，十分符合节能环保的理念，也常被用作建筑物的外挂墙板。张桦等人［43］利用UHPC 制作混凝土外挂墙板，其重量仅为同等尺寸传统预制混凝土墙板的1/3。宁波诺丁汉大学国际创新创业孵化园新大楼的外墙采用浇筑工艺一体成型，且镂空的UHPC 板不仅可以增强建筑的特色，还能充分利用采光空间的位置，发挥其绿色、节能、可持续发展的优势。

此外，UHPC 基体十分致密，孔隙率非常低，其抗渗性能优于普通混凝土。在城市地下综合管廊等对抗渗要求较高的工程中优势明显，福建平潭综合实验区地下管廊工程和天河智慧城地下综合管廊工程等均采用了UHPC 管廊，不仅提高了结构的抗渗性，耐久性，还减少了结构的自重，获得了较好的综合经济效益［44］。最后，UHPC 具有超高抗压强度和超强的韧性，因此在撞击荷载作用下采用UHPC 结构可以获得有效的防护。程书剑等人［45］提出UHPC+普通混凝土+钢板的新型组合结构，并通过试验证实了该组合墙体结构应用在核岛屏蔽厂房的可行性，促进了UHPC在核能项目中的应用与发展。