超高性能混凝土的研究现状

2023-06-06梁拯

江苏建材 2023年5期

梁拯

（广东工商职业技术大学，广东肇庆 526020）

0 引言

随着建筑业的发展，建筑结构逐步向高大化、复杂化、多样化及轻量化的方向发展，对混凝土材料的物理力学性能提出了更高要求，但混凝土材料自重大、脆性较大、抗拉强度偏低等缺陷无法满足建筑结构发展的需求。在此背景下，一种性能更优越的超高性能混凝土（UHPC）应运而生。

1 超高性能混凝土及其发展历程

UHPC 材料是一种新型水泥基复合材料。该材料采用细骨料完全替换粗骨料，材料中掺入一定量的钢纤维，通过外加剂降低材料的水胶比，从而提高材料的密实性。与传统的混凝土材料相比，UPHC 材料具有轻量化、强度高、优异的延展性、超高耐久性及耐磨性、抗冲击性能好等特点。由于其优异的力学性能，UHPC 材料在大跨度桥梁、超高层建筑、海洋基础设施及军工结构中得到了广泛应用。但整体造价高、胶凝材料用料偏高、早期收缩大及施工难度大等缺点限制了UHPC 在实际工程中的应用范围。

在实际工程中，人们对高性能混凝土的追求从未停止。20 世纪70 年代，Bache 提出了致密化体系，利用超细颗粒实现堆积致密化，从而提高整体密实度。 Yudenfreund[1]等利用真空搅拌技术生产出低水灰比、低孔隙率、立方体抗压强度高达205 MPa 的人工水泥石材。 Larrard 和Sedran[2]在1994 年首次提出了UHPC 概念。同年，Bonneau 结合致密化体系基础理论，采用无宏观缺陷水泥基材料和纤维增强混凝土生产了活性粉末混凝土，从而标志着混凝土进入超高力学性能、超高耐久性的超高性能时代。

2 超高性能混凝土的研究现状

UPHC 是一种新型水泥基复合材料，能满足工程结构在极端环境下的安全需求，因此在工程建设方面具有巨大的潜力与价值。目前，国内外学者对UPHC 进行了大量的理论和实验研究，研究成果主要集中在微观结构、物理力学性能、耐久性、配合比和数值模拟等方面。

2.1 材料方面研究现状

余睿等[3]认为，保证UPHC 材料优越性能的关键是掺入适量钢纤维及科学合理地确定其配合比。余睿等还利用二次饱和D-最优设计理论和钢纤维等效颗粒直径模型对改进的Andreasen 和Andersen（MAA）模型进行优化和完善，最终有效验证了MAA 模型在湿堆积状态下的适用性与可靠性，并证明将球形颗粒的钢纤维嵌入MAA 模型中，可以制备出密实度高、强度高的UHPC 材料。程俊等[4]对粗骨料含量对UPHC 材料力学性能的影响进行了研究。研究表明，UPHC 材料的弹性模量随着粗骨料含量增加而增加，但弯曲强度随之下降。刘路明等[5]研究了膨胀剂与内养剂对UPHC 流动性、凝结时间及强度等性能的影响。研究表明，膨胀剂和内养剂的复掺可以有效降低UPHC 的自收缩。

2.2 桥梁工程研究现状

在桥梁工程的研究领域，UHPC 材料主要应用于桥面结构、桥梁加固及桥梁拼接等方面。

在组合桥结构方面，邵旭东等[6]研究了UHPC矮肋桥面板的抗弯性能。研究表明，增加钢板厚度可以提高UPHC 桥梁的极限弯矩，窄高的纵向加劲肋能够承受更大的荷载。Wang[7]的团队对掺入端钩形与直线形钢纤维的UPHC 矩形桥面板的静力与抗弯性能进行了相关研究。研究表明，由于端钩形钢纤维的掺入，在UHPC 矩形桥面板厚度降低到一定程度（17 cm）时，其开裂应力与承载能力仍可得到一定的提高。

在桥梁加固方面，UPHC 材料主要在拱桥、桥梁改建与扩建及普通混凝土桥面板更替换等方面得到广泛的应用。凌富伟[8]认为，不同的桥梁类型应该选择合适的加固方式，并介绍了UHPC 材料非常适用于以受压为主的双曲拱桥中，提出了增大截面法可以科学调节拱圈的受力特性。丁鹏等[9]针对圬工肋拱桥当前加固方法的局限性，提出利用UHPC 套箍加固主拱圈的加固思路。研究显示，采用此加固方法能够大大提升拱桥的承载能力。

UPHC 材料具有轻量化、强度高、优异的延展性、超高耐久性及耐磨性和抗冲击性能好等特点，因此被广泛应用于桥梁拼接方面。张立乾等[10]提出了一种UHPC 材料与高强预应力钢筋相结合的装配式快速拼接桥梁。两者的结合不仅可以大幅度降低结构的自重，发挥承载优势，还可以在强度、刚度及稳定性方面满足使用性能要求。同济大学土木工程学院刘超、黄钰豪和上海市城市建设设计研究总院陆元春团队[11]，以上海市济阳路高架新旧桥拼接项目为背景开展了UPHC 材料的拼接接缝试验，研究分析了UHPC 接缝的局部受力性能。模拟研究表明，可以通过增加接缝自由长度与减小接缝厚度的方式来提高UHPC 接缝的抗弯能力，同时证明了UHPC 接缝能够满足受力需求。

2.3 建筑工程研究现状

轻质化是UHPC 材料的显著特点之一。为研究UHPC 梁的工作性能，张涛[12]团队利用商业有限元软件ABAQUS 对其进行数值模拟。模拟结果表明，UHPC 钢筋梁的开裂荷载随着纵筋屈服强度的提高而上升，同时纵筋屈服强度的提高可以提高UHPC 钢筋梁的承载能力。张桦及白杨[13]对外围护体系的集成设计与建造进行了深度剖析。该研究考虑了防水、防污染、抗腐蚀等方面因素，最终选择UHPC 材料建造外挂墙板。用UHPC 材料制作而成的预制复合夹心外挂墙板，构件的抗疲劳、抗冲击和耐久性能及抗弯能力均得到了提升，从而使围护结构获得较好的抗震耗能能力。