超高性能混凝土在中國(guó)的研究和應(yīng)用

王德輝，史才軍，吳林妹

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　410082)

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超高性能混凝土在中國(guó)的研究和應(yīng)用

王德輝，史才軍，吳林妹

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082)

超高性能混凝土作為一種新型水泥基材料，具有強(qiáng)度高，耐久性優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。本文綜述了超高性能混凝土在中國(guó)的研究和應(yīng)用。使用常規(guī)輔助性膠凝材料取代水泥和硅灰，在普通工藝下，也可制備出滿足性能要求的超高性能混凝土。硅灰和納米二氧化硅可加速超高性能混凝土膠凝材料的水化速度，但礦粉延緩了超高性能混凝土膠凝材料的水化速度。超高性能混凝土具有均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)。超高性能混凝土的抗拉、抗彎、抗剪、粘結(jié)強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等均遠(yuǎn)大于普通混凝土，摻入鋼纖維可顯著增大超高性能混凝土的韌性。超高性能混凝土的抗凍性和抗銹蝕性能均優(yōu)于普通混凝土。自從中國(guó)2005年第一次將超高性能混凝土應(yīng)用于工程中，超高性能混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電纜槽蓋板、高速鐵路、地鐵、橋梁、掛檐板和人行道蓋板中。

超高性能混凝土； 水化過(guò)程； 力學(xué)性能； 耐久性； 應(yīng)用

1　引　言

超高性能混凝土(UHPC)由Rhodia、Lafarge和Bouygues、VSL專(zhuān)利公司開(kāi)發(fā)，并被注冊(cè)專(zhuān)利為Ductal[1]，與傳統(tǒng)混凝土相比，超高性能混凝土有很多優(yōu)點(diǎn)：超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度高于150MPa，約是傳統(tǒng)混凝土的3倍以上。超高性能混凝土具有優(yōu)異的韌性和斷裂能，和高性能混凝土相比，超高性能混凝土的韌性提高了300倍以上，和一些金屬相當(dāng)，使得混凝土結(jié)構(gòu)在超載環(huán)境下或地震中具有更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可靠性[2-4]。超高性能混凝土具有優(yōu)異的耐久性能，可大幅度提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，減小混凝土結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用。超高性能混凝土幾乎是不滲透性的，幾乎無(wú)碳化，氯離子滲透和硫酸鹽滲透也幾乎為零。超高性能混凝土優(yōu)異的耐磨性能延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命[3]，而超高性能混凝土的抗腐蝕性能為混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下提供了保護(hù)[5]。在開(kāi)裂情形下，由于超高性能混凝土存在大量未水化水泥顆粒，使得混凝土具有自修復(fù)功能[3]。超高性能混凝土結(jié)構(gòu)自重約是傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的1/3或1/2，顯著降低了靜荷載。自重的減少有利于制造更細(xì)長(zhǎng)的建筑結(jié)構(gòu)，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的厚度，節(jié)省了材料和成本[6], 降低工程總造價(jià)[1-3]。超高性能混凝土可減少預(yù)應(yīng)力鋼筋，為建筑結(jié)構(gòu)提供了更大的自由[2-4]。

盡管超高性能混凝土擁有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺陷，比如：超高性能混凝土的水泥用量高達(dá)800～1000kg/m3，增大了水化熱，產(chǎn)生收縮[6]。制備超高性能混凝土的原材料通常為水泥、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維和超塑化劑等，生產(chǎn)成本是普通混凝土的數(shù)倍。為了提高超高性能混凝土中輔助性膠凝材料的活性，生產(chǎn)超高性能混凝土?xí)r往往采用蒸汽或蒸壓養(yǎng)護(hù)，復(fù)雜的生產(chǎn)工藝限制了超高性能混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。由于水膠比很低、超細(xì)顆粒用量高、超塑化劑摻量大，超高性能混凝土表現(xiàn)出粘性大和坍落度損失大的缺點(diǎn)，不利于超高性能混凝土的澆筑。由于超高性能混凝土中含有大量未水化的水泥顆粒，這些未水化的水泥顆粒在混凝土結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中可能會(huì)繼續(xù)水化，可能會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性。在大多數(shù)工程中，傳統(tǒng)混凝土可滿足性能要求，而超高性能混凝土價(jià)格昂貴，難以取代傳統(tǒng)混凝土[3]。

自超高性能混凝土問(wèn)世以來(lái)，關(guān)于超高性能混凝土的原材料、生產(chǎn)工藝、養(yǎng)護(hù)方式、力學(xué)性能、耐久性能、水化微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了許多的研究，在實(shí)際工程中也得到了應(yīng)用。雖然中國(guó)對(duì)超高性能混凝土的研究有些晚，但也已成為研究的熱點(diǎn)，本文綜述超高性能混凝土在中國(guó)的研究和應(yīng)用。

2　原材料

傳統(tǒng)上，為了增大輔助性膠凝材料的火山灰活性，提高超高性能混凝土的強(qiáng)度，往往對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)。謝友均等[7]用水泥、硅灰和超細(xì)粉煤灰以1∶0.25(0.3～0.4)的膠凝材料比例，通過(guò)100 ℃的熱水養(yǎng)護(hù)制備了超高性能混凝土，不摻鋼纖維時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到200MPa，摻入3%的鋼纖維后混凝土的抗壓強(qiáng)度接近250MPa。胡曙光等[8]用水泥、硅灰、超細(xì)粉煤灰和鋼渣粉做膠凝材料，用細(xì)河砂取代石英砂，摻入2%的鋼纖維制備了超高性能混凝土，經(jīng)90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到了152MPa。國(guó)愛(ài)麗等[9]用30%粉煤灰取代水泥，用50%礦渣取代石英粉，摻入2%的鋼纖維，采用最大粒徑為600μm的石英砂制備了超高性能混凝土，經(jīng)60 ℃熱養(yǎng)護(hù)3d后的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度為160.1MPa。楊春梅等[10]用鐵礦尾砂取代石英砂制備了超高性能混凝土，經(jīng)95 ℃熱水養(yǎng)護(hù)后，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了155.3MPa。劉娟紅等[11]用水泥、硅灰和粉煤灰做膠凝材料，用磨細(xì)標(biāo)準(zhǔn)砂做骨料，摻入鋼纖維制備了超高性能混凝土，經(jīng)90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到了155.4MPa。由上可見(jiàn)，超高性能混凝土的傳統(tǒng)制備工藝往往需要熱養(yǎng)護(hù)，使得超高性能混凝土的應(yīng)用局限于預(yù)制構(gòu)件，大大限制了超高性能混凝土的應(yīng)用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，近些年，人們采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件制備超高性能混凝土。劉斯鳳等[12]用60%復(fù)合超細(xì)輔助性膠凝材料取代水泥和硅灰，并采用天然黃砂作為骨料，采用三種養(yǎng)護(hù)制度(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù))，成功制備出了抗壓強(qiáng)度大于200MPa的超高性能混凝土。Shi等[13]等通過(guò)三元正交設(shè)計(jì)，用水泥、硅灰和礦粉做膠凝材料，用天然河砂作骨料，采用飽和氫氧化鈣溶液養(yǎng)護(hù)，研究了水泥-硅灰-礦粉三元膠凝體系下超高性能混凝土的相關(guān)性能。Wang等[14]大量使用礦物摻合料，并摻入最大粒徑為20mm的粗骨料，采用常規(guī)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)工藝配制出了超高性能混凝土。當(dāng)采用水膠比為0.16，膠凝材料總量為900kg/m3(50%水泥，10%硅灰，20%磨細(xì)礦粉，20%石灰石粉)，合適摻入減水劑和緩凝劑時(shí)，混凝土最大坍落度為268mm，90d抗壓強(qiáng)度為175.8MPa，365d抗壓強(qiáng)度為182.9MPa。為了減少環(huán)境污染，將鐵礦石殘?jiān)厥绽?，Zhao等[15]用鐵礦石殘?jiān)鳛楣橇?，研究了兩種不同養(yǎng)護(hù)制度下超高性能混凝土的性能，研究結(jié)果表明，用鐵礦石殘?jiān)?00%取代天然骨料顯著降低了混凝土的工作性和抗壓強(qiáng)度。然而，當(dāng)鐵礦石摻量不超過(guò)40%時(shí)，對(duì)于標(biāo)養(yǎng)90d的試件，摻鐵礦石的試件強(qiáng)度和不摻鐵礦石的試件強(qiáng)度相當(dāng)；對(duì)于蒸汽養(yǎng)護(hù)2d的試件，和不摻鐵礦石的試件相比，摻鐵礦石的試件抗壓強(qiáng)度減小了11%，抗折強(qiáng)度增大了8%。佘偉等[16]大量摻入輔助性膠凝材料，采用普通工藝，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下，制備出了抗壓強(qiáng)度為220MPa、抗折強(qiáng)度為70MPa的超高性能混凝土。為了將超高性能混凝土更好的應(yīng)用于工程中，鄧宗才等[17]剔除了硅灰，制備了超細(xì)水泥超高性能混凝土。當(dāng)?shù)V粉摻量為30%，粉煤灰摻量為10%，用超細(xì)水泥制備的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度最大，流動(dòng)度最高，超高性能混凝土的生產(chǎn)成本較低。當(dāng)水膠比小于0.18，砂膠比為0.9左右，骨料為0.16～0.63mm粒徑范圍時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度較高。

3　生產(chǎn)工藝

在以往的生產(chǎn)工藝中，為了提高輔助性膠凝材料的反應(yīng)活性，往往采用蒸汽養(yǎng)護(hù)或蒸壓養(yǎng)護(hù)超高性能混凝土，如文獻(xiàn)[7-11]所述。熱養(yǎng)護(hù)可促進(jìn)超高性能混凝土輔助性膠凝材料的水化，C-S-H分布更均勻更密實(shí)，且C-S-H的Ca/Si比從1.41減小到了1.2。熱養(yǎng)護(hù)降低了超高性能混凝土的孔隙率，孔隙分布也得到了明顯的改善[18]。然而，當(dāng)制備超高性能混凝土采用熱養(yǎng)護(hù)，雖然可提高混凝土的密實(shí)度，增大混凝土的抗壓強(qiáng)度，但這種生產(chǎn)工藝只能制作超高性能混凝土的預(yù)制構(gòu)件，限制了超高性能混凝土在實(shí)際工程的應(yīng)用。為了推廣超高性能混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用，需要對(duì)超高性能混凝土的生產(chǎn)工藝進(jìn)行簡(jiǎn)化。如文獻(xiàn)[12-17]所述，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，采用普通工藝也可以制備出性能滿足要求的超高性能混凝土。馬洪坤等[19]用拋填骨料工藝制備了超高性能混凝土，當(dāng)拋填骨料的取代率為20%時(shí)，可大幅度提高超高性能混凝土的強(qiáng)度、彈性模量和抗氯離子滲透能力。而且，通過(guò)拋填骨料工藝可提高超高性能混凝土的密實(shí)度。

4　水化過(guò)程和微觀結(jié)構(gòu)

關(guān)于超高性能混凝土膠凝材料的水化過(guò)程，國(guó)內(nèi)也有一些研究，主要集中在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下超高性能混凝土膠凝材料的水化過(guò)程。Shi等[13]研究了三元正交設(shè)計(jì)下水泥-硅灰-礦粉膠凝體系下超高性能混凝土膠凝材料的水化過(guò)程。研究結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下，硅灰改變水化的誘導(dǎo)期，減小了加速期出現(xiàn)的時(shí)間。硅灰用量為15%的混合物放熱速率超過(guò)了不摻硅灰和礦粉的混合物，當(dāng)硅灰用量從0%增大到15%時(shí)，加速期從7.23h降低到了4.77h。然而，當(dāng)硅灰用量增大到30%，水化放熱速率變慢，加速期增大到了6.37h。礦粉主要延緩了潛伏期和加速期，摻入礦粉的混合物放熱峰比純水泥體系混合物出現(xiàn)的晚，當(dāng)?shù)V粉用量分別為25%和50%時(shí)，加速期分別為9.95和9.8h。Rong等[20]研究了納米二氧化硅對(duì)超高性能混凝土水化過(guò)程和微觀結(jié)構(gòu)組成的影響。研究結(jié)果表明，摻入納米二氧化硅改變了超高性能混凝土膠凝材料的水化過(guò)程，由于納米二氧化硅的火山灰效應(yīng)和成核效應(yīng)，隨著納米二氧化硅摻量的增大，水泥水化的加速期和減速期都提前了。摻入納米二氧化硅，也優(yōu)化了超高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)。隨著納米二氧化硅的摻入，超高性能混凝土的孔隙率和平均孔徑減小。和不摻納米二氧化硅的超高性能混凝土相比，摻入納米二氧化硅超高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更均勻致密。然而，當(dāng)納米二氧化硅用量5%時(shí)，由于納米二氧化硅的結(jié)團(tuán)效應(yīng)，不利于超高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形成。Zhao等[21]采用納米壓痕技術(shù)，研究了超高性能混凝土的微觀性能。研究結(jié)果表明，占據(jù)一半漿體體積的水化產(chǎn)物是由高硬度的水化相，大量未水化的水泥和粉煤灰比水化產(chǎn)物具有更高的力學(xué)性能，可作為微骨料填充混凝土的孔隙，提高超高性能混凝土的強(qiáng)度。而且，臨近骨料或纖維表面的漿體力學(xué)性能和漿體性能相近，表明超高性能混凝土具有緊密的界面過(guò)渡區(qū)。超高性能混凝土的水化產(chǎn)物主要為Ⅲ型C-S-H，氫氧化鈣含量低，沒(méi)有鈣礬石[22]。超高性能混凝土的孔隙率約為5%，主要為微小孔，孔徑分布均勻(10nm左右)[23]。借助微觀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡技術(shù)，可以觀測(cè)到超高性能混凝土的結(jié)構(gòu)相當(dāng)致密，基體結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有可以讓有害氣體、水和侵蝕性溶液滲入的毛細(xì)孔道。超高性能混凝土的水泥石和界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、2。從掃描電鏡圖像上看，超高性能混凝土在180d齡期時(shí)，水泥石結(jié)構(gòu)非常致密，只有一些空氣孔洞，這是由于水泥水化及硅灰和磨細(xì)礦粉的火山灰效應(yīng)造成的。主要水化產(chǎn)物為均勻的C-S-H，沒(méi)有氫氧化鈣和鈣礬石。超高性能混凝土界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)非常緊密，沒(méi)發(fā)現(xiàn)明顯孔隙[14]。

圖1　UHPC水泥石的SEM照片[14]Fig.1　SEM image of paste of UHPC

圖2　UHPC界面過(guò)渡區(qū)的SEM照片[14]Fig.2　SEM image of ITZ of UHPC

5　力學(xué)性能

5.1抗壓強(qiáng)度

超高性能混凝土的水泥石和骨料存在強(qiáng)烈的協(xié)同作用。當(dāng)超高性能混凝土的水泥石和骨料性能匹配時(shí)，超高性能混凝土具有最佳的性能。超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈模量具有良好的線性關(guān)系[24]。摻入鋼纖維可提高超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度，然而，摻入聚丙烯纖維降低了超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度[25]。

5.2抗拉性能

超高性能混凝土具有良好的裂縫控制能力，其極限拉應(yīng)變可達(dá)到3%以上。超高性能混凝土對(duì)缺口不敏感，甚至當(dāng)縫高比為0.5時(shí)，超高性能混凝土也表現(xiàn)出優(yōu)異的裂縫無(wú)害化分散能力[26]。

5.3抗彎性能

在受彎過(guò)程中，超高性能混凝土梁分為彈性、裂縫擴(kuò)展、纖維增強(qiáng)和破壞四個(gè)階段。摻入鋼纖維抑制了裂縫的擴(kuò)展，提高了超高性能混凝土梁的抗裂性能[27]。超高性能混凝土試驗(yàn)梁在三分點(diǎn)加載試驗(yàn)中，純彎曲段開(kāi)裂應(yīng)變?yōu)?50×10-6，是普通混凝土試驗(yàn)梁的七倍[28]。和普通混凝土梁相比，超高性能混凝土梁的初裂彎曲強(qiáng)度和極限彎曲強(qiáng)度都有大幅度提高。隨著超高性能梁厚度的增大，超高性能混凝土梁的彎曲極限荷載也增大，最大時(shí)為普通混凝土梁的3.79倍。在彎曲荷載下，普通混凝土梁發(fā)生破壞時(shí)的平均撓度0.11mm，而超高性能混凝土復(fù)合梁發(fā)生破壞時(shí)的平均撓度為5.23mm[29]。在正常使用情況下，超高性能混凝土梁的裂縫寬度始終保持在0.05mm以內(nèi)。和鋼筋混凝土梁相比，超高性能混凝土可提高構(gòu)件的承載力和延性，并延緩鋼筋的屈服[30]。然而，若超高性能混凝土未摻入鋼纖維，超高性能混凝土表現(xiàn)出較大的脆性，當(dāng)超高性能混凝土達(dá)到彎曲極限荷載時(shí)，超高性能混凝土組合梁的承載力驟降，在荷載達(dá)到0.9倍峰值荷載前，超高性能混凝土的應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系[31]。

5.4抗剪性能

增大腹板厚度和減小剪跨比可提高超高性能混凝土梁的斜截面開(kāi)裂荷載，摻入鋼骨、增大腹板厚度、減小箍筋間距和減小剪跨比可提高超高性能混凝土梁的受剪承載力，摻入鋼骨、增大腹板厚度、減小箍筋間距和增大剪跨比可提高超高性能混凝土梁的剪切延性[32]。隨著剪跨比的增大，超高性能混凝土的剪切破壞形態(tài)依次分別呈斜壓、剪壓和斜拉破壞。當(dāng)使用箍筋時(shí)，隨著配箍率的增大，超高性能混凝土的抗剪承載力不斷增大[33]。斜拉破壞發(fā)生于無(wú)腹筋梁中，配筋率為0.327%時(shí)的梁呈剪壓破壞，配筋率為0.545%時(shí)的梁呈斜壓破壞。在一定范圍內(nèi)，增大縱筋率也可提高超高性能混凝土的抗剪性能[34]。箍筋也提高了超高性能混凝土的臨界斜裂縫荷載值。超高性能混凝土開(kāi)裂前，超高性能混凝土的箍筋應(yīng)力很小，然而，當(dāng)超高性能混凝土開(kāi)裂后，超高性能混凝土的箍筋應(yīng)力顯著增大，并抵抗混凝土的剪切破壞[35]。

5.5粘結(jié)性能

隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土和鋼筋的極限粘結(jié)強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增大到2.0%時(shí)，超高性能混凝土的極限粘結(jié)強(qiáng)度增大了42.53%，超高性能混凝土的極限粘結(jié)強(qiáng)度和鋼纖維摻量呈線性關(guān)系[36]。和普通混凝土及環(huán)氧砂相比，超高性能混凝土對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)筋的錨固性能最好。對(duì)于直徑為10mm的表面壓紋CFRP筋(抗拉強(qiáng)度保證值為2550MPa)，在超高性能混凝土中的錨固長(zhǎng)度為25d時(shí)，可充分發(fā)揮CFRP筋的強(qiáng)度。因此，超高性能混凝土可為CFRP筋提供有效錨固[37]。

5.6軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，超高性能混凝土的軸壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變不斷增大，其軸壓強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度比為0.85，峰值應(yīng)變可高達(dá)2500×10-6。隨著超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段從拋物線轉(zhuǎn)為直線[38]。超高性能混凝土圓柱體在28d受壓時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.015，是普通混凝土的7倍。超高性能混凝土的極限壓應(yīng)變?yōu)?.034，是普通混凝土的10倍。超高性能混凝土的7d軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值后緩慢下降，說(shuō)明超高性能混凝土的壓縮韌性較大[39]。圓鋼管超高性能混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性階段是極限應(yīng)力的90%～95%。圓鋼管超高性能混凝土的受壓過(guò)程分為彈性階段、彈塑性階段、承載力下降階段和強(qiáng)化階段[40]。和單軸受壓相比，雙軸受壓作用下，超高性能混凝土的極限抗壓強(qiáng)度和主壓向峰值應(yīng)變都有所增大，線性段也有所提高[41]。

5.7韌性

當(dāng)不摻鋼纖維時(shí)，隨著超高性能混凝土強(qiáng)度的增大，其拉壓比和折壓比小于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土。受壓時(shí)，超高性能混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈直線，到達(dá)峰值時(shí)突然破壞，說(shuō)明超高性能混凝土的脆性比普通混凝土和高強(qiáng)混凝土大[42]。摻入鋼纖維可提高混凝土的拉壓比和折壓比。和不摻鋼纖維相比，當(dāng)鋼纖維摻量為0.75%時(shí)，超高性能混凝土的拉壓比提高了38%，折壓比提高了43%[43]。摻入鋼纖維顯著增大了超高性能混凝土的韌性，和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入1.0%的鋼纖維顯著提高了超高性能混凝土的初始裂縫強(qiáng)度、韌性指數(shù)和抗折強(qiáng)度[44]。楊久俊等[43]的研究也表明，和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入鋼纖維的韌性增大了1倍，斷裂能增大了34倍。纖維形狀對(duì)超高性能混凝土的韌性也有顯著影響。和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入2.0%鋼筋端鉤纖維的超高性能混凝土梁韌性增大了5.1倍，摻2.0%鋼筋啞鈴纖維的超高性能混凝土梁韌性增大了3.9倍，而混摻鋼筋端鉤纖維和鋼筋啞鈴纖維的超高性能混凝土梁韌性均優(yōu)于單摻纖維的超高性能混凝土梁[45]?；鞊戒摾w維和聚烯烴纖維或聚乙烯醇纖維可改善超高性能混凝土的韌性，其荷載-位移曲線有二次硬化特征。和單摻鋼纖維相比，混摻1%的鋼纖維和9kg/m3聚烯烴纖維的超高性能混凝土韌性增大了70%左右[46]。鋼管約束也可顯著提高超高性能混凝土的韌性，含鋼率越高，對(duì)超高性能混凝土韌性的改善越明顯[47,48]。在超高性能混凝土中裝入結(jié)構(gòu)鋼可顯著提高超高性能混凝土的韌性，和預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土梁相比，裝入結(jié)構(gòu)鋼的預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土梁具有更高的殘余剪切應(yīng)力、后開(kāi)裂硬度和剪切韌性[49]。

5.8抗斷裂性能

未摻鋼纖維的超高性能混凝土脆性大，斷裂能低，蒸養(yǎng)條件下脆性更大。摻入鋼纖維后，蒸壓增大了超高性能混凝土的抗斷裂性能，其斷裂能是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下超高性能混凝土的二倍[50]。鋼纖維顯著提高了超高性能混凝土的斷裂韌度，其斷裂能可增大11倍。聚丙烯纖維也可增大超高性能混凝土斷裂韌度，但增幅不大。和單摻鋼纖維相比，混摻1%鋼纖維和0.1%聚丙烯纖維對(duì)超高性能混凝土的斷裂韌度增強(qiáng)效果更佳[51,52]。

5.9抗沖擊性能

Zhang等[53]采用復(fù)合礦物摻合料、天然細(xì)骨料、短細(xì)纖維制備了抗壓強(qiáng)度大于200MPa的綠色超高性能混凝土。研究了三種養(yǎng)護(hù)制度(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù))下，超高性能混凝土的力學(xué)性能(強(qiáng)度、斷裂能和鋼纖維界面粘結(jié)強(qiáng)度)。研究結(jié)果表明，由40%波特蘭水泥、25%超細(xì)礦渣、25%超細(xì)粉煤灰、10%硅灰和4%鋼纖維制備超高性能混凝土的強(qiáng)度最高，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、斷裂能和纖維-砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度分別為200MPa、60MPa、30000J/m2和14MPa。通過(guò)霍普金森桿研究超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度，研究結(jié)果表明，應(yīng)變率對(duì)超高性能混凝土抗拉強(qiáng)度有顯著影響。當(dāng)應(yīng)變率增大時(shí)，超高性能混凝土抗拉應(yīng)力-時(shí)間曲線的峰值應(yīng)力急劇增大。在高應(yīng)變率下，超高性能混凝土具有明顯的應(yīng)變率僵化效應(yīng)。為了研究超高性能混凝土在國(guó)防工程中的抗壓強(qiáng)度，Rong等[54]用大摻量硅灰、粉煤灰和礦渣取代水泥，制備了抗壓強(qiáng)度為200MPa的超高性能混凝土。采用霍普金森壓桿研究不同纖維摻量下超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，超高性能混凝土的抗沖擊性能隨著纖維摻量的增大而增大，也隨著應(yīng)變率的增大而增大。采用有限元模擬超高性能混凝土的整個(gè)沖擊過(guò)程時(shí)，數(shù)值模擬表明，JohnsonHolmquist混凝土材料模型可用來(lái)模擬超高性能混凝土的力學(xué)性能，試驗(yàn)值和模擬值較吻合。王立聞等[55]研究了高溫后超高性能混凝土的抗沖擊性能，經(jīng)過(guò)600和800 ℃后，超高性能混凝土的強(qiáng)度分別減小了25%和65%，但增大了超高性能混凝土的峰值應(yīng)變。和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入1%鋼纖維的超高性能混凝土在600和800 ℃后的強(qiáng)度分別提高了28.1%和35.1%。超高性能混凝土的強(qiáng)度、破碎程度和吸收能存在著應(yīng)變率效應(yīng)[56]。

5.10抗疲勞性能

隨著循環(huán)壽命比的增大，超高性能混凝土疲勞后剩余抗壓強(qiáng)度的衰減率減小，衰減速率增大[57]。摻入鋼纖維可顯著提高超高性能混凝土梁的抗疲勞性能，當(dāng)鋼纖維摻量為3%時(shí)，當(dāng)超高性能混凝土的主拉應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度的一半時(shí)，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞[58]。超高性能混凝土可將橋面板上部面板和U形肋連接的應(yīng)力減小51%～90%，大幅度降低超高性能混凝土組合橋面板的疲勞破壞。在9.8～24.3MPa的疲勞荷載下，經(jīng)310萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，超高性能混凝土組合橋面板未出現(xiàn)裂縫，遠(yuǎn)大于虎門(mén)大橋的抗彎疲勞性能要求[59]。

6　耐久性能

6.1抗氯離子滲透性

超高性能混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)很低，僅為10-9cm2/S數(shù)量級(jí)[23]。

6.2抗碳化性能

在標(biāo)準(zhǔn)碳化箱里，當(dāng)水泥用量大于300kg/m3時(shí)，超高性能混凝土的28d碳化深度仍為0mm。而水泥用量為200kg/m3和100kg/m3時(shí)，超高性能混凝土的28d碳化深度也分別為2mm和4mm[23]。

6.3抗凍性能

經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，超高性能混凝土的質(zhì)量損失小于1%，動(dòng)彈性模量損失小于5%。當(dāng)不摻引氣劑時(shí)，超高性能混凝土的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失和含氣量為4.7%的引氣混凝土相當(dāng)。和普通混凝土及鋼纖維混凝土相比，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，超高性能混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度減小了27%，其他混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度幾乎為零。經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，尺寸為100mm×100mm×400mm的超高性能混凝土梁跨中位移為4.5mm，在不摻引氣劑的情況下，超高性能混凝土仍能滿足寒冷地區(qū)對(duì)混凝土抗凍性的要求[60]。

6.4抗銹蝕性能

超高性能混凝土可有效抑制鋼筋銹蝕，提高混凝土的使用壽命。在加速銹蝕條件下，當(dāng)使用普通混凝土做保護(hù)層時(shí)，通電160h后普通混凝土的裂縫寬度大于100μm。采用15mm厚的超高性能混凝土做保護(hù)層時(shí)，通電160h后混凝土的裂縫寬度小于50μm。采用50mm厚的超高性能混凝土做保護(hù)層時(shí)，通電160h后的超高性能混凝土梁未出現(xiàn)裂縫。采用15mm厚的超高性能混凝土做保護(hù)層時(shí)，通電190h后，混凝土的屈服荷載和極限荷載約降低了15%。采用50mm厚的超高性能混凝土做保護(hù)層時(shí)，通電190h后，混凝土的屈服荷載和極限荷載僅降低了5%～7%。當(dāng)采用50mm厚的超高性能混凝土做保護(hù)層時(shí)，超高性能混凝土在屈服荷載前的彎曲裂縫寬度小于70μm[61]。當(dāng)超高性能混凝土浸泡于飽和硫酸鈉溶液和飽和氯化鈉溶液中，在90 ℃恒溫箱干濕循環(huán)30次后，超高性能混凝土質(zhì)量損失很低，銹蝕僅出現(xiàn)在混凝土表面[23]。

7　超高性能混凝土在中國(guó)的應(yīng)用

國(guó)外將超高性能混凝土成功應(yīng)用于橋梁[62]、地鐵、大壩、樓梯、陽(yáng)臺(tái)[63]等工程中。2005年，沈陽(yáng)用超高性能混凝土(C140)預(yù)制了工業(yè)廠房的梁板，是超高性能混凝土在中國(guó)的第一次應(yīng)用[64]。歐維姆公司用超高性能混凝土替代鑄鐵或鑄鋼件，熱養(yǎng)護(hù)的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度分別為325MPa，自然養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度為187MPa[65]。

中鐵十九局成功將超高性能混凝土應(yīng)用于石武客專(zhuān)的電纜槽蓋板中。該工程用水泥、礦渣粉、硅灰、石英砂、鋼纖維制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度139.9MPa[66]。

超高性能混凝土在京石客運(yùn)專(zhuān)線蓋板工程中也得到了成功應(yīng)用，用水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土坍落擴(kuò)展度為550mm，含氣量為2.2%，抗壓強(qiáng)度為142.9MPa，抗折強(qiáng)度為19.6MPa[67]。

哈齊客運(yùn)專(zhuān)線用水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度為175.8MPa，抗折強(qiáng)度為24.7MPa，氯離子滲透量為13C，經(jīng)500次凍融循環(huán)后混凝土質(zhì)量無(wú)損失[68]。

哈大客運(yùn)專(zhuān)線用水泥、摻合料、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度141MPa，抗折強(qiáng)度19MPa[70]。

在鄭開(kāi)城際鐵路HNCJS-3標(biāo)橋梁工程中的電纜槽蓋板成功應(yīng)用了超高性能混凝土。工程用水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、鋼纖維制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土滿足工程的要求[70]。

在遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程中, 首次采用超高性能混凝土制作多孔預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T形梁。用水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土28d抗壓強(qiáng)度128.7MPa，抗折強(qiáng)度22.8MPa[71]。

為徹底消除掛檐板松脫隱患等問(wèn)題，超高性能混凝土掛檐板在北京四惠立交東向北匝道橋掛檐板更換施工中得到了成功應(yīng)用。用水泥、摻合料、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超性能混凝土抗壓強(qiáng)度為149MPa，抗折強(qiáng)度為21.5MPa，彈性模量為51GPa，500次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率為0.9%，相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量為90%[72]。

為了節(jié)約成本，保護(hù)環(huán)境，采用生態(tài)型超高性能混凝土生產(chǎn)人行道蓋板，用水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度為150.3MPa，抗折強(qiáng)度為19.6MPa，彈性模量為50.6GPa，氯離子滲透量為33.2C，抗凍性>F500[73]。

8　結(jié)　論

自超高性能混凝土出現(xiàn)后，國(guó)內(nèi)外對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行了大量的研究，國(guó)內(nèi)關(guān)于超高性能混凝土主要集中在如下幾個(gè)方面：

(1)采用輔助性膠凝材料取代水泥和硅灰，用天然河砂或鐵礦石殘?jiān)〈⑸昂褪⒎?，摻入最大粒徑?0mm的粗骨料，也可制備出抗壓強(qiáng)度大于200MPa的超高性能混凝土。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，采用普通工藝也可以制備出性能滿足要求的超高性能混凝土；

(2)硅灰減小了超高性能混凝土膠凝材料加速期出現(xiàn)的時(shí)間，而礦粉延緩了潛伏期和加速期。納米二氧化硅減小了水泥水化的加速期和減速期的出現(xiàn)時(shí)間。納米二氧化硅優(yōu)化了超高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)，隨著納米二氧化硅的摻入，超高性能混凝土的孔隙率和平均孔徑減小。超高性能混凝土的結(jié)構(gòu)相當(dāng)致密，基體結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有可以讓有害氣體、水和侵蝕性溶液滲入的毛細(xì)孔道；

(3)超高性能混凝土具有良好的裂縫控制能力。和普通混凝土梁相比，超高性能混凝土梁的初裂彎曲強(qiáng)度和極限彎曲強(qiáng)度都有大幅度提高。摻入鋼骨、增大腹板厚度、減小箍筋間距和增大剪跨比可提高超高性能混凝土梁的剪切延性。隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土和鋼筋的極限粘結(jié)強(qiáng)度不斷增大。隨著超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段從拋物線轉(zhuǎn)為直線，在峰值后緩慢下降，說(shuō)表現(xiàn)出較大的韌性。鋼纖維的摻入顯著增大了超高性能混凝土的韌性，纖維形狀對(duì)超高性能混凝土的韌性也有顯著影響。超高性能混凝土的抗沖擊性能隨著纖維摻量的增大而增大，也隨著應(yīng)變率的增大而增大；

(4)在凍融循環(huán)下，超高性能混凝土的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失都很小。超高性能混凝土可有效抑制鋼筋銹蝕，提高混凝土的使用壽命；

(5)自從中國(guó)2005年第一次將超高性能混凝土應(yīng)用于工程中，超高性能混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電纜槽蓋板、高速鐵路、地鐵、橋梁、掛檐板和人行道蓋板中。

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ResearchandApplicationsofUltra-HighPerformanceConcrete(UHPC)inChina

WANG De-hui,SHI Cai-jun,WU Lin-mei

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Asanewcement-basedmaterials,UHPChasacharacterofhighstrengthandsuperiordurability.Inthispaper,researchesandapplicationsofUHPCinChinawerereviewed.Usingconventionalsupplementarycementitiousmaterialstoreplacecementandsilicafume,UHPCwhichsatisfiedengineeringrequirementcouldalsobepreparedbyordinaryprocess.Silicafumeandnano-SiO2acceleratedthehydrationofcementitiousmaterialsofUHPC,butslagslowedthehydrationofcementitiousmaterialsofUHPC.ThemicrostructureofUHPCwasuniformanddense.Thetensile,flexural,shear,bondstrengthandpeakstrainofUHPCwerefarlargerthanthatofordinaryconcrete.IncorporationofsteelfibercouldsignificantlyincreasethetoughnessofUHPC.ThefreezingandthawingresistanceandreinforcementcorrosionresistanceofUHPCwerebetterthanthatofordinaryconcrete.SincethefirstapplicationofUHPCin2005,ithasbeenwidelyusedascablecoversalonghighspeedrailwaysandsubways,bridgebeams,wallpanelsandsidewalkpanelsinChina.

UHPC;hydrationprocess;mechanicalproperty;durability;application

國(guó)家自然科學(xué)基金(51378196,U1305243)

王德輝(1983-)，男，博士.主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究.

史才軍，博士，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0141-09