我國超高性能混凝土（UHPC）的研究與應(yīng)用進(jìn)展

鄒勇

（重慶市武隆區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，重慶 408500）

鄒勇.我國超高性能混凝土（UHPC）的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].重慶建筑，2019（7）：34-36.

0 引言

1993年法國Bouygues公司率先研發(fā)出了一種超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性的水泥基復(fù)合材料，名為活性粉末混凝土（RPC）[1]。由于RPC是一種專利產(chǎn)品，為避免產(chǎn)權(quán)糾紛，法國Larrard DF等隨后又提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念[2]。UHPC是以RPC制備原理為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，只是前者所涉及的材料范圍更廣。自UHPC問世以來，國外對UHPC的制備技術(shù)、材料及結(jié)構(gòu)性能等進(jìn)行了大量的研究，并開展了規(guī)?；瘧?yīng)用。1998年，UHPC經(jīng)清華大學(xué)覃維祖教授首次引入國內(nèi)，隨即成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2000年以后，除清華大學(xué)外，湖南大學(xué)、東南大學(xué)、福州大學(xué)、武漢理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校先后開展了UHPC材料組成與結(jié)構(gòu)性能的研究，并在工程應(yīng)用方面取得了諸多成果。雖然中國對UHPC的研究有些晚，但在結(jié)構(gòu)自身和社會可持續(xù)發(fā)展對高性能土木工程材料要求的雙重壓力下，UHPC在中國的受關(guān)注度持續(xù)升溫。在此背景下，本文將淺述UHPC在中國的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展前景加以展望。

1 我國超高性能混凝土的研究現(xiàn)狀

1.1 原材料及制備技術(shù)

如同其他水泥基材料研究一樣，UHPC研究也是從材料制備開始入手的。各國研究者結(jié)合當(dāng)?shù)氐牟牧祥_展了大量的配合比設(shè)計，中國也開展了許多的研究。在我國UHPC發(fā)展的早期，其制備技術(shù)主要遵循了RPC制備原理，包括剔除粗骨料和優(yōu)化細(xì)骨料級配，摻加超細(xì)活性礦物摻合料，并通過加壓和熱養(yǎng)護(hù)及添加高強(qiáng)鋼纖維等，以達(dá)到減小孔隙率、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)、提高密實(shí)度和改善材料延性等目的。

針對國內(nèi)原材料的實(shí)際情況，湖南大學(xué)何峰和黃政宇[3]較早地開展了原材料品質(zhì)及配合比對UHPC強(qiáng)度影響的試驗研究，認(rèn)為配制UHPC宜優(yōu)先選用52.5級水泥、顆粒粒徑在0.35mm以下的標(biāo)準(zhǔn)砂、硅灰、細(xì)石英粉、高效減水劑和13mm微細(xì)鋼纖維（長徑比74）；在不摻鋼纖維時，通過高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)工藝可以制備出抗壓強(qiáng)度高達(dá)229MPa的UHPC；在摻加3%鋼纖維和200OC高溫養(yǎng)護(hù)下，UHPC抗壓強(qiáng)度可接近300MPa。但由于早期配比中硅灰、石英粉、石英砂等高成本原材料的占比較大，熱養(yǎng)護(hù)溫度過高，導(dǎo)致UHPC的制備成本高、生產(chǎn)能耗大。為此，不少國內(nèi)學(xué)者開始嘗試?yán)贸Ｒ?guī)、廉價的大宗材料和傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)手段來制備UHPC。武漢理工大學(xué)胡曙光等[4]摻入占膠凝材料總量48%的鋼渣粉、超細(xì)粉粉煤灰和硅灰，采用普通細(xì)河砂替代石英砂，再通過90OC熱水養(yǎng)護(hù)72h，在0.18的水膠比下制備出了抗壓強(qiáng)度達(dá)152MPa和抗折強(qiáng)度達(dá)27.9MPa的UHPC。東南大學(xué)孫偉院士課題組在制備UHPC時，也不斷改進(jìn)設(shè)計理念和制備路線，如采用超細(xì)工業(yè)廢渣取代磨細(xì)石英粉和硅灰，利用天然砂替代磨細(xì)石英砂，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或熱水養(yǎng)護(hù)，通過優(yōu)選外加劑使拌合物具有自流平自密實(shí)的特征，最終成功研制出200MPa級的UHPC材料并用于實(shí)際工程[5]。魯亞等[6]采用銅尾礦原礦取代50%細(xì)砂或采用磨細(xì)銅尾礦粉取代部分水泥和粉煤灰，摻入2.5%鋼纖維，制備出了抗壓強(qiáng)度超過160MPa的銅尾礦UHPC，有效降低了制備成本；相比基準(zhǔn)UHPC，銅尾礦UHPC的抗彎、抗拉性能均有所提升。近年來，免熱養(yǎng)護(hù)及含粗集料的UHPC也不斷被研制出來?？傮w而言，綠色生態(tài)化和低成本化是目前國內(nèi)UHPC制備的主要研究方向之一。

1.2 力學(xué)性能

強(qiáng)度等力學(xué)性能是混凝土材料最重要的性能之一，主要包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、韌性和延性等，其中抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是最基本的力學(xué)性能。視具體情況的不同，UHPC的抗壓、抗彎和拉伸強(qiáng)度分別可以在120～800MPa，20～150MPa，6～100MPa的范圍內(nèi)波動。

與普通混凝土一樣，UHPC也存在較為明顯的尺寸效應(yīng)。國內(nèi)學(xué)者常采用邊長為40～150mm的立方體試件來測試UHPC的抗壓強(qiáng)度?？傮w而言，試件尺寸較小時測得的強(qiáng)度要大于試件尺寸較大時的，但各尺寸試件所測強(qiáng)度之間至今仍未形成確切的比值關(guān)系。根據(jù)國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)和實(shí)驗室的測試條件，不少文獻(xiàn)建議采用邊長為100mm的立方體試塊作為標(biāo)準(zhǔn)測試試件[7]。UHPC抗拉強(qiáng)度的測試方法也基本沿用了普通混凝土的常用方法，包括軸心抗拉試驗、抗折試驗和劈裂抗拉試驗。有文獻(xiàn)[8]對比研究了3種不同試驗方法下的UHPC抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明，在相同的鋼纖維摻量下，UHPC的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度大致相近，并遠(yuǎn)大于軸心抗拉強(qiáng)度；UHPC軸拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度之間的比值與普通混凝土的抗拉強(qiáng)度之間的比值較為接近。文獻(xiàn)[8]還建議以抗折強(qiáng)度試驗作為工程實(shí)踐中UHPC抗拉強(qiáng)度的間接測試方法。

UHPC的力學(xué)性能還受養(yǎng)護(hù)方式、材料組成和纖維等的影響。張勝等[9]研究了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和熱水養(yǎng)護(hù)條件對UHPC強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，濕熱養(yǎng)護(hù)能有效改善水泥基體與鋼纖維的界面粘結(jié)，熱養(yǎng)護(hù)下UHPC不同齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均明顯高于標(biāo)養(yǎng)后的。因此，為了增大超細(xì)礦物摻合料的火山灰反應(yīng)程度、提高UHPC的強(qiáng)度，高溫、加壓養(yǎng)護(hù)制度是非常重要的手段。萬朝均等研究了不同水膠比、鋼纖維摻量對UHPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和拉伸性能的影響[10]。結(jié)果表明，在UHPC尚未達(dá)到最大密實(shí)度時，隨著水膠比由0.12增大至0.22，UHPC的7d和28d抗壓和抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，當(dāng)水膠比為0.18時，可獲得最佳抗壓強(qiáng)度；此外，摻入鋼纖維可以顯著提高UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，但纖維摻量過大（超過3%）也會導(dǎo)致施工性能、力學(xué)性能下降。朋改非等[11]通過直接拉伸試驗和三點(diǎn)彎曲試驗研究了鋼纖維摻量和類型對UHPC增強(qiáng)增韌效果的影響，發(fā)現(xiàn)異形鋼纖維能大幅提升UHPC的抗拉強(qiáng)度、斷裂能和裂后承載能力，且提高幅度隨其摻量增加而增大；相比于端鉤型鋼纖維，波紋型鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用更佳。UHPC的抗拉強(qiáng)度還與纖維的分散與取向特征有關(guān)，與隨機(jī)分布相比，鋼纖維沿拉應(yīng)力方向有序分布時更有利于UHPC的增強(qiáng)增韌。王強(qiáng)通過改變鋼纖維在UHPC拌合物中的排列取向，發(fā)現(xiàn)拉伸斷面上鋼纖維取向角系數(shù)與抗拉強(qiáng)度有明顯的線性關(guān)系；其中，順拉伸方向澆筑的UHPC抗拉強(qiáng)度達(dá)到12.4MPa，比隨機(jī)分布澆筑和垂直拉伸方向澆筑分別高20%和51%[12]。

1.3 耐久性能

耐久性是評價UHPC性能的一項重要指標(biāo)。已有大量文獻(xiàn)表明，低水膠比低和高度致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得UHPC具有極低滲透性、較高的抗有害介質(zhì)侵蝕和良好耐磨性。劉斯鳳等[13]通過對UHPC耐久性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高壓養(yǎng)護(hù)的UHPC浸水90d后抗壓強(qiáng)度僅下降0.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和熱水養(yǎng)護(hù)的UHPC抗壓強(qiáng)度不降反升，此外UHPC還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗碳化性能、很高的抗凍融性能和耐鹵水腐蝕能力，認(rèn)為UHPC耐久性遠(yuǎn)優(yōu)于其他水泥基材料。文獻(xiàn)[14]采用透水法研究了不同裂縫形態(tài)下UHPC的水滲透性能，認(rèn)為UHPC所具有的微裂縫、多點(diǎn)開裂模式使其在含裂縫狀態(tài)下仍具有很好的水滲透性能。近期，北京交通大學(xué)安明喆教授團(tuán)隊[15-16]系統(tǒng)研究了海洋環(huán)境下海水侵蝕、凍融循環(huán)和干濕循環(huán)等單一因素及耦合因素作用對UHPC力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)UHPC耐硫酸鹽、氯鹽，在氯鹽凍融循環(huán)與侵蝕耦合作用下仍具有良好耐久性。也正是由于UHPC具有超高的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐久性能，因而非常適合作為惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的主體或防護(hù)材料。

2 我國超高性能混凝土的應(yīng)用進(jìn)展

UHPC自問世以來不斷被應(yīng)用于實(shí)際工程。在國外，UHPC已在建筑、橋梁、核電、市政和海洋等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，著名工程案例有如1997年建成的加拿大魁北克省布魯克（Sherbrooke）人行橋、2012年建成的韓國Super BrigdeⅠ斜拉橋和LEGO公路斜拉橋等。中國在UHPC提出后不久，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸開始推廣。從2003年起，UHPC被用于溝蓋板、橋梁、人行天橋、高速公路橋面和維修等領(lǐng)域。

2005年，在沈陽西科硅有限公司工業(yè)廠房擴(kuò)建工程中，采用C140級UHPC制作了329件預(yù)制構(gòu)件，其中梁84片、樓板245件，均為預(yù)應(yīng)力大體積構(gòu)件。這次擴(kuò)建工程中的UHPC預(yù)制構(gòu)件被認(rèn)為是UHPC在我國工業(yè)建筑上的首次規(guī)?；瘧?yīng)用，并標(biāo)志著UHPC在我國開始由試驗研制階段向生產(chǎn)應(yīng)用階段轉(zhuǎn)化。

鐵路工程中的電纜槽蓋板是我國UHPC最大的用途之一，為此原鐵道部科學(xué)技術(shù)司還專門發(fā)布了 《客運(yùn)專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》。2011年，中鐵十九局在石武客專河南段的電纜槽蓋板中大量使用了UHPC，該工程蓋板制品生產(chǎn)任務(wù)達(dá)6600塊/日，UHPC蓋板的設(shè)計性能指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度≥130MPa、抗折強(qiáng)度≥18MPa、彈性模量≥48GPa和抗凍標(biāo)號＞F500等[17]。此外，UHPC也成功地應(yīng)用于京石客運(yùn)專線蓋板工程中，利用42.5級水泥、0～1mm石英砂、硅灰、I級粉煤灰、鋼纖維和早強(qiáng)型聚羧酸高效減水劑等原材料，通過蒸汽養(yǎng)護(hù)，制備的UHPC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[18]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2015年，在高速鐵路工程中應(yīng)用的UHPC蓋板面積約21.4×106m2，折合混凝土量約535×103m3。

近年來，我國在UHPC的應(yīng)用上還取得了許多新的突破。2016年1月，湖南長沙建成了世界首座全預(yù)制拼裝UHPC橋梁，該橋梁全長70.8m（主跨達(dá)36.8m）、寬6.5m，全橋僅有兩個橋墩。對此，中國工程院院士陳政清教授評價道，“這座橋的竣工，在中國超高性能混凝土工程應(yīng)用領(lǐng)域是一個飛躍?！?018年6月，武漢華新長山口環(huán)保工廠采用華新UHPC產(chǎn)品 “Ductal”澆筑了168根24.54m跨度的預(yù)應(yīng)力預(yù)制大梁用于替代傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)梁，系全國乃至全世界范圍內(nèi)最大的UHPC預(yù)制梁應(yīng)用。

除用于制作預(yù)制構(gòu)件外，UHPC現(xiàn)場澆筑應(yīng)用也在不斷發(fā)展，其中最為活躍的應(yīng)用是鋼橋中的鋼-UHPC組合橋面板。湖南大學(xué)邵旭東教授團(tuán)隊自主研發(fā)的正交異性鋼板-超高韌性混凝土（STC）輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，可徹底解決正交異性鋼橋面鋪裝層易破損和鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂的世界性難題[19]。STC是一種經(jīng)過改性、強(qiáng)化的UHPC，具有優(yōu)異的抗裂性和極低的收縮性，可視作不開裂的結(jié)構(gòu)層。2011年，鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)首次在廣東肇慶馬房大橋上應(yīng)用，至2018年，該組合橋面結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)17座橋梁。此外，中鐵大橋科學(xué)研究院基于UHPC開發(fā)的UHPC組合橋面技術(shù)也成功應(yīng)用于鐵路橋、公路橋和城市橋中，如2018年5月12日完成的蒙華鐵路洞庭湖特大橋鋼－UHPC組合橋面鋪裝工程，現(xiàn)場總鋪裝面積為12000m2，系世界范圍內(nèi)首次將UHPC組合橋面技術(shù)應(yīng)用于鐵路橋梁。

此外，UHPC在橋梁聲屏、建筑物外墻掛板、鐵路軌枕、商業(yè)家具等領(lǐng)域也有應(yīng)用，如深圳深業(yè)上城中心使用了總面積達(dá)20000的UHPC外墻掛板，掛板采用Ductal有機(jī)纖維，無需熱養(yǎng)護(hù)，并配有鋼筋。

3 結(jié)語與展望

UHPC從首次被介紹到國內(nèi)到現(xiàn)在已有20年的歷史，國內(nèi)研究人員緊跟國際學(xué)術(shù)前沿，開展了大量的UHPC研究。目前UHPC的配合比及制備技術(shù)已然不再是秘密，其優(yōu)異的材料及結(jié)構(gòu)性能也已得到大量研究結(jié)果的證實(shí)。在國內(nèi)眾多學(xué)者及工程技術(shù)人員的不懈努力下，UHPC在工程應(yīng)用上也取得了許多突破。但與國外相比，我國UHPC總體的應(yīng)用規(guī)模仍較小，且仍以工廠預(yù)制和現(xiàn)場拼裝為主?？傮w而言，材料價格高昂、缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、UHPC研究較為分散是目前制約UHPC在國內(nèi)工程中普及的幾個重要原因。因此，為進(jìn)一步推動UHPC的規(guī)?；瘧?yīng)用，仍須在諸多方面進(jìn)行努力，如：

（1）著重開展經(jīng)濟(jì)性研究。一方面，UHPC的制備成本較高，應(yīng)著重研究利用常規(guī)材料和簡單工藝，制備出滿足更多要求的UHPC；另一方面，由于UHPC性能大幅提升，能一定程度減少結(jié)構(gòu)本身材料的使用量、減輕結(jié)構(gòu)自重和提高服役年限，但需進(jìn)行定量化研究，提高說服力；

（2）加快制定標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。在國內(nèi)工程建設(shè)的大背景下，UHPC很難在沒有標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范指導(dǎo)的情況下實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。近年來，UHPC應(yīng)用在中國不斷升溫，部分地方、團(tuán)體和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，而更多的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程正在不斷制訂和更新之中，如《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《超高性能混凝土 （UHPC）技術(shù)要求》等。隨著標(biāo)準(zhǔn)的制訂，UHPC應(yīng)用將會得到較快和長遠(yuǎn)的發(fā)展；

（3）加強(qiáng)系統(tǒng)性研究和項目合作。目前國內(nèi)對UHPC的研究較為分散，不利于形成系統(tǒng)性、指導(dǎo)性的研究成果，一定程度上延緩了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著研究投入的加大和研究人員的不斷增加，研究的廣度、深度與系統(tǒng)性也不斷提高，將為UHPC應(yīng)用和推廣奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

目前，中國仍處于大規(guī)模建設(shè)時期，對節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展日益重視，對混凝土性能的要求也不斷提高。隨著UHPC逐步向超高強(qiáng)、超高韌性、高耐久、低成本、綠色生態(tài)和可持續(xù)化方向發(fā)展，未來UHPC必將展現(xiàn)出更為廣闊的應(yīng)用前景。