超高性能混凝土研究綜述

申久成，趙江，高益樂，張翰林，朱志彬，卜亞偉

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,以下簡稱UHPC），是一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，一般是由水泥、細(xì)集料、纖維、礦物摻合料、高效減水劑等加水后進(jìn)行拌合， 再經(jīng)過凝結(jié)硬化后形成的一種具有超高抗壓強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能和較高耐久性能的混凝土，應(yīng)用于道路、橋梁、水利等重大工程項(xiàng)目之中， 對于推動土木工程材料的發(fā)展有著重大意義，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 UHPC 的發(fā)展歷程及其應(yīng)用

1.1 UHPC 的發(fā)展歷程

在20 世紀(jì)前半葉，混凝土的平均抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到 40 MPa；到 70 年代，Yudenfreund 的團(tuán)隊(duì)使用超細(xì)磨水泥并使用真空攪拌技術(shù)研制出了一種抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到240 MPa 的水泥石；70 年代末，減水劑和高活性摻合料的開發(fā)應(yīng)用， 使得混凝土的強(qiáng)度能夠達(dá)到60 MPa。接著，人們發(fā)現(xiàn)在混凝土中加入一些纖維（大多使用鋼纖維）能夠明顯改善混凝土的抗拉強(qiáng)度， 這種混凝土又被稱作為纖維增強(qiáng)混凝土；80 年代末，一些發(fā)達(dá)國家針對于混凝土的耐久性設(shè)計(jì)出高性能混凝土。 Birchall 等提出了無宏觀缺陷(MDF)水泥基材料，抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到 200 MPa。 20 世紀(jì) 90 年代，法國的 Bouygues 公司在超細(xì)密集填充混凝土（DSP）和纖維增強(qiáng)混凝土研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了活性粉末混凝土（Reactive Power Concrete, RPC）。1994 年，Larrard 等首次提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念。 在之后的研究中， 以RPC 制備原理為基礎(chǔ)的UHPC 材料的研究應(yīng)用成為當(dāng)今水泥基材料發(fā)展的主要方向之一[1]。

1.2 UHPC 的工程應(yīng)用概況

UHPC 在國內(nèi)最早的應(yīng)用是在客運(yùn)專線的電纜溝蓋板上，例如京滬高速鐵路就使用了UHPC 制作的蓋板。之后UHPC 開始逐步應(yīng)用到了橋梁與建筑上。如寧波機(jī)場路南延市政道路和輕軌一體化高架箱梁接縫連接，上海嘉閔高架預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的梁與梁之間、蓋梁與墩柱之間的接縫連接等。 截至2018 年年底， 國內(nèi)已有60 多座鋼橋應(yīng)用了鋼-UHPC 復(fù)合橋面。首次應(yīng)用鋼-UHPC 復(fù)合橋面的是廣東肇慶馬房大橋。 目前， 鋼-UHPC 復(fù)合橋面是UHPC 應(yīng)用規(guī)模最大的工程項(xiàng)目。 2018 年至2019年，深圳的悅彩城展中心幕墻、余杭文化藝術(shù)中心幕墻、 上海音樂學(xué)院歌劇院幕墻都采用了UHPC，這又補(bǔ)充了國內(nèi)UHPC 在建筑領(lǐng)域的空席。

2 UHPC 的制備

2.1 UHPC 的制備原料及其性能分析

2.1.1 膠凝材料

制備UHPC 的水泥應(yīng)采用含堿量較低、C3A 和C4AF 含量較少的優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥。 礦物摻合料一般選用硅灰，硅灰在UHPC 中起到了填充作用，還可以與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生二次水化，生成水化硅酸鈣，使UHPC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

但是當(dāng)UHPC 中的水泥用量過大時(shí)， 會產(chǎn)生大量的水化熱，UHPC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會受到溫度應(yīng)力的影響而產(chǎn)生裂縫； 大量使用硅灰也會使生產(chǎn)成本大大提高。 粉煤灰在UHPC 中也可以發(fā)揮填充效應(yīng)、活性效應(yīng)以及微集料效應(yīng)。 在水化早期，粉煤灰?guī)缀踔话l(fā)生形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)， 到了水化后期，粉煤灰才會與Ca（OH）2產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，提高UHPC 的力學(xué)性能。 丁慶軍[2]等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定膠凝材料總量和硅灰摻量不變時(shí)， 逐漸降低水泥用量、提高粉煤灰微珠的摻量，能夠降低水泥漿體的剪切應(yīng)力和和塑性黏度。

2.1.2 鋼纖維

人們在不斷研究中發(fā)現(xiàn)，鋼纖維能夠極大改善UHPC 的力學(xué)性能， 目前鋼纖維已經(jīng)成為UHPC 制備不可缺少的材料。 鋼纖維的摻量和形狀對UHPC都有一定影響。 研究表明，當(dāng)體積摻量小于3%時(shí)，UHPC 的彈性模量和抗壓強(qiáng)度都隨其增大而逐漸增大。 過高的纖維摻量會使得纖維在基體中難以分散開來，分布不均，纖維發(fā)生團(tuán)聚，降低UHPC 的流動性，因此鋼纖維的最佳體積摻量為2%。

鋼纖維形狀可分為直線型、波紋型和端鉤型。纖維的長徑比對于UHPC 的性能也有一定影響，宋焱[3]通過對UHPC 的纖維抗拉性能研究得出結(jié)論： 短纖維對RPC 的力學(xué)性能的增強(qiáng)最大。 何穩(wěn)[4]研究發(fā)現(xiàn)， 向UHPC 中分別摻入2%的直線型、波紋型和端鉤型鋼纖維時(shí)，UHPC 的韌性指數(shù)提高，韌性逐漸加強(qiáng)； 當(dāng)鋼纖維體積摻量保持2%不變時(shí)， 隨著短纖維體積摻量的增加，UHPC 的流動性先上升后下降， 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度先提高后降低，UHPC 的沖擊破壞壓縮程度逐漸提高。

2.1.3 減水劑

高效減水劑的種類主要分為萘系高效減水劑、氨基磺酸鹽高效減水劑、脂肪族高效減水劑和聚羧酸系高效減水劑4 種。 目前UHPC 中主要用聚羧酸系高效減水劑。 沈雅雯[5]研究高效減水劑對預(yù)拌混凝土早期收縮變形的影響，發(fā)現(xiàn)聚羧酸系高效減水劑在保持混凝土配合比不變的情況下，對混凝土的早期收縮有正面效應(yīng)，合理摻入高效減水劑能夠提高水泥拌合物的流動性，降低用水量，改善混凝土的工作性和耐久性。

2.2 UHPC 的生產(chǎn)工藝

常規(guī)制備UHPC 的工藝方法是：將膠凝材料、細(xì)集料、鋼纖維等倒入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，再加入水和高效減水劑攪拌直至成流態(tài)混凝土。 馬來西亞推薦的攪拌工藝是先將粉末和集料均勻化，然后加入水和外加劑進(jìn)行攪拌，將漿體攪拌均勻后再均勻地加入鋼纖維。 攪拌最終就是要將集料以及鋼纖維均勻分散開，不使鋼纖維聚集成團(tuán)。 劉娟紅[6]在研究活性粉末混凝土的制備中， 認(rèn)為先加入石英砂和鋼纖維，再加入膠凝材料，最后加入水和外加劑攪拌至均勻的UHPC 性能較好。 如果對UHPC 的性能有較高的要求，還可以采取真空攪拌，以減小孔隙率，改善UHPC 的力學(xué)性能。

毛軍[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)制度對活性粉末混凝土力學(xué)性能有很大的影響，UHPC 一般采用高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)，相較于普通養(yǎng)護(hù)制度，高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)能夠促進(jìn)UHPC 的水化反應(yīng)， 生成更多的水化硅酸鈣，減小鈣礬石和Ca（OH）2的體積，孔結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，力學(xué)性能得到改善。 胡功球[8]研究了不同養(yǎng)護(hù)制度下UHPC 的收縮，試驗(yàn)表明，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的UHPC 早期收縮較大， 在進(jìn)行65 d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后得到收縮值為 1 490 με。50 ℃熱養(yǎng)護(hù)的 UHPC 收縮值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。 Dallaire[9]等研究表明，RPC試件在加壓至50 MPa 和400 ℃的條件下養(yǎng)護(hù)48 h后，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到500 MPa。

3 中國UHPC 標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展

中國的UHPC 標(biāo)準(zhǔn)化工作起始于2006 年，即《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》。2015 年，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了《活性粉末混凝土》。 從2016 年開始，中國關(guān)于UHPC 標(biāo)準(zhǔn)工作開始密集展開。 中國混凝土與水泥制品協(xié)會（CCPA）開始組織編制通用性的UHPC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，2018 年完成發(fā)布了T/CBMF 37、T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》，距離形成基本的UHPC 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)不遠(yuǎn)。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)外對于UHPC 研究的深入，UHPC 的理論體系正趨于成熟，近5 年間，中國UHPC 在鋼橋面鋪裝、裝配式橋梁預(yù)制構(gòu)件連接、鋼-UHPC 組合橋梁方面的應(yīng)用，已具有一定規(guī)模；在建筑幕墻或外立面、裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件連接、工業(yè)建筑耐腐蝕結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)維修加固、水工結(jié)構(gòu)抗沖磨等方面的應(yīng)用已取得重要進(jìn)展。建議未來可以在裝配式建筑、結(jié)構(gòu)維修加固和創(chuàng)新建筑與結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步開展研究工作。