超高性能混凝土研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

項(xiàng) 陽，唐賓朋

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

0 引言

混凝土的使用可追溯到古羅馬時期，隨著人類社會的進(jìn)步，工程建設(shè)活動趨勢開始向環(huán)境惡劣區(qū)域發(fā)展，傳統(tǒng)混凝土已無法滿足建筑物在特殊環(huán)境下的長期使用，對性能良好的材料需求日趨強(qiáng)烈，從而超高性能混凝土應(yīng)運(yùn)而生。自20世紀(jì)90年代初提出概念以來，超高性能混凝土（UHPC）就引起國內(nèi)外的密切關(guān)注且對其進(jìn)行大量研究。相較普通混凝土，它具有更高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性以及體積穩(wěn)定性，通過低水膠比、優(yōu)化骨料粒徑分布、熱養(yǎng)護(hù)和纖維增強(qiáng)而形成這些優(yōu)良的性能。在土地資源緊缺，需要加快建設(shè)資源型社會的背景下，有效將其應(yīng)用到工程建設(shè)中，并推動超高性能混凝土在國內(nèi)的發(fā)展是至關(guān)重要的。

1 概念及進(jìn)展

超高性能混凝土，簡稱UHPC，也稱作活性粉末混凝土（RPC）[1]。它是一種新型混凝土材料，由水泥、硅灰、沙子、纖維、水和減水劑組成，超高性能體現(xiàn)在耐久性和力學(xué)性能方面。

國外對UHPC的研究工作開展較早，在材料性能方面和相關(guān)技術(shù)已比較成熟，也取得不少研究成果，并將UHPC大量應(yīng)用到了工程建設(shè)中。1994年，De.Larrard等[2]首先提出“超高性能混凝土（UHPC）”的概念，與此同時法國科學(xué)家Richard等[3]成功研制出的活性粉末混凝土（RPC），其實(shí)就屬于超高性能混凝土。1998年，在加拿大開展關(guān)于超高性能混凝土、RPC主題的第一次研討會，就原理、性能和應(yīng)用等方面進(jìn)行討論。后面在加拿大的舍布魯克市得到應(yīng)用，修筑了世界上第一座以超高性能混凝土為材料的地標(biāo)性步行橋。西雅圖市第二聯(lián)合廣場建設(shè)也應(yīng)用了超高性能混凝土，并因此在項(xiàng)目成本上節(jié)省了30%。

相比于發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)對于超高性能混凝土的研究起步較晚，大多研究集中在材料性能方面。覃維祖等[4]向國內(nèi)介紹了活性粉末混凝土，并詳細(xì)闡述其基本原理和性能特點(diǎn)；黃政宇等[5]利用特制鋼纖維研制出了抗壓強(qiáng)度達(dá)200MPa的超高強(qiáng)鋼纖維混凝土；張哲等[6]通過研究UHPC的初裂應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加鋼纖維的摻量，可以大大提升初裂應(yīng)變。馮乃謙[7]針對新拌UHPC粘性大，實(shí)際應(yīng)用到工程中存在困難等問題，提出合理摻加水的用量、控制坍落度損失、利用粉體效應(yīng)等措施。之后，國內(nèi)一些知名高校也進(jìn)行相關(guān)的研究。

在UHPC的工程應(yīng)用中，如欒白鐵路干線大橋中的T形梁使用超高性能混凝土，且應(yīng)用在混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的廣東榕江大橋建設(shè)中，包括石武客專的電纜槽蓋板，福州大學(xué)風(fēng)景橋的拱肋。同時國家頒布了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《活性粉末混凝土》（GBT31387—2015），其余像《超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的編制也在進(jìn)行中，這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)一步推動超高性能混凝土研究與應(yīng)用的發(fā)展。

目前，我們國家對于UHPC也做了不少的研究工作，但在工程應(yīng)用上狀況不太理想，應(yīng)用的研究熱點(diǎn)大多在橋梁和預(yù)制構(gòu)件方面。要使得UHPC在實(shí)際工程中得到更多的應(yīng)用，仍必須對此課題做更加深入且全面的研究。

2 制備原理

制備原理是通過降低孔隙率、改善微觀組織、增強(qiáng)均勻性和增加韌性等方法，控制好并預(yù)防材料內(nèi)部的裂縫，使得UHPC的性能得到提升。

（1）降低孔隙率

孔隙結(jié)構(gòu)是決定超高性能混凝土強(qiáng)度的重要因素。通過加入減水劑、超細(xì)活性粉末以及對原材料的密實(shí)填料，優(yōu)化顆粒和壓實(shí)進(jìn)行改善。其中，硅灰是重要的原材料之一，它的顆粒細(xì)小、活性高，其水化產(chǎn)物有填充作用，并形成致密的界面過渡區(qū)，提高了材料的密實(shí)度。以上這些措施有效改善混凝土的孔隙率和孔徑分布，填充了水泥顆粒間的空隙，從而提高混凝土的性能。

（2）改善微觀結(jié)構(gòu)

致密均勻的微觀結(jié)構(gòu)可以直接影響UHPC的性能。通過預(yù)熱壓和熱養(yǎng)護(hù)工藝，在保證混凝土拌合物具有足夠和易性的前提下，通過去除粗骨料，可以促進(jìn)活性粉末的火山灰效應(yīng)，提高材料的密實(shí)度，減少化學(xué)收縮，從而改善材料的微觀結(jié)構(gòu)以及骨料與水泥漿界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)。

（3）提高韌性

韌性指的是材料的能量吸收能力，用來表征材料的抗斷裂能力。UHPC中通過摻入纖維，解決混凝土本身低應(yīng)變、韌性差的問題，并控制材料內(nèi)部裂縫的生成，大大提高其韌性和強(qiáng)度，延展性與抗沖擊性能也得到改善。同時其受彎性能還受到纖維長度、長徑比等因素的影響。

3 相關(guān)性能

（1）力學(xué)性能方面

強(qiáng)度是水泥混凝土的重要性能之一，UHPC的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度分別為 200～800MPa、25～150MPa 和 30～141MPa，這些強(qiáng)度取決于材料的成分、澆筑和養(yǎng)護(hù)條件。由于UHPC的水灰比很低，活性粉末的摻加改善了內(nèi)部界面，提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度，從而產(chǎn)生鋼纖維與活性粉末復(fù)合增強(qiáng)效果。對于UHPC的抗壓強(qiáng)度，是和動彈模量呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系[8]。同時摻入鋼纖維可以進(jìn)一步提高強(qiáng)度和韌性，而摻入聚丙烯纖維反而會使得強(qiáng)度降低。普通混凝土的抗折強(qiáng)度很低，一般只有4～8MPa，而對于超高性能混凝土，在摻入活性粉末和鋼纖維后能夠大大增加強(qiáng)度，并解決原本混凝土脆性的問題。

（2）收縮性能方面

混凝土的收縮是由于蒸發(fā)引起的水分流失或水泥水化反應(yīng)而產(chǎn)生的。通過在UHPC中摻加鋼纖維，可以有效控制養(yǎng)護(hù)后所形成的干燥收縮。同時材料中硅灰的加入會影響硬化水泥漿體的孔隙率，包括總孔隙率和孔徑分布，從而影響混凝土的收縮性能。其余改善UHPC收縮性能的方式還有降低水膠比，或者采用熱養(yǎng)護(hù)等。

（3）耐久性方面

超高性能混凝土的孔隙率非常低，在水化水泥漿體中，滲透系數(shù)與孔隙的大小、連續(xù)性緊密相關(guān)，以此直接影響UHPC的抗?jié)B性。而減水劑的用量也直接影響滲透性能，存在最佳減水劑用量，可使?jié)B水性最低；UHPC的氯離子滲透性能可以通過礦物摻合料來提高，氯離子在超高性能混凝土中的滲透系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，同時擴(kuò)散系數(shù)也遠(yuǎn)低于高性能混凝土；在抗凍融方面，UHPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，外部水難以滲透到UHPC中，且鋼纖維的摻加控制了裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

4 養(yǎng)護(hù)制度

養(yǎng)護(hù)是混凝土在硬化早期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前UHPC常用的養(yǎng)護(hù)方法有熱養(yǎng)護(hù)、高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)室溫養(yǎng)護(hù)和高溫養(yǎng)護(hù)等。

（1）熱養(yǎng)護(hù)

熱養(yǎng)護(hù)制度主要包括熱水養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)、干熱養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)。熱養(yǎng)護(hù)通過升高溫度不僅可提高水泥水化速度和程度，還提高了UHPC強(qiáng)度且控制了干燥收縮。

在90℃下的蒸汽養(yǎng)護(hù)，相對于標(biāo)準(zhǔn)室溫養(yǎng)護(hù)提高了所有混合物的抗壓強(qiáng)度，并且對抗彎強(qiáng)度的影響和抗壓強(qiáng)度的影響趨勢相似。對于干熱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時長對于UHPC抗折與抗拉強(qiáng)度的影響均是先提高再降低的趨勢。因此在熱養(yǎng)護(hù)中，應(yīng)當(dāng)控制好升降溫的速度，確定好各階段的時長和恒溫溫度，最佳恒溫時長是與恒溫溫度相關(guān)的。

（2）高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)

高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)的壓力、溫度和時長是影響RPC力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。在高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)下的抗壓強(qiáng)度，是高于常溫標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和90℃下熱養(yǎng)護(hù)的。纖維含量為3%或4%的UHPFC只有經(jīng)過8h的高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，其抗壓強(qiáng)度才能達(dá)到200MPa以上[9]。在養(yǎng)護(hù)過程中，存在一個臨界養(yǎng)護(hù)時長，當(dāng)壓力與溫度一定時，蒸壓養(yǎng)護(hù)時長過多，反而會降低其力學(xué)性能。同時由于其流程復(fù)雜、能耗高、設(shè)施成本高，在實(shí)際工程應(yīng)用中效果并不理想。

（3）傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)

傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)基本以自然養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)為主。標(biāo)準(zhǔn)室溫養(yǎng)護(hù)是應(yīng)用最廣泛，經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性上也較好的工藝。而自然養(yǎng)護(hù)在工程實(shí)際應(yīng)用中更加便利，對于設(shè)施的要求很低，但由于自然情況下溫度不固定，混凝土強(qiáng)度變化不好控制，沒有一定的規(guī)律性。

相關(guān)研究表明，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，UHPC強(qiáng)度相對于蒸汽養(yǎng)護(hù)、高溫高壓養(yǎng)護(hù)要低的多，并且水化作用和火山灰效應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行的較緩慢[10]。這是由于UHPC的水膠比一般低于0.20，在傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)下，水泥超過70%未水化，僅能起到填充作用。而在自然條件養(yǎng)護(hù)下，通過保持高濕度和控制硅灰的用量，仍然可以使得UHPC保持較高的抗壓強(qiáng)度。

5 研究意義及展望

超高性能混凝土因其卓越和綠色環(huán)保的性能，保證建筑物可以在諸多惡劣環(huán)境下正常且長期使用，并有效處理了工業(yè)廢渣，節(jié)約土地資源，有著很重要的工程實(shí)踐意義。同時節(jié)省水泥熟料，減少二氧化碳的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。但同時也存在著諸多因素限制其廣泛應(yīng)用，如UHPC養(yǎng)護(hù)設(shè)施要求高，成本費(fèi)用高，工程實(shí)際應(yīng)用中條件有限，無法進(jìn)行較好的養(yǎng)護(hù)。我國也缺乏相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這使得許多工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)和施工等方面對UHPC了解不夠深入，暫未形成這種新型混凝土材料在行業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用上的體系，并且國內(nèi)對該課題相關(guān)的研究不夠深入，技術(shù)尚不成熟，需要進(jìn)一步完善與標(biāo)準(zhǔn)化。