超高性能混凝土國內(nèi)外研究與應(yīng)用進(jìn)展*

李玲，明陽，陳平，陳宣東，甘國興

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林541004；3.廣西壯族自治區(qū)北部灣綠色海工材料工程研究中心，廣西桂林541004；4.廣西工業(yè)廢渣建材資源利用工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林541004）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Con?crete，簡稱UHPC），不同于傳統(tǒng)的高強混凝土和鋼纖維混凝土，指的是力學(xué)性能、耐久性能等各項性能都遠(yuǎn)超普通混凝土和高性能混凝土的一種新型水泥基材料。由于其制備選用了增加原材料細(xì)度和提高活性組份的制備方式，也被稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）。

目前，UHPC在工程中的應(yīng)用尚未進(jìn)入全面實施階段。一般工程仍以C30～C60混凝土為主，由于UHPC施工和養(yǎng)護(hù)條件苛刻、制備成本高等問題限制了其大面積推廣應(yīng)用[1]，仍有一些問題需要研究。當(dāng)前我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于高速發(fā)展時期，UH?PC的工程應(yīng)用節(jié)能減排效應(yīng)明顯，符合社會可持續(xù)發(fā)展的主題，蘊含巨大的經(jīng)濟價值。為推動UHPC的應(yīng)用發(fā)展，本文針對國內(nèi)外UHPC材料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了UHPC配制理論以及力學(xué)、耐久性等方面性能，介紹了UHPC工程應(yīng)用情況，指出了UH?PC進(jìn)一步發(fā)展中存在的問題。

1 超高性能混凝土制備原理及性能特點

1.1 超高性能混凝土制備原理

二十世紀(jì)七十年代初，通過一些試驗研究證實：提高水泥凈漿的密實度，可以有效提高強度。丹麥學(xué)者H.H.Bache教授提出了DSP理論[2]：即采用硅灰等超細(xì)粉體顆粒分散后填充于水泥顆粒之間，從而使粉體顆粒整體的密實度提高。采用減水劑對超細(xì)粉體進(jìn)行分散，硅灰等超細(xì)顆?？商畛溆谒囝w粒之間取代本來需要水填充的空隙，從而提高整個體系的密實度同時降低了需水量，DSP體系可降低至0.10～0.20的超低水膠比。1993年，法國的皮埃爾·理查德采用最大粒徑小于0.6mm的石英砂作集料，依據(jù)最大密實理論模仿“DSP材料”，成功研制出具有超高強度、超高耐久性、超高韌性和良好體積穩(wěn)定的活性粉末混凝土（RPC）[3]。并于1994年在美國首次進(jìn)行了報道。通過高壓成型和高溫高壓蒸養(yǎng)的RPC，抗壓強度最高達(dá)到了800MPa。

此后，不同國家的學(xué)者開展了大量關(guān)于RPC的配制原理和性能的研究工作，并針對不同需求通過改良制備出多種類型的UHPC。通過改善混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、形貌、孔徑分布和均勻性，可顯著提高其宏觀性能，而UHPC就是結(jié)合DSP材料的優(yōu)點并改進(jìn)而來的。其基本原理概括如下：（1）通過增加原材料的細(xì)度和提高活性成分的反應(yīng)活性等途徑，來減少材料中的微裂紋和孔隙；（2）采用高效減水劑大幅度降低UHPC材料配制的水灰比；（3）依據(jù)緊密堆積理論，剔除粗骨料以增加體系的密實度；（4）通過摻入鋼纖維以增加材料的延性和韌性；（5）采用蒸汽養(yǎng)護(hù)方式實現(xiàn)水化產(chǎn)物分布和形貌的優(yōu)化[4]。

1.2 超高性能混凝土性能特點

1.2.1 超高的力學(xué)性能

單純超高抗壓強度的水泥基材料往往伴隨著“超高脆性”，并不意味著“超高性能”。通過添加短纖維，UHPC不僅擁有超高的抗壓強度同時還擁有超高的抗折強度和韌性。早期使用長度6～12mm、直徑0.15～0.4mm的直圓光鋼纖維，所配制UHPC抗拉強度可達(dá)30MPa，斷裂能可達(dá)1500～40000N/m，UHPC從而進(jìn)入韌性、高韌性材料的行列（斷裂能超過1000J/m2即劃為韌性材料）。如今，加入異形鋼纖維，特別是高強扭轉(zhuǎn)型鋼纖維的使用，進(jìn)一步提高了UHPC的抗拉強度、形變能力、斷裂能或韌性。此外，還可采用高強高模聚乙烯醇（PVA）有機纖維用于提高UHPC的強度和韌性。UHPC超高的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1[5]。

1.2.2 優(yōu)異的耐久性

UHPC超高的耐久性是另一個最具吸引力的性能，根據(jù)理論和試驗研究基本確定：UHPC沒有凍融循環(huán)、堿-骨料反應(yīng)（AAR）和延遲鈣礬石生成（DEF）破壞的問題；在無裂縫狀態(tài)，UHPC的抗碳化、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗化學(xué)腐蝕、抗磨耗等耐久性能指標(biāo)，與傳統(tǒng)高強高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有數(shù)量級或倍數(shù)的提高。UHPC優(yōu)異的耐久性能指標(biāo)見表2[6]?？梢姡琔HPC的各項耐久性指標(biāo)均遠(yuǎn)超普通混凝土和高性能混凝土，可以用于工程長壽命結(jié)構(gòu)設(shè)計。

UHPC結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有高耐久和幾乎零維護(hù)費用的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，壽命可成倍提高。目前通過理論分析、現(xiàn)場暴露試驗和實際工程檢測，預(yù)測UHPC結(jié)構(gòu)使用壽命，在自然腐蝕環(huán)境中（如海洋環(huán)境）可超過200年；在非腐蝕環(huán)境（如城市建筑）可達(dá)到1000年。相對保守的日本指南認(rèn)為，在正常使用環(huán)境下UHPC結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命為100年。

1.2.3 良好的環(huán)保性和經(jīng)濟效益

使用B.L.Damineli等提出的碳濃度指數(shù)（CO2intensity）和膠凝材料濃度指數(shù)（binder intensi?ty）這兩個水泥生態(tài)效率指標(biāo)來評價UHPC的生態(tài)效率，發(fā)現(xiàn)UHPC屬于最低碳的水泥基材料，其水泥或膠凝材料的利用率最高。結(jié)合具體工程結(jié)構(gòu)計算比較，可以量化分析UHPC的節(jié)能、減排和節(jié)材效果。例如，對比典型的鋼梁-鋼筋混凝土橋面板復(fù)合結(jié)構(gòu)公路橋與UHPC門型梁的梁板一體公路橋（兩個橋的長度、寬度和功能完全相同），通過量化分析表明：UHPC橋節(jié)材體積為24%，節(jié)材重量為35%，節(jié)能54%，減少直接排放CO2和全球變暖潛能GWP（當(dāng)量CO2排放）分別達(dá)到59%和44%。UHPC節(jié)材和減排優(yōu)勢見表3[7]。

表1 幾種混凝土的主要力學(xué)性能對比

表2 幾種混凝土的主要耐久性的對比

表3 同等承載力條件下不同混凝土參數(shù)對比

由表3可知，相同承載力作用下，UHPC的等效體積最小，加之能夠在結(jié)構(gòu)中承受更高的剪切荷載作用，從而可以減少梁中的輔助配筋。所以，采用UHPC替代普通混凝土用于工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅可顯著地減小工程結(jié)構(gòu)的尺寸，同時還可減少建造材料的消耗。盡管UHPC材料更為昂貴，但由于UHPC的耐久性好，維護(hù)要求和成本低，結(jié)構(gòu)物全生命周期內(nèi)成本更低。

2 國外研究與應(yīng)用進(jìn)展

UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能和超高的耐久性能，所以自問世以來，一直備受人們的關(guān)注。在UH?PC研究領(lǐng)域，國外一直處于領(lǐng)先地位，針對UHPC開展了大量關(guān)于原材料組成、配合比設(shè)計、工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、微觀結(jié)構(gòu)等方面的研究工作。Pierre Richard等人系統(tǒng)研究了不同材料、不同工藝和養(yǎng)護(hù)制度對RPC性能的影響，并總結(jié)提出RPC的增強、增韌方法[3]；Marcel cheyrezy等人系統(tǒng)開展了RPC微觀結(jié)構(gòu)研究，揭示了RPC超高強和超高耐久性的原理[8]；J.Dugat等人通過開展RPC力學(xué)性能試驗和不同纖維摻量試驗，得出了鋼纖維的最佳摻量[9]；Soliman等人基于CPM模型研究了UHPC配合比，進(jìn)而分析了玻璃粉替代硅灰量對UHPC抗壓強度的影響[10]；Zdeb等人研究了熱養(yǎng)護(hù)參數(shù)對RPC抗壓強度的影響，得出蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)的最佳參數(shù)[11]；Smarzewski等人研究了摻混雜纖維對UHPC性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋼纖維對UHPC抗拉強度貢獻(xiàn)最大[12]；V.Morin等人通過試驗研究了RPC水化反應(yīng)進(jìn)程中的孔隙結(jié)構(gòu)特性[13]。此外，國外一些學(xué)者通過試驗研究還總結(jié)出了RPC細(xì)顆粒組合的數(shù)值級配優(yōu)化方法和原則[14]。

目前，UHPC在國外已經(jīng)開展了大量工程應(yīng)用并取得良好的效果，例如：加拿大最先采用RPC修建了一座人行天橋，這是世界上首次使用RPC材料開展的工程應(yīng)用實例；法國2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋—Bourg-les-Valence跨線橋[15]；2006年美國在愛荷華州建成了Mars Hill公路橋，美國還利用RPC材料制備了特殊要求的管道[16]；德國于2007年建成世界上首座UHPC-鋼組合橋梁—Grtnerplatz橋[17]；2010年奧地利建成世界上第一座UHPC公路拱橋—Wild橋[18]；日本采用UHPC建造的Sakata Mirai人行天橋，自重只有普通混凝土橋梁的20%[19]。馬來西亞Dura科技公司實現(xiàn)了UHPC的商業(yè)化，目前已建成橋梁100多座，是世界橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的國家[20]。韓國修建了世界上第一座UHPC人行斜拉橋，推動了UHPC在斜拉橋上的應(yīng)用，設(shè)計建設(shè)的UHPC斜拉橋（Legoland Theme Park Bridge），為獨塔雙跨斜拉橋，主跨100m，圓環(huán)形主塔高35m，主梁采用UHPC雙主梁，橋面板厚15cm，主梁自重減少30%[21]。國外為了推動UHPC廣泛地應(yīng)用于實體結(jié)構(gòu)上，研究方向已由UHPC基本性能的研究轉(zhuǎn)為UHPC構(gòu)件及結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 國內(nèi)研究與應(yīng)用進(jìn)展

我國關(guān)于UHPC的研究和應(yīng)用起步較晚，近年來也開展了大量研究工作。曹峰、覃維祖等人采用粉煤灰作摻合料配制出性能優(yōu)良的UHPC，并同時研究了粉煤灰對UHPC的物理和化學(xué)作用[22]；劉斯鳳、孫偉等人對UHPC耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：UHPC的抗碳化、抗凍融及耐水等性能非常優(yōu)異[23]；施韜、施惠生等人采用礦渣作為活性組分配制RPC，系統(tǒng)研究了礦渣摻量、養(yǎng)護(hù)條件等對RPC力學(xué)性能的影響[24]；龍廣成、蔣正武等人圍繞RPC的自干燥效應(yīng)開展了系列研究[25]；胡曙光、彭艷周等人開展了摻鋼渣粉RPC的試驗研究[26]；何峰、黃政宇等人開展了200～300MPa活性粉末混凝土（RPC）的配制技術(shù)研究[27]；李月安通過研究發(fā)現(xiàn)在UHPC基體中加入0.15%的聚丙烯纖維后，UHPC的沖擊韌性提高了5.2%[28]；耿飛、錢春香等人發(fā)現(xiàn)UHPC中大摻量EA膨脹劑可促進(jìn)鈣礬石的產(chǎn)生從而補償收縮[29]；明陽、李順凱等人先后在大摻量礦物摻合料UHPC配制技術(shù)、UHPC補償收縮技術(shù)及大體積結(jié)構(gòu)UHPC應(yīng)用技術(shù)等方面開展了研究工作[30]。邵旭東等人設(shè)計并研究了正交異性鋼板-薄層超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)體系，研究表明在結(jié)構(gòu)剛度和疲勞開裂等問題上均優(yōu)于普通鋼橋面板和其它組合橋面板[31]。

目前，國內(nèi)除了在UHPC材料和結(jié)構(gòu)方面開展了大量研究，實際工程應(yīng)用也越來越多。1999年，北京交通大學(xué)就研究設(shè)計出UHPC箱梁、T梁、槽梁、無配筋空心板等預(yù)制構(gòu)件，并在北京五環(huán)和青藏鐵路中獲得成功應(yīng)用[32]。2006年遷槽鐵路灤柏干渠大橋采用了低高度后張預(yù)應(yīng)力UHPC梁；2008年UH?PC低高度梁又在薊港鐵路上獲得應(yīng)用。湖南大學(xué)方志教授團(tuán)隊主持研發(fā)和設(shè)計的國內(nèi)首座UHPC橋梁——長沙北辰三角洲橫四路跨街天橋于2016年順利建成通車，這也是國際上首座采用全預(yù)制拼裝工藝建成的UHPC車行箱梁橋。邵旭東[33]采用UH?PC設(shè)計了鋼-UHPC組合橋面板結(jié)構(gòu)，充分利用UH?PC的高抗拉特性解決了普通鋼橋面鋪裝易開裂的難題，并在廣東肇慶馬房大橋取得成功應(yīng)用。隨后邵旭東團(tuán)隊采用該結(jié)構(gòu)在怒江二橋開展了現(xiàn)澆施工應(yīng)用研究，繼而采用UHPC鋼橋面鋪裝建成株洲楓溪大橋和洞庭湖大橋。中交二航局團(tuán)隊在高溫、高鹽環(huán)境采用現(xiàn)澆UHPC進(jìn)行了中馬友誼大橋鋼橋面鋪裝，通過自動攤鋪設(shè)備厚度精確控制在6cm，總鋪裝面積達(dá)2325m2。襄陽龐公大橋首次在索塔鋼混結(jié)合段之間采用現(xiàn)澆UHPC進(jìn)行大體積施工，共澆筑UHPC方量達(dá)300m3，實現(xiàn)UHPC大體積混凝土結(jié)構(gòu)的首次工程應(yīng)用[34]。正在建設(shè)的南京五橋，主梁底板、腹板采用鋼結(jié)構(gòu)，頂板采用17cm厚超高性能混凝土板，UHPC設(shè)計抗折強度大于18MPa、抗壓強度大于150MPa，采用5～10mm碎石粗骨料進(jìn)行配制，顯著降低了UHPC的配制成本。青龍洲大橋主梁為鋼-UHPC輕型組合梁，其中橋面板采用鋼板條與UHPC矮肋板組合的形式，頂板厚100mm，縱肋高120mm（含8mm厚鋼板條），該橋正在施工中，將于2019年底建成通車。

4 研究和應(yīng)用中存在的問題

UHPC具有十分優(yōu)異的性能，在實際工程中也得到了良好的應(yīng)用效果。但由于某些技術(shù)發(fā)展的遲滯，UHPC的優(yōu)異性能不能得到充分發(fā)揮，在其研究和應(yīng)用過程中存在的主要問題包括以下幾個方面：

（1）制備工藝復(fù)雜。由于UHPC是采用緊密堆積理論進(jìn)行配制的，所以需要通過調(diào)整原材料顆粒級配使體系達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，利用高效減水劑實現(xiàn)超低水膠比配制，同時需要添加大量鋼纖維提高抗拉強度，所以UHPC工作性能差粘度大，攪拌過程和施工過程困難對設(shè)備要求較高。此外，蒸汽養(yǎng)護(hù)能顯著提高UHPC的性能，為了實現(xiàn)更好的性能，有時必須采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。所以，如何提高UHPC的工作性能和實現(xiàn)現(xiàn)澆免蒸養(yǎng)的高性能化，是今后主要的研究方向。簡化UHPC的制備工藝才能使其在現(xiàn)澆工程中得到大面積推廣。

（2）生產(chǎn)成本高。配制UHPC需要使用大量優(yōu)質(zhì)原材料，包括優(yōu)質(zhì)水泥、優(yōu)質(zhì)石英砂、硅灰、超細(xì)粉煤灰、鍍銅鋼纖維和高效減水劑等材料，導(dǎo)致其配制成本較普通混凝土大大提高，尤其是需要添加大量價格昂貴的鍍銅微絲增韌，是限制UHPC在工程中大面積應(yīng)用的主要因素。因此，根據(jù)UHPC的制備原理來尋找來源廣泛且價格低廉的替代材料，提高纖維使用效率，降低UHPC的制備和生產(chǎn)成本是當(dāng)前以及今后的主要研究方向。

（3）自收縮大。由于UHPC配制過程水泥用量超大，又要大量使用硅灰等活性粉末材料（其中硅灰摻量可達(dá)20%以上），同時制備原理要求水膠比超低，所以UHPC早期水化放熱量較大、自收縮量也很大。另一方面，如果UHPC采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)過程中其局部溫度易產(chǎn)生較大變化，進(jìn)而造成較大的溫度收縮。所以，如何通過補償收縮技術(shù)有效抑制UHPC的自收縮以及減少溫度收縮，也是今后重要的研究方向。

（4）相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不完善。當(dāng)前我國UHPC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)展滯后，只有少量材料相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，如2006年實行的《客運專線RPC材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》，以及2015年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》。但相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范還未完全出臺，僅有一些供參考的地方標(biāo)準(zhǔn)，如2015年廣東省頒布的《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。UHPC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不完善，給UHPC的結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用等方面帶來了困難，直接限制了UHPC在我國的應(yīng)用。2018年由中國混凝土與水泥制品協(xié)會一次性下達(dá)了《超高性能混凝土：預(yù)制構(gòu)件技術(shù)規(guī)程》、《超高性能混凝土：結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》、《超高性能混凝土：現(xiàn)場澆筑施工技術(shù)規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)制定計劃，以上三項標(biāo)準(zhǔn)制定完成后，將能更好的促進(jìn)UH?PC在我國的工程應(yīng)用。所以，完善相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以更好地指導(dǎo)UHPC的快速發(fā)展是目前首要解決的問題。

5 總結(jié)

UHPC是一種基于緊密堆積理論制備的新型水泥基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐久性能和環(huán)保經(jīng)濟效益。國外在UHPC理論研究和應(yīng)用研究方面都取得了大量成果，UHPC在國外實際工程中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來國內(nèi)研究人員緊跟國際步伐，開展了大量的UHPC理論研究和應(yīng)用研究，并實現(xiàn)了一批實際工程應(yīng)用，為我國UHPC的大面積推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但是目前我國UHPC在研究和應(yīng)用方面還存在一些亟需解決的問題，比如材料工作性能差、養(yǎng)護(hù)制度苛刻、制備和材料成本高、自收縮大、相關(guān)設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)仍需完善等。在應(yīng)用方面，UHPC在預(yù)制構(gòu)件領(lǐng)域應(yīng)用較好，在現(xiàn)澆工程中的應(yīng)用也逐步開始，但主要集中在鋼橋面鋪裝、鋼混結(jié)合段和濕接頭濕接縫等部分工程部位，完全采用UHPC材料設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少。這與國外UHPC工程應(yīng)用還存在一定的差距，尤其在中國近30年大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)背景下，顯得差距更大。隨著“綠水青山就是金山銀山”理念的深入，中國對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，UHPC這種低碳環(huán)保材料在今后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中將有廣闊的應(yīng)用前景，我國在UHPC的理論研究和工程應(yīng)用方面也有望趕上并超過世界先進(jìn)水平。