超高性能混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀*

衛(wèi)煜，陳平，明陽(yáng)，李玲，甘國(guó)興

（1. 桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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 Concrete,簡(jiǎn)稱(chēng) UHPC），以其耐久性高、工作性高、強(qiáng)度高著稱(chēng)。1994 年 Larrard 等人[1]首先提出，中國(guó) UHPC 研究最早出現(xiàn)在上世紀(jì)末，中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)UHPC 分會(huì)指出[2]，在我國(guó)最早規(guī)?；瘧?yīng)用的是客運(yùn)專(zhuān)線的電纜溝蓋板，目前仍然作為一種具有優(yōu)異力學(xué)性、耐久性及工作性的材料，于 2019 年搭建 UHPC 國(guó)本自生化交流平臺(tái)。

黃祥等人[3]就目前 UHPC 新材料進(jìn)行探索研究，UHPC 具有高耐久性，良好的抗凍性、耐水性、抗碳化性、抗海水腐蝕和高環(huán)保性；具有高力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、高粘結(jié)強(qiáng)度等。趙筠等人[4]研究了UHPC 優(yōu)異的性能，在當(dāng)下主要是通過(guò)高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)以及原材料的精選精摻來(lái)實(shí)現(xiàn)；UHPC 結(jié)構(gòu)均勻致密，工程應(yīng)用需考慮新拌 UHPC 的工作性，重視粘結(jié)性能、流動(dòng)性與強(qiáng)度的關(guān)系。

UHPC 的單位價(jià)格高，閆培渝[5]從纖維材料的摻入、養(yǎng)護(hù)成型工藝及大量使用膠凝材料方面，解釋了成本顯著提高的原因，史才軍等人[6]研究表明，養(yǎng)護(hù)使用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致高耗能和低生產(chǎn)效率。在實(shí)際工程應(yīng)用中的一次性投入成本高。張靜[7]研究表明 UHPC 構(gòu)件優(yōu)異的耐久性和力學(xué)性能，能有效延長(zhǎng)工程項(xiàng)目的壽命，同時(shí)減少施工過(guò)程中的配筋成本及施工成本，與同樣目標(biāo)要求的普通混凝土構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件相比，綜合成本會(huì)更低。在可持續(xù)發(fā)展的背景下，為今后的理論研究和工程應(yīng)用提供了有利前提條件，并且 UHPC當(dāng)下已是備受矚目的研究領(lǐng)域。

1 制備技術(shù)方法

UHPC 主要由水泥、細(xì)砂、石英砂、硅灰、高效減水劑配制而成，根據(jù)不同的項(xiàng)目要求對(duì)配比進(jìn)行調(diào)整，對(duì)韌性要求高時(shí)，可通過(guò)摻入鋼纖維進(jìn)行增韌。閆培渝[5]指出制備技術(shù)方法有以下幾種：一、完全使用細(xì)骨料，粒徑小于 300μm，提高 UHPC 的均勻性；二、優(yōu)化骨料級(jí)配，提升密實(shí)度；三、摻入超細(xì)活性礦物摻合料，利用微粉填充效應(yīng)，降低內(nèi)部孔隙率，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)；四、改善養(yǎng)護(hù)條件，使用熱養(yǎng)護(hù)和加壓養(yǎng)護(hù)；五、摻入鋼纖維增韌，提升延性。

徐立斌等人[8]通過(guò)配合比設(shè)計(jì)減小水膠比、增大水灰比、控制單位用水量可配制 100MPa 以上的可泵送UHPC。袁明等人[9]研究了當(dāng)選定的砂膠比為 1.0 時(shí)，隨著水膠比下降，力學(xué)性能呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。水膠比為0.18，砂膠比為 1.0～1.6 時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在砂膠比為 1.2 時(shí)達(dá)到峰值。胡翱翔等人[10]研究石英砂級(jí)配可通過(guò)修正的 Andreasen &Andersen 法，基于最大堆積密度理論計(jì)算；水泥、硅灰的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可通過(guò)密度實(shí)驗(yàn)計(jì)算；水膠質(zhì)量比、膠砂質(zhì)量比和纖維提積分?jǐn)?shù)可通過(guò)單一變量試配實(shí)驗(yàn)得到；確定最佳配比需綜合考慮抗壓強(qiáng)度和工作性。張高展等人[11]研究表明 UHPC 組成成分較復(fù)雜，需加入骨料和膠凝材料堆積密實(shí)度變量，進(jìn)行雙重結(jié)合設(shè)計(jì)，達(dá)到增加 UHPC 密實(shí)和節(jié)材效果。

趙學(xué)濤等人[12]研究了在普通工藝下，摻加 3%～5%石粉取代水泥和硅灰，能得到滿足性能要求的 UHPC。使用鈦礦渣粉和超細(xì)石灰石粉復(fù)摻，能減小水泥用量達(dá) 348kg/m3，取代率達(dá) 40%。陳劍雄等人[13]、王德輝等人[14]、黃政宇等人[15]摻入礦粉延緩 UHPC 的水化速度，硅灰、納米 SiO2、納米 CaCO3能提升水化速度。李宇容等人[16]研究了自密實(shí)免蒸養(yǎng)工藝下，通過(guò)濕顆粒堆積密實(shí)度測(cè)試方法進(jìn)行配合比摻合試驗(yàn)，考慮強(qiáng)度與流動(dòng)性，使用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，得到硅灰最佳摻量為 10% 左右，建議膠凝材料中的水泥 : 粉煤灰微珠 : 硅灰=1:0.2:0.1，砂膠比 0.8～1.0，能制備抗壓強(qiáng)度150MPa 的 UHPC，摻入 2% 鋼纖維后，抗壓強(qiáng)度能達(dá)到 140MPa。

張哲等人[17]研究了摻入鋼纖維的類(lèi)型、摻量和形狀對(duì) UHPC 的影響，端鉤形力學(xué)性能表現(xiàn)最好，比素混凝土提升了 61.9%，UHPC 彈性模量、抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加，隨鋼纖維的長(zhǎng)徑比增大而增大。高緒明[18]研究表明新拌 UHPC 流動(dòng)性能隨鋼纖維的長(zhǎng)徑比增大而減小。由于纖維有較高彈性模量，楊簡(jiǎn)等人[19]研究了摻入纖維對(duì) UHPC 的影響效應(yīng)，表明摻入后發(fā)揮正效應(yīng)，但會(huì)降低拌合物流動(dòng)性，使內(nèi)部缺陷和孔隙率增加，產(chǎn)生削弱彈性模量的負(fù)效應(yīng)，總的表現(xiàn)為彈性模量增強(qiáng)。

仵鵬濤等人[20]通過(guò)計(jì)算機(jī)建模進(jìn)行細(xì)觀分析，采用靜態(tài)壓縮和劈裂試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，能很好預(yù)測(cè)UHPC 的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，得出鋼纖維在 0～1.5% 的范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨著鋼纖維體積率的增加而顯著增大，并且動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子低于傳統(tǒng)混凝土材料。

2 性能及影響因素

2.1 工作性

UHPC 工作性研究主要集中在流動(dòng)性、和易性等方面。沈銳等人[21]研究發(fā)現(xiàn) UHPC 的流動(dòng)度變化可以通過(guò)骨料的比表面積進(jìn)行描述，降低比表面積使流動(dòng)性提高，抗壓強(qiáng)度降低。袁明等人[9]在石英砂最大堆積密度下?lián)饺脘摾w維，UHPC 坍落度隨鋼纖維摻量增加先緩慢下降，后迅速下降?？赏ㄟ^(guò)摻入 5%～30% 超細(xì)石灰石粉或與 20%～40% 鈦礦渣粉復(fù)摻，改善 UHPC 的和易性，降低坍落度損失[13]。

膠凝材料用量大、水膠比低的 UHPC 拌合物黏稠，嚴(yán)重影響泵送性能。徐立斌等人[8]研究了可通過(guò)礦渣粉、粉煤灰、硅粉等礦物摻合料復(fù)配，增加礦物摻合料摻量、提高水灰比配制可泵送 UHPC，并且強(qiáng)度達(dá)到100MPa 以上。黃政宇等人[15,22,23]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，隨石粉含量增加，拌合物流動(dòng)性先增大再降低。摻入納米材料，流動(dòng)性、自收縮降低，高吸水樹(shù)脂（SAP）使流動(dòng)度降低，減緩流動(dòng)度損失，明顯降低 28d 自收縮。

2.2 力學(xué)性能

鄧宗才等人[24]研究了摻入鋼纖維、超細(xì)石灰石粉、納米材料對(duì) UHPC 力學(xué)性能的影響。UHPC 具有均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)，纖維對(duì) UHPC 起增韌效果，纖維體積摻率為 1.0%、2.0%、2.5% 和 3.0%。楊松霖等人[25]研究了不同類(lèi)型鋼纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度、斷裂能和彎曲韌度有相較最優(yōu)的摻率。摻入 10% 超細(xì)石灰石粉，3d 抗壓強(qiáng)度達(dá) 95.4MPa，并且后期發(fā)展良好?；谑⑸白畲蠖逊e密度，隨鋼纖維摻量增加，UHPC力學(xué)性能均勻上升，當(dāng)鋼纖維體積摻量為 3% 時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá) 210MPa。通過(guò)改變微觀結(jié)構(gòu)，納米 CaCO3使UHPC 均勻密實(shí)，提高抗折抗壓強(qiáng)度。曹方良[26]將研究結(jié)果表明，摻入納米材料能提高 UHPC 強(qiáng)度，對(duì)抗折強(qiáng)度提升明顯，能改善 UHPC 的翹性、韌性。

2.3 耐久性

UHPC 抗凍性和抗銹蝕性能均優(yōu)于普通混凝土。王德輝等人[14]研究表明氯離子擴(kuò)散系數(shù)為 10-9cm2/s 數(shù)量級(jí)。劉娟紅等人[27]使用標(biāo)準(zhǔn)碳化箱進(jìn)行混凝土碳化研究，水泥用量大于 300kg/m3時(shí)，UHPC 的 28d 碳化深度為 0mm；水泥用量為 200kg/m3和 100kg/m3時(shí)，UHPC 的 28d 碳化深度分別為 2mm 和 4mm。經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后，UHPC 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)，UHPC 質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失與含氣量為 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，UHPC 彎曲抗拉強(qiáng)度減小 27%，其他混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度幾乎為零。當(dāng) UHPC 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，UHPC 質(zhì)量損失很低，侵蝕僅出現(xiàn)在混凝土表面。

2.4 高溫爆裂抑制效果

賴(lài)建中等人[28]研究表明復(fù)摻 2% 鋼纖維和 1% 聚丙烯纖維能有效抑制 UHPC 高溫爆裂，在高溫作用后保持完整的形態(tài)，鋼渣骨料混雜纖維 UHPC 具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，在 1000℃ 高溫作用下仍能保持 67%殘余強(qiáng)度。朋改非等人[29]從質(zhì)量損失、超聲波波速、拉壓強(qiáng)度三個(gè)方面分析高溫作用后 UHPC 性能變化規(guī)律。對(duì)含有聚乙烯醇（PVA）纖維的 UHPC 進(jìn)行高溫試驗(yàn)，表明混摻 PVA 纖維和鋼纖維，既可以改善高溫下UHPC 的抗爆裂性能，又具有很高的殘余強(qiáng)度。

3 應(yīng)用

UHPC 具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高耐久性和工作性等特點(diǎn)。敖長(zhǎng)江[30]研究了中國(guó) 2005 年第一次將 UHPC 應(yīng)用于工程中。項(xiàng)海帆[31]、邵旭東等人[32]指出未來(lái)的大橋應(yīng)采用高性能、高強(qiáng)度材料。利用 UHPC 強(qiáng)度高的性質(zhì)，可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，獲得更多的使用空間，建造跨度更長(zhǎng)、凈空更大的橋梁，減小高層建筑中底層柱子截面尺寸，得到更多的使用面積。閆培渝[5]研究了利用 UHPC 高抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性質(zhì)可制作輸油、輸氣管道替代造價(jià)較高的大口徑厚壁鋼管，顯著提高管道耐久性、降低成本；利用 UHPC 的高抗?jié)B性，制造中低放射性核廢料儲(chǔ)存整體容器；于軍事與安保領(lǐng)域，制造抗爆炸、抗沖擊裝置；制作裝飾部件，隔聲屏障，錨定等；現(xiàn)場(chǎng)搶修，結(jié)構(gòu)加固等。

4 結(jié)語(yǔ)

UHPC 發(fā)展至今有近 30 年的歷程，理論方面不斷地向前開(kāi)拓，工程應(yīng)用項(xiàng)目也一個(gè)個(gè)建成。目前對(duì)UHPC 的研究還不夠透徹，在一味強(qiáng)調(diào)達(dá)到目標(biāo)性能的同時(shí)，也要重視投入與產(chǎn)出的關(guān)系。隨著人類(lèi)對(duì)全球環(huán)境的意識(shí)逐漸加強(qiáng)，UHPC 有望應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的嚴(yán)酷環(huán)境，同時(shí)也提高了對(duì)環(huán)保性能的要求。在中國(guó)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的大背景下，UHPC 未來(lái)的發(fā)展會(huì)越來(lái)越快，應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣。