超高性能混凝土研究與應用進展

劉瑜 LIU Yu；劉曉貝 LIU Xiao-bei；黃荊 HUANG Jing

（①北京世紀千府國際工程設計有限公司，北京100089；②桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林541004）

0 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，橋梁工程、地下結構工程等現(xiàn)代工程向著壽命更長、標準更高的方向發(fā)展，故對混凝土提出了更高的工作性能要求。1994 年，法國學者首次提出了 UHPC 的概念[3]，即超高密度（Ultra-High Performance Concrete）。UHPC 是基于最大堆積密度原理制備而成的，與傳統(tǒng)的混凝土相比，具有超高強度、高韌性延性、高耐久性等優(yōu)異性能[3]；此外，鋼纖維的加入對其整體強度的提升有較大影響[4]?；谝陨蟽?yōu)異性能，UHPC 已廣泛應用于大跨度特殊結構、超高層建筑和橋涵隧道等工程領域，并且在市政工程、國防工程等領域有較好的應用前景[5]。鑒于此，筆者在UHPC 材料制備、力學性能、應用現(xiàn)狀等方面進行了介紹，為UHPC 的后續(xù)研究提供借鑒和參考。

1 制備過程

1.1 原料 水泥，普通硅酸鹽水泥P.O 42.5 級以上，試塊28d 強度要求達到42.5MPa 以上；石英砂，分別為細砂、中砂、粗砂；硅灰，主要成分為氧化鈣、二氧化硅，是由硅灰石礦石經粉碎研磨制成；鋼纖維，長徑比為30～100，纖維和砂漿之間的粘合就會增加；減水劑，起到對水泥顆粒拌合的分散作用，減少單位用水量，改善混凝土混合物的流動性。

1.2 制備工藝 ①稱量一定量的細砂、中砂、粗砂攪拌5 分鐘；②加入水泥攪拌3 分鐘；③加入硅灰攪拌約10 分鐘，使其干粉料充分拌合均勻，制成UHPC 干粉料，干粉料拌合均勻后；④加入稱量好的鋼纖維，以避免鋼纖維結塊而導致分布不均勻的情況，待鋼纖維充分攪拌均勻后；⑤加入配備好的水和減水劑，攪拌約10 分鐘直至拌合物具有較好的流動性。其工藝流程見圖1。選用合適的配合料，采用最緊密堆積理論進行了超高性能混凝土基體的配合比試驗。

圖1 UHPC 制備工藝流程

參照GB/T50081-2019《混凝土物理性能試驗方法標準》[1]，分別按照齡期為7d 和28d 的力學性能進行測定，抗壓試件分別采用立方體100mm*100mm*100mm、棱柱體100mm*100mm*300mm、圓柱體Φ100mm*100mm 的模具成型；抗折試件采用100mm*100mm*400mm 的模具成型，成型后將試塊置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7d 和28d 后脫模，脫模后的試塊置于相同養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至各齡期，并測其強度。

2 力學性能

2.1 鋼纖維摻量對UHPC 力學性能的影響

影響UHPC 強度的主要因素是其孔隙結構，因此，降低孔隙率，提高密實度，優(yōu)化孔結構，是提高UHPC 性能的有效措施，而鋼纖維的摻入可以改善UHPC 的性能。因此本文主要研究鋼纖維摻量對UHPC 受力性能的影響。設置0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%共 7 組不同的鋼纖維體積摻量，研究不同鋼纖維體積摻量對UHPC 工作性能和力學性能的影響。

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維體積摻量不斷增加，UHPC 坍落度和擴展度會不斷降低，這是因為鋼纖維在攪拌作用下互相搭接成結，在UHPC 基體中形成纖維網，體積摻量越大，鋼纖維形成的網狀結構越密，其混合物間的摩擦力和阻力越大，工作性越差。綜合考慮其經濟性、強度要求等均要滿足工作性能，確定最佳鋼纖維體積摻量為2%。

觀察試塊抗壓破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的加入改變了混凝土的破壞形式，由常見的脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐腫2]，UHPC 試塊破壞后有大量的裂紋產生，但仍保持完整狀態(tài)，說明當試塊出現(xiàn)裂縫后，鋼纖維和基體之間的粘接作用可以提供部分拉應力。當裂縫完全展開，裂縫區(qū)基體會退出工作，則鋼纖維與基體之間的剪應力來承擔全部的拉應力，故若加入鋼纖維，基體的延性就會明顯提高。

2.2 基本力學性能分析

2.2.1 抗壓性能 抗壓強度作為UHPC 基本力學性能指標之一，一直以來深受關注，本文選用了不同鋼纖維摻量的7 組試件進行控制變量法研究，發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量逐漸增大，其抗壓強度逐漸增強；選用齡期為7d 的立方體試塊為例，其鋼纖維摻量-抗壓強度曲線見圖2。由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量從1%增加到1.5%，抗壓強度增幅最大，并實測得到抗壓強度提高了38%。

圖2 鋼纖維摻量對UHPC 抗壓強度的影響

2.2.2 抗拉性能 測試UHPC 抗拉強度的試驗方法主要有軸拉試驗、劈裂試驗和彎拉試驗[10]。我國國家標準規(guī)定彎拉試驗應采用100mm*100mm*400mm 的棱柱體試件[3]，加載方式為三分點加載，試驗裝置簡單，操作方便。國內學者張哲[6]研究了鋼纖維含量和類型對摻混合鋼纖維UHPC的軸拉性能的影響，結果表明混合鋼纖維UHPC 呈現(xiàn)應變硬化和多元開裂的特性；隨著鋼纖維含量的增加，UHPC的可視開裂應變增加，且摻入端勾型的鋼纖維的增強效率大于平直型鋼纖維。張陽[4]等人通過四點彎曲試驗研究發(fā)現(xiàn)增加鋼纖維含量，試件彎拉韌性比增加，說明試件開裂后，增加UHPC 基體中鋼纖維體積含量，能夠提高其殘余應力，阻礙了裂縫的進一步發(fā)展，試件的變形減小，韌性增強。由此可見增加UHPC 鋼纖維體積含量，有利于增強UHPC 的彎拉性能。

3 應用進展

UHPC 憑其超高強度、超高耐久性等優(yōu)異性能，現(xiàn)已被廣泛應用于橋梁工程、建筑結構工程等領域，與普通混凝土相比，UHPC 可以使施工工序簡化，且可以在惡劣、復雜的環(huán)境中提高建筑的使用壽命，使結構具有更高安全性能的同時，降低了后期維護費用，其全壽命周期的綜合成本更優(yōu)于普通混凝土?，F(xiàn)全球有約1000 座橋梁采用了UHPC 材料，大致分布情況見圖3。

圖3 UHPC 材料橋梁全球分布情況

3.1 UHPC 在國外的應用進展

加拿大于1997 年修建了世界上第一座UHPC 橋梁——舍布魯克人行橋，該橋的創(chuàng)新體現(xiàn)在結構和材料上，其橋梁主體結構為預制鋼管-超高性能混凝土桁架，節(jié)段內未配置鋼筋，僅采用后張法拼接和節(jié)段預制工藝施工而成[5]。韓國于2002 年采用UHPC 建成了一座人行天橋，并對該橋的結構和材料進行了測試和分析，編寫了關于UHPC 橋梁的設計規(guī)范，而后韓國自主建成了第一座UHPC 斜拉橋[5]。法國于2005 年最先采用了UHPC 橋面面板[5]，橋面不再鋪設瀝青混凝土和防水層，在很大程度上減輕了橋梁上部結構的自重。奧地利于2010 年建成了世界上第一座UHPC 公路拱橋——Wild 橋[8]，見圖4，該橋的結構為并列的雙桁架拱，由預制正方形薄壁箱梁和接頭現(xiàn)場組裝而成。該橋充分利用了UHPC 材料輕質高強的特點，使拱橋結構細巧，并具有優(yōu)美的造型。

圖4 Wild 橋雙桁架拱結構

UHPC 除了在橋梁工程上的應用，在建筑結構上也開拓了應用空間，法國于1998 年率先在發(fā)電廠采用預制預應力梁，并開始用UHPC 材料制作房屋構件，如幕墻、屋蓋、外掛墻板等[5]。法國millau 高架收費站也采用了UHPC材料[8]，板厚僅10 厘米，結構飄逸美觀。

3.2 UHPC 在國內的應用進展

自1994 年在UHPC 提出不久后，中國在鐵道工程高鐵電纜槽蓋板領域大規(guī)模應用UHPC 材料。近十幾年來，我國高度關注UHPC 在工程中的應用，在UHPC 的應用上獲得了新的突破，主要集中在橋梁接縫澆筑、后期維修加固等方面[7]。UHPC 在我國首次規(guī)?；褂檬窃?005 年沈陽工業(yè)廠房擴建工程中，采用了C140 級UHPC 制作了329 件預制構件，均為預應力大體積構件[7]。世界首座全預制拼裝UHPC 橋梁于2016 年在湖南長沙竣工[7]，橋梁的厚度只有普通混凝土橋梁的三分之一，全橋僅有2 個橋墩，若用普通混凝土澆筑建造至少需要5 個。該橋梁先在工廠預制，然后運至現(xiàn)場，僅用了10 小時拼裝搭建而成，中國工程院院士陳政清專家[7]見證了這座天橋的誕生，并評價道：“這座橋的竣工，在中國超高性能混凝土工程應用領域是一個飛躍[7]?！?/p>

除用于制作預制構件外，UHPC 現(xiàn)場澆筑技術也在不斷發(fā)展，其中應用最為廣泛的是鋼橋中的鋼-UHPC 組合橋面板，邵旭東教授[9]團隊自主研發(fā)的STC 輕型組合橋面結構，可徹底解決的世界性難題是鋼結構疲勞開裂。莫時旭教授[10]團隊也對UHPC 部分充填混凝土窄幅鋼箱組合梁受力性能進行研究，發(fā)現(xiàn)負彎矩區(qū)混凝土開裂以及鋼箱失穩(wěn)產生屈曲是此類結構最終破壞的主要原因，因此提出使用UHPC 材料來代替普通混凝土受拉并在中支座區(qū)充填混凝土來提高鋼箱穩(wěn)定性，以此改善了混凝土在負彎矩區(qū)的開裂問題，并提高了組合結構的受力性能。

4 結語與展望

自20 世紀90 年代UHPC 誕生以來，發(fā)展了近20 年，從最初單純的追求超高強度，到后來兼顧工作性能，再到充分發(fā)揮耐久性等優(yōu)點達到節(jié)能減排、節(jié)約成本，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。UHPC 除在橋梁工程被廣泛應用外，在軍事工程、核電工程、海洋工程等方面也都有著廣闊的前景。經濟性是限制其大規(guī)模應用的主要原因，由于UHPC 中大量使用硅灰、石英砂、鋼纖維，其成本大約是普通混凝土價格的20 倍，因此在不降低UHPC 優(yōu)異性能的基礎上尋求更低成本的集料、纖維是未來研究UHPC 材料的發(fā)展方向，所以UHPC 材料還有很大的進步發(fā)展空間。