UHPC超高性能混凝土制備及工程應(yīng)用研究進展

仇志敏，劉 睿，熊 哲

（1、振中建設(shè)集團有限公司 廣州 511445；2、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工程規(guī)模不斷擴大，工程結(jié)構(gòu)的高度，跨度和深度的記錄也不斷被刷新。工程的發(fā)展不僅對工程技術(shù)的提升有更高要求，同樣對工程材料向更高性能的探索與研發(fā)有新的要求。

超高性能混凝土（UHPC）起源于德國卡塞爾學(xué)院對高性能混凝土的進一步發(fā)展，在國內(nèi)一般簡稱為活性粉末混凝土（RPC）［1］。UHPC 以其超高強度、高韌性、可靠的耐久性能、孔隙率低以及其良好的自密實性等諸多優(yōu)異性能［2-3］，迅速成為了廣受工程屆青睞的主要建筑材料和研究熱點。

UHPC能集眾多優(yōu)秀性能于一身主要是它建立在完善的理論體系之上，同時合理的原材料選用也是重要因素。本文基于目前國內(nèi)外關(guān)于UHPC 的研究進展，總結(jié)了UHPC 制備原理與技術(shù)手段，梳理了UHPC制備的原材料選擇與成分特性，旨在為研究者們提供UHPC制備的理論依據(jù)和原材料選擇建議。

1 UHPC的制備原理與技術(shù)手段

國內(nèi)外學(xué)者針對UHPC 開展了大量關(guān)于原材料組成與微觀結(jié)構(gòu)分析、UPHC 力學(xué)性能、UHPC 的工作性能，UHPC 的制備技術(shù)以及其優(yōu)勢與不足等方面的研究?？偨Y(jié)出UHPC 的制備技術(shù)包含：孔隙度-強度理論，原材料緊密堆積理論、加入活性礦物摻合料以改善微觀結(jié)構(gòu)、加入高效減水劑以降低水膠比、添加纖維以提高韌性。

1.1 孔隙度-強度理論

混凝土是多相組成的各向異性材料，內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)混凝土的性能影響較大?；炷粱w孔隙的數(shù)量、大小、位置都是混凝土性能的影響因素，這些參數(shù)不確定性較大，難以用于建立表征混凝土性能的理論模型。研究者們通過實驗結(jié)果證實，利用總孔隙度可以得到一個可以接受的強度預(yù)測?；诖?，R?BLER［4］和ODLER［5］建立了水泥基材料孔隙度與抗壓強度的理論模型：

式中：σ0為零孔隙率時的抗壓強度；P為孔隙率；P0為零孔隙率；σ為孔隙率等于P時的抗壓強度；A、B、D為實驗常數(shù)。

大多數(shù)孔隙度-強度關(guān)系都是這4種類型中的一種。式⑵特別適用于低孔隙度體系，式⑶特別適用于高孔隙度體系。這四個方程都清楚地表明，孔隙率越低，強度越高。因此降低混凝土基體的總孔隙度就是提升混凝土強度的一個關(guān)鍵理論。

1.2 原材料緊密堆積理論

混凝土硬化后的基體主要由固體顆粒和孔隙組成，減少其內(nèi)部孔隙最有效的辦法之一就是使固體顆粒堆積得更加密實。STOVALL［6］提出了線性堆積密度模型（LPDM），該模型考慮了所用材料尺寸級之間的相互作用。LARRARD［7］引入了虛堆積密度概念，對LPDM 模型進一步優(yōu)化，虛堆積密度是粒子逐一放置時的最大堆積密度。Larrard 在改進的LPDM 模型的基礎(chǔ)上建立了固體懸浮模型（SSM），引入虛擬填料因子，該因子解釋了理想和隨機顆粒填料之間的差異，SSM模型是UHPC的配合比設(shè)計理論模型的基礎(chǔ)。

1.3 使用高效減水劑降低水膠比

混凝土在水化反應(yīng)后會生成大量的Ca（OH）2，Ca（OH）2強度低、松散和孔隙多，是造成普通混凝土材料強度低原因之一。通過降低水膠比抑制Ca（OH）2晶體的生長空間或添加活性礦物摻合料促進Ca（OH）2的二次水化的方式可減少基體中Ca（OH）2的含量［8］。低水膠比可以有效地降低UHPC 中的孔隙度，但是較低的水膠比會使混凝土漿體流動性大大降低，從而影響它的施工性能。采用高效減水劑可顯著降低給定和易性所需的水膠比，明顯減少UHPC 的骨料之間的孔隙，提高UHPC的密實度和強度［9］。

1.4 加入活性礦物摻合料改善微觀結(jié)構(gòu)

混凝土內(nèi)部實際上是由骨料、水泥膏體和它們之間的界面過度區(qū)（ITZ）三相組成的。界面過渡區(qū)具有較高的孔隙率，是常規(guī)混凝土中最薄弱的部分。

在UHPC 中添加的礦物摻合料一般都具有較高的火山灰反應(yīng)活性，且含一定量的SiO2或Al2O3。水泥經(jīng)水化反應(yīng)生成大量的Ca（OH）2，礦物摻合料中的SiO2與其進一步反應(yīng)生成水化產(chǎn)物C-S-H。C-S-H比Ca（OH）2具有更高的剛度、硬度和密度［10］。有利于改善UHPC 中界面過度區(qū)的性能，使其密實度與基體一樣。這極大地增強了UHPC 的同質(zhì)性，對改善結(jié)構(gòu)的整體性能至關(guān)重要［11］。

1.5 摻入高強度纖維材料提高韌性

韌性是一種材料的能量吸收能力的度量，表征材料抵抗斷裂的能力?；炷潦且环N抗拉強度較低的脆性材料，抗變形能力和抗沖擊強度及韌性較差。在混凝土中摻入纖維可以防止和控制裂縫的萌生、擴展或貫通，使變形能力得到改善。

目前有關(guān)UHPC 的研究中，使用最多的是鋼纖維、PE 纖維、玻璃纖維和碳素纖維。相對來說，制備的UHPC 抗拉強度較高的是鉤狀鋼纖維。PE 纖維因其良好的疏水性消除了纖維與基體的化學(xué)鍵合，顯著提高了纖維橋接的互補能，因而使用PE 纖維制備的UHPC具有更高的韌性［12］。

2 UHPC制備的原材料

與普通混凝土相比，UHPC 制備所采用的原材料種類也更為豐富。UHPC 的原材料一般分為活性材料、骨料、高效減水劑、纖維。如前所述，采用高效減水劑和摻入纖維是提高UHPC性能的重要技術(shù)手段。

2.1 活性材料

UHPC常用的活性材料有水泥和礦物摻合料。新的研究成果表明，采用大量的礦物摻合料取代水泥，可以降低UHPC 的使用成本。制備UHPC 時采用的礦物摻合料一般有：硅灰、粉煤灰、高爐渣灰、偏高嶺土超細粉、石灰石細粉、鋼渣粉、超細粒子。

2.1.1 水泥

制備UHPC 的水泥可以分為四大類：低熱硅酸鹽水泥、硅粉混合水泥、調(diào)粒水泥和球狀水泥。

低熱硅酸鹽水泥礦物組成是的最大特點是C3S含量低而C2S 含量高，具有低堿含量、低至中細度。因此，使用低熱硅酸鹽水泥制備的UHPC 具有粘度低、自收縮小、高溫開裂少等優(yōu)點。

硅粉混合水泥制備UHPC 可以抑制混凝土的自收縮開裂［13］。日本某水泥公司利用硅粉混合水泥成功研發(fā)了強度達200 MPa的超高強混凝土。

調(diào)粒水泥的特征是已經(jīng)對活性材料的粒徑做了優(yōu)化處理，并摻入了石灰石細粉、硅粉、粉煤灰和礦渣粉。前期需先優(yōu)化水泥中粒度分布，提高其填充率；然后加入大粒徑水泥顆粒，使粒度分布往粗方向改變；最后加入超細粉，達到最密實填充。用調(diào)粒水泥制備UHPC 具有水泥漿體流動性好、早期強度高、水化熱低，水化反應(yīng)放熱慢和節(jié)約資源等優(yōu)點。缺點是制備的UHPC性能上限較低。

球狀水泥是利用水泥熟料經(jīng)過高速氣流粉碎及特殊處理工藝后得到的且表面為球狀的水泥產(chǎn)品。因其表觀密度增大、填充性提高、粒度分布均勻且松堆積密度提高［14］。利用球狀水泥制備的UHPC 的優(yōu)點是流動性提高極大、抗壓強度和前期強度，抗碳化能力有所提高［15］，缺點是使用成本高。

2.1.2 硅灰

硅灰是一種具有高活性的火山灰質(zhì)材料。在UHPC 中添加硅灰主要有以下作用：硅灰細顆粒粒徑小，能很好地填充UHPC 中的孔隙，使其堆積密度大大提高；硅灰中含有大量的SiO2微顆粒，能夠迅速溶解后與水泥漿體中的Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H 凝膠，可填充UHPC 的裂縫和空隙，進一步改善UHPC 的微觀結(jié)構(gòu)；硅灰顆粒具有很好的球形外表，且顆粒粒徑小，能夠在UHPC 漿體中很好地發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)，改善其流變性能［16］。硅灰的最佳含量依賴于水膠比，水膠比較低的情況下，需要硅灰含量相對較低［17］。

2.1.3 粉煤灰

粉煤灰具有較強的火山灰活性，其粒徑比水泥顆粒稍細。在UHPC 中應(yīng)用比較廣泛，粉煤灰在UHPC主要有以下作用：首先粉煤灰的化學(xué)成分SiO2、CaO、Al2O3在UHPC 制備和養(yǎng)護過程中會發(fā)生水化反應(yīng)，生成C-S-H 凝膠填充UHPC 的空隙和裂縫，同時消耗混凝土中的Ca（OH）2，避免過多的Ca（OH）2降低UHPC界面結(jié)合區(qū)強度等［18］。

YAZICI 等人［19］發(fā)現(xiàn)含粉煤灰和高爐礦渣粉的UHPC 的強度隨養(yǎng)護條件的改善而增強；在標準條件下養(yǎng)護后抗壓強度達到200 MPa 以上，采用高壓釜養(yǎng)護后強度可達250 MPa 以上。PENG 等人［20］研究發(fā)現(xiàn)UHPC中摻入超細粉煤灰和鋼渣粉且當鋼渣粉與超細粉煤灰的最佳配比為1.5時，UHPC的強度達到最高。

2.1.4 高爐渣灰

高爐渣灰是高爐冶煉鐵時生成熔融的高爐礦渣，經(jīng)噴水急冷，干燥后得到粒狀的高爐水淬礦渣。高爐渣灰應(yīng)用于混凝土是由于其本身的水硬性，雖然這種硬化性能較弱，但是加堿后可以激發(fā)其硬化，和硅酸鹽水泥混合在一起時，由于Ca（OH）2和硫酸鹽的作用，可以促進其硬化［19］。YAZICI 等人［21］用高爐礦渣替代普通硅酸鹽水泥制備UHPC，摻入高爐礦渣量制備的UHPC 在蒸壓養(yǎng)護后的抗壓強度可提高至250 MPa 以上，UHPC的強度顯著提高。

2.1.5 鋼渣粉

鋼渣粉是煉鋼的過程產(chǎn)物，它含有一定量的C3S和C2S。鋼渣的密度很高，用鋼渣粉替代水泥可改善混凝土的流動性。研究者通過用鋼渣粉替代部分水泥制備了UHPC，在高壓高溫養(yǎng)護后獲得了197 MPa的抗壓強度［22］。通過電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉UHPC 的結(jié)晶水化產(chǎn)物大于普通水泥制備的UHPC，且膠凝狀Ca（OH）2的含量較多。

2.1.6 石灰石細粉

石灰石細粉是通過將石灰石破碎磨細后得到的一種非火山灰礦物摻合料，主要成分是Ca（OH）2。石灰石細粉在制備UHPC 的過程中的主要作用是：提高UHPC 漿體的流動性和促進UHPC中C-S-H凝膠的形成。

LIU［23］研究了一種含石灰石細粉的新型UHPC，實驗結(jié)果表明：含石灰石粉的UHPC 抗壓強度大于120 MPa；高溫條件下，石灰石細粉的水化活性和加速作用明顯，水化形成單鋁酸鈣水化物。WEERDT［24］證實了石灰石細粉和粉煤灰之間的協(xié)同作用及其隨時間的持久性，石灰石細粉使混凝土中形成了一碳或半碳鋁酸鹽水合物，混凝土的水合物體積增加，孔隙度隨之降低，強度增加。

2.1.7 偏高嶺土超細粉

偏高嶺土超細粉的主要化學(xué)成分為：SiO2、Al2O3以及少量的Fe2O3、CaO、MgO［25］。已有研究表明，偏高嶺土超細粉可以作為UHPC的活性礦物摻合料，摻入偏高嶺土超細粉的混凝土拌合物均勻性好、不泌水、不離析。在低水膠比的情況下，添加偏高嶺土超細粉的UHPC在抗壓強度和劈裂抗拉強度方面的提升不大，但是添加偏高嶺土超細粉可以極大地提升UHPC的耐久性［26］。

2.1.8 超細粒子

超細粒子一般是指經(jīng)過特殊細化處理的納米級別粒子，在UHPC 制作中常用的超細粒子有：納米SiO2、納米CaCO3、納米TiO2、納米Fe2O3等納米顆粒。它們比表面積高，反應(yīng)活性高，可以作為水泥相的晶核，進一步促進水泥水化；它們還可以作為納米增強體和填充體，使UHPC 的微觀結(jié)構(gòu)和ITZ 致密化，降低UHPC的孔隙率的效果［27］。

DING［28］通過實驗發(fā)現(xiàn)：在UHPC基體中加入適量納米CaCO3有效地降低了孔隙率，細化孔隙結(jié)構(gòu)，UHPC的抗壓強度有所提高。在UHPC 基體水化過程中，納米SiO2的使用促進了C-S-H 凝膠的形成，從而提高水化水泥制品的性能［29］。

2.2 骨料

混凝土中的聚合物一般都有粗骨料和細骨料，UHPC 常選用細骨料作為聚合物［30］。細觀力學(xué)認為，骨料越小，基體的裂紋萌生韌性和穩(wěn)態(tài)裂紋擴展時的斷裂功也越低，都有利于復(fù)合材料的延性。

UHPC 的制作中一般采用細硅砂、細磨石英砂和天然河沙作細骨料。石英砂主要成分是SiO2，其含量在95%以上，細磨石英砂具有硬度高和界面性能好，易于采購等優(yōu)點。石英砂在配級、平均粒徑等方面都是普通天然河砂無法比擬的，但缺點是價格高昂［31］。

天然河砂顆粒外形較圓潤，需水量比石英砂低，同時價格相對便宜，缺點是顆粒級配較差，制備的UHPC強度相對較低［32］。

細硅砂是以石英為主要礦物成分，由天然河砂加工而成的一種堅硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，硬度和石英砂相當，且性脆無解理，價格比石英砂便宜但是貴于天然河沙［33］。

考慮當前天然河砂資源緊缺、石英砂昂貴的成本，使用再生骨料替代傳統(tǒng)細骨料是一種綠色、經(jīng)濟的UHPC 制備途徑［34］。YU［35］使用再生混凝土骨料（RCA）替代天然河砂制備UHPC，使用細粒RCA 制備的UHPC 的和易性和力學(xué)性能比高質(zhì)量集料的UHPC高。AMBILY［36］研究發(fā)現(xiàn)，銅渣作為細骨料制備抗壓強度大于150 MPa 的UHPC，比相同條件下使用天然河砂制備的UHPC 抗壓強度高。GONZáLEZ［37］分析了使用螢石礦副產(chǎn)品來替代傳統(tǒng)細骨料對UHPFRC性能的影響，結(jié)果表明使用螢石礦廢砂（WMS）制備UHPFRC，抗壓強度提高了11%左右。

3 UHPC的工程應(yīng)用

超高性能混凝土具有超高強度、高韌性、高耐久性等諸多優(yōu)點，可滿足新時代建筑的特殊要求，應(yīng)用前景廣闊。當前，對UHPC 的研究已從材料研究轉(zhuǎn)變?yōu)閁HPC 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)的創(chuàng)新研究與應(yīng)用。結(jié)合UHPC 的特點總結(jié)了UHPC 的應(yīng)用主要集中在以下方面：①UHPC 強度高，可用于跨度更長、凈空更大的橋梁工程［38］；②結(jié)構(gòu)加固，現(xiàn)場搶修；③建筑外立面，輕量化樓梯等；④UHPC抗拉強度高，耐腐蝕，可用作輸送管道；⑤UHPC抗?jié)B性好，適用于地下管廊工程等；⑥抗壓強度與韌性高，可用于對抗撞擊要求高的工程中。

UHPC 在橋梁工程應(yīng)用中最常見。2010 年湖南大學(xué)的邵旭東等人提出了“正交異性鋼板-薄層UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)”，攻克了普通正交異性鋼板易疲勞開裂及鋼橋面瀝青鋪裝易破損等難題，通過進一步改善，成功配制了性能更優(yōu)的鋼橋面專用超高韌性混凝土（STC），成功應(yīng)用于廣東肇慶馬房大橋、洞庭湖二橋等［39］。2016 建成的長沙北辰三角洲橫四路跨街天橋是國際上第一次采用全預(yù)制拼裝工藝建成的UHPC車行箱梁橋。2021 年建成通車的青龍州大橋采用了鋼-UHPC矮肋橋面板組合梁，自重比傳統(tǒng)組合梁減少了30%～40%［40］。

在既有橋梁維修加固方面，2020年進行維修加固的潤揚大橋，首次采用免蒸養(yǎng)UHPC 技術(shù)。解決了蒸養(yǎng)溫度變化對既有橋梁鋼結(jié)構(gòu)安全性影響的難題，結(jié)合采用連接層加濕粘結(jié)劑代替焊接栓釘，攻克了既有鋼橋面維修半封閉交通，連續(xù)鋪裝施工難度大，施工工期緊張，因施工縫引發(fā)的病害隱患等難題［41］。UHPC 具有高耐久性，能夠給鋼結(jié)構(gòu)提供長期可靠的防腐保護。2021年建成的廣州海心橋，拱腳以及下部的鋼拱肋均采用了外包UHPC 保護層，可以保證建筑具有更長期服役的高耐久性，該應(yīng)用實例為鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝更新困難的工程提供了新的防腐思路［42］。

UHPC 具有其自重輕，防腐蝕性能好，并且低消耗，十分符合節(jié)能環(huán)保的理念，也常被用作建筑物的外掛墻板。張樺等人［43］利用UHPC 制作混凝土外掛墻板，其重量僅為同等尺寸傳統(tǒng)預(yù)制混凝土墻板的1/3。寧波諾丁漢大學(xué)國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化園新大樓的外墻采用澆筑工藝一體成型，且鏤空的UHPC 板不僅可以增強建筑的特色，還能充分利用采光空間的位置，發(fā)揮其綠色、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。

此外，UHPC 基體十分致密，孔隙率非常低，其抗?jié)B性能優(yōu)于普通混凝土。在城市地下綜合管廊等對抗?jié)B要求較高的工程中優(yōu)勢明顯，福建平潭綜合實驗區(qū)地下管廊工程和天河智慧城地下綜合管廊工程等均采用了UHPC 管廊，不僅提高了結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性，耐久性，還減少了結(jié)構(gòu)的自重，獲得了較好的綜合經(jīng)濟效益［44］。最后，UHPC 具有超高抗壓強度和超強的韌性，因此在撞擊荷載作用下采用UHPC 結(jié)構(gòu)可以獲得有效的防護。程書劍等人［45］提出UHPC+普通混凝土+鋼板的新型組合結(jié)構(gòu)，并通過試驗證實了該組合墻體結(jié)構(gòu)應(yīng)用在核島屏蔽廠房的可行性，促進了UHPC在核能項目中的應(yīng)用與發(fā)展。

4 結(jié)論與展望

本文歸納了UHPC 制備的基本理論與常用技術(shù)手段，介紹了常用的UHPC 制備原材料性能及材料的優(yōu)缺點，總結(jié)了近年來UHPC 的施工技術(shù)研究與工程應(yīng)用。得到以下結(jié)論：

⑴UHPC 的制備一般建立在以下理論和技術(shù)手段之上：孔隙度-強度理論、原材料緊密堆積理論、使用高效減水劑降低水膠比，加入活性礦物摻合料改善微觀結(jié)構(gòu)、摻入高強度纖維材料提高韌性。

⑵制備UHPC 的原材料種類豐富，一般有活性材料、骨料、高效減水劑、纖維。不同材料的選用需合理的配制方法和條件，才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

⑶在UHPC 的制備中，更常使用細骨料作為聚合物，再生骨料替代傳統(tǒng)細骨料是一種綠色、經(jīng)濟的方法。

為了使UHPC 的性能向更高質(zhì)量，更穩(wěn)定的方向提升，進一步推動UHPC 向更廣泛的領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，仍需解決一些問題：

⑴研究出經(jīng)濟、實用的制備方法和養(yǎng)護方式對UHPC的工程應(yīng)用有重要意義。

⑵利用工業(yè)廢料或者再生材料代替UHPC 中的水泥發(fā)揮相同的作用，達到降低碳排放，節(jié)能環(huán)保的效果。

⑶ 當前市場上河砂產(chǎn)量緊張而石英砂會提高UHPC 的使用成本，有必要研究機制砂等再生骨料作為UHPC細骨料的可行性。

⑷ 要推動UHPC 在建筑工程領(lǐng)域的進一步發(fā)展，仍需要：①加大對UHPC 在配制的技術(shù)，改進施工工藝等方面的研究力度；②繼續(xù)發(fā)掘更優(yōu)的原材料，保證質(zhì)量的同時提升經(jīng)濟性；③完善UHPC 在原材料制備，施工，組合技術(shù)等方面的規(guī)范，形成系統(tǒng)規(guī)范的研究體系。