超高性能混凝土的研究現(xiàn)狀

梁拯

（廣東工商職業(yè)技術大學，廣東 肇慶 526020）

0 引言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑結構逐步向高大化、復雜化、多樣化及輕量化的方向發(fā)展，對混凝土材料的物理力學性能提出了更高要求， 但混凝土材料自重大、脆性較大、抗拉強度偏低等缺陷無法滿足建筑結構發(fā)展的需求。 在此背景下，一種性能更優(yōu)越的超高性能混凝土（UHPC）應運而生。

1 超高性能混凝土及其發(fā)展歷程

UHPC 材料是一種新型水泥基復合材料。該材料采用細骨料完全替換粗骨料， 材料中摻入一定量的鋼纖維，通過外加劑降低材料的水膠比，從而提高材料的密實性。 與傳統(tǒng)的混凝土材料相比，UPHC 材料具有輕量化、強度高、優(yōu)異的延展性、超高耐久性及耐磨性、抗沖擊性能好等特點。 由于其優(yōu)異的力學性能，UHPC 材料在大跨度橋梁、 超高層建筑、 海洋基礎設施及軍工結構中得到了廣泛應用。 但整體造價高、膠凝材料用料偏高、早期收縮大及施工難度大等缺點限制了UHPC 在實際工程中的應用范圍。

在實際工程中， 人們對高性能混凝土的追求從未停止。20 世紀70 年代，Bache 提出了致密化體系，利用超細顆粒實現(xiàn)堆積致密化，從而提高整體密實度。 Yudenfreund[1]等利用真空攪拌技術生產出低水灰比、低孔隙率、立方體抗壓強度高達205 MPa 的人工水泥石材。 Larrard 和Sedran[2]在1994 年首次提出了UHPC 概念。同年，Bonneau 結合致密化體系基礎理論， 采用無宏觀缺陷水泥基材料和纖維增強混凝土生產了活性粉末混凝土， 從而標志著混凝土進入超高力學性能、超高耐久性的超高性能時代。

2 超高性能混凝土的研究現(xiàn)狀

UPHC 是一種新型水泥基復合材料，能滿足工程結構在極端環(huán)境下的安全需求，因此在工程建設方面具有巨大的潛力與價值。 目前，國內外學者對UPHC 進行了大量的理論和實驗研究，研究成果主要集中在微觀結構、物理力學性能、耐久性、配合比和數值模擬等方面。

2.1 材料方面研究現(xiàn)狀

余睿等[3]認為，保證UPHC 材料優(yōu)越性能的關鍵是摻入適量鋼纖維及科學合理地確定其配合比。余睿等還利用二次飽和D-最優(yōu)設計理論和鋼纖維等效顆粒直徑模型對改進的Andreasen 和Andersen（MAA）模型進行優(yōu)化和完善，最終有效驗證了MAA 模型在濕堆積狀態(tài)下的適用性與可靠性，并證明將球形顆粒的鋼纖維嵌入MAA 模型中，可以制備出密實度高、強度高的UHPC 材料。 程俊等[4]對粗骨料含量對UPHC 材料力學性能的影響進行了研究。 研究表明，UPHC 材料的彈性模量隨著粗骨料含量增加而增加，但彎曲強度隨之下降。 劉路明等[5]研究了膨脹劑與內養(yǎng)劑對UPHC 流動性、凝結時間及強度等性能的影響。 研究表明，膨脹劑和內養(yǎng)劑的復摻可以有效降低UPHC 的自收縮。

2.2 橋梁工程研究現(xiàn)狀

在橋梁工程的研究領域，UHPC 材料主要應用于橋面結構、橋梁加固及橋梁拼接等方面。

在組合橋結構方面，邵旭東等[6]研究了UHPC矮肋橋面板的抗彎性能。 研究表明，增加鋼板厚度可以提高UPHC 橋梁的極限彎矩， 窄高的縱向加勁肋能夠承受更大的荷載。Wang[7]的團隊對摻入端鉤形與直線形鋼纖維的UPHC 矩形橋面板的靜力與抗彎性能進行了相關研究。 研究表明，由于端鉤形鋼纖維的摻入， 在UHPC 矩形橋面板厚度降低到一定程度（17 cm）時，其開裂應力與承載能力仍可得到一定的提高。

在橋梁加固方面，UPHC 材料主要在拱橋、橋梁改建與擴建及普通混凝土橋面板更替換等方面得到廣泛的應用。 凌富偉[8]認為，不同的橋梁類型應該選擇合適的加固方式， 并介紹了UHPC 材料非常適用于以受壓為主的雙曲拱橋中，提出了增大截面法可以科學調節(jié)拱圈的受力特性。 丁鵬等[9]針對圬工肋拱橋當前加固方法的局限性， 提出利用UHPC 套箍加固主拱圈的加固思路。 研究顯示，采用此加固方法能夠大大提升拱橋的承載能力。

UPHC 材料具有輕量化、強度高、優(yōu)異的延展性、超高耐久性及耐磨性和抗沖擊性能好等特點，因此被廣泛應用于橋梁拼接方面。張立乾等[10]提出了一種UHPC 材料與高強預應力鋼筋相結合的裝配式快速拼接橋梁。 兩者的結合不僅可以大幅度降低結構的自重，發(fā)揮承載優(yōu)勢，還可以在強度、剛度及穩(wěn)定性方面滿足使用性能要求。同濟大學土木工程學院劉超、黃鈺豪和上海市城市建設設計研究總院陸元春團隊[11]，以上海市濟陽路高架新舊橋拼接項目為背景開展了UPHC 材料的拼接接縫試驗，研究分析了UHPC 接縫的局部受力性能。 模擬研究表明，可以通過增加接縫自由長度與減小接縫厚度的方式來提高UHPC 接縫的抗彎能力， 同時證明了UHPC 接縫能夠滿足受力需求。

2.3 建筑工程研究現(xiàn)狀

輕質化是UHPC 材料的顯著特點之一。 為研究UHPC 梁的工作性能，張濤[12]團隊利用商業(yè)有限元軟件ABAQUS 對其進行數值模擬。 模擬結果表明，UHPC 鋼筋梁的開裂荷載隨著縱筋屈服強度的提高而上升， 同時縱筋屈服強度的提高可以提高UHPC 鋼筋梁的承載能力。 張樺及白楊[13]對外圍護體系的集成設計與建造進行了深度剖析。該研究考慮了防水、防污染、抗腐蝕等方面因素，最終選擇UHPC 材料建造外掛墻板。用UHPC 材料制作而成的預制復合夾心外掛墻板，構件的抗疲勞、抗沖擊和耐久性能及抗彎能力均得到了提升，從而使圍護結構獲得較好的抗震耗能能力。

3 結語

UHPC 作為一種新型水泥基復合材料， 突破了傳統(tǒng)混凝土自重、耐久性及抗壓強度等缺陷，因此適用于橋梁工程、土木工程等工程領域。 當前，UHPC 材料仍存在整體造價較高、 施工難度大及理論研究和相關規(guī)范不完善等缺點，但隨著材料科學的不斷發(fā)展，UHPC 材料必將擁有廣闊的應用前景。