HPC与UHPC的制备原理比较

饶苏端，水中和，余 睿，曾志军，潘跃进

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.海军工程设计研究院，北京 100070)

高性能混凝土(High performance concrete，简称HPC)是在普通混凝土的基础上，注重耐久性方面的改善得到的产品。HPC这个名称，在1990年美国NIST与ACI召开的会议上首次提出。从20世纪40年代起，开始研究并解决水泥混凝土的耐久性能问题，可以认为是HPC研究的开端[1,2]。至20世纪90年代左右，HPC的制备和应用已在各国形成标准。

超高性能混凝土(Ultra high performance concrete，简称UHPC)的研究始于20世纪70年代，对于超高性能混凝土，在《超高性能混凝土技术规范：材料与检验》初稿中在品质评价方面，除强度外，明确对孔洞与裂缝的宏观缺陷和抗渗透性提出了要求。UHPC的概念在1994年提出，可以看作是对于超高强度混凝土相关研究的一个总结，目前部分研究中仍沿用了活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)的名称，大部分由于RPC已被注册商标而已改用UHPC。

UHPC并不是HPC的基础上进行的简单高强度改造，论文接下来从制备的方法和对应的原理及思路方面来介绍二者之间的差异。

1 高性能混凝土的制备

高性能混凝土的设计，主要的原则是降低孔隙率，细化晶粒尺寸，减少产物的不均匀性。采取的主要手段有：使用高效减水剂以降低水胶比，同时改善新鲜状态下的颗粒聚集状态；优化原料的粒度分布和颗粒级配来增加密实度。目前已有很多成体系的HPC配比设计方法，包括法国国家路桥实验室方法(LCPC)，美国混凝土协会方法，基于最大密实度理论的Domone P L J方法，Bolomy修正法，全计算法等[3]。下面详细介绍几种较有代表性的方法。

在Aïtcin P C所著的《High-Performance Concrete》书中讲解了全计算法。首先是根据目标设计强度选择合适的水胶比；然后通过饱和点法找到合适的水和减水剂用量，使得水的用量在保证坍落度有200 mm的基础之上用量最小；在已知水胶比和水用量的前提下，可以反推得到胶材的总用量，并得出水泥和其他掺合料的用量，再根据骨料的形状和尺寸，选择粗骨料的用量；最后，计算所有固体的体积，取含气量为1.5%，用砂补齐体积并根据各物料和饱和面干状态的差距补正水的用量。该书随后还给出了批量配比的方法并指出，这一设计方法中仍有不少内容取决于经验和观察，并且不能预计原料的品质和特征对于最终产品的影响[4]。这种设计方式即是通过经验中水胶比和强度的线性对应关系，在此基础之上尽量控制胶材的总用量，然后用骨料补齐体积，可以看作是一种纯经验方式的总结和综合运用，更适用于较为普通的性能要求。美国的ACI363标准所建议的设计方式与上述方法类似，区别在于在调整水和减水剂的用量时，是通过简单实验进行的，仅控制不加减水剂时的坍落度在25～50 mm，并通过小量的试验来确定所需的水胶比和减水剂用量。

de larrard方法是结合了Feret方程预估强度，这个方程的参数包含了水胶比、骨料参数和水泥强度，是一个半经验公式，较纯经验的方式相比，对于强度的估计更为准确。以这一方程为参考设计水胶比和材料的比例用量后使用Farris模型(也是一个半经验的模型公式)来调整水和减水剂的用量以及工作性能[5]。

Mehta和 Aïtcin还提出了一种简化的设计方法，仍然是通过预定设计强度来决定水胶比，粗略地将胶材和骨料的体积占比按35%和65%来确定胶材和骨料的总用量，根据用水量和预计含气量，调整胶材的组成保证体积，并按强度等级选择粗细骨料的比例，最后调整减水剂的用量以满足工作性能的要求[6]。

另外，随着计算机技术的发展，很多研究者也把数学建模和计算机技术结合到了高性能混凝土配比计算当中，使得在配比设计上结合了更多的实际问题，例如成本造价、水泥用量等问题[7，8]。

实际生产中，则是在确定大致配比范围后，通过实验寻求最佳配比[9,10]。这也侧面反应了，这些配合比设计方法其背后的原理均有一定的经验成分。

在低碳减排方面，HPC的设计也进行了对于使用回收废料替代胶材和骨料的研究，例如使用陶瓷生产中抛光磨光工艺中产生的陶瓷废料粉替代水泥生产HPC[11]；利用回收的混凝土块替代骨料等[12]。

总的来说，HPC的设计原理是在普通混凝土的设计经验理论上延伸发展得来的，大量借鉴了普通混凝土中有关强度和工作性能设计的经验，非常注重在实际应用中的可操作性。并在此基础之上，控制原料品质、在达到设计强度的前提下尽量降低水胶比，以达到从宏观方面降低孔隙率增强水泥基材料的抗渗性能的设计目的。

2 超高性能混凝土制备

超高性能混凝土的制备机理，以减少最终水泥石的微观缺陷，降低孔隙率为主要目的。形成的理论体系包括细料致密法(Densified with Small Particles,DSP),Bache通过这一理论，利用高效减水剂和硅灰的组合作用，制得了强度达150～200 MPa的混凝土并已形成了以DENSIT为商标的商用混凝土制品；Birchall等通过真空搅拌减少引入的气体并使用高温蒸养等手段改善水泥的水化产物及其微观结构开发出的无宏观缺陷水泥(Micro Defect Free，MDF)；以及后来在前二者的理论基础之上，既使用高活性粉末，又进行热养护开发出的RPC(Reactive Powder Concrete)，根据这一理论基础，目前已有了抗压强度最高可达800 MPa的商业产品[13]。下面以RPC的设计原理为例进行介绍。

RPC的的设计原理包括，去除粗骨料增加了混凝土的均匀性，减少界面，阻止了力学、化学收缩、热应力等因素导致的裂纹的扩张；增强了浆体的机械性能使之模量接近骨料，进而消除了内部的机械异质性；限制砂的用量进一步增加了密实度减少了砂作为细骨料在浆体水化时收缩带来的孔隙率。在具体设计配比上，RPC通过粉料的堆积模型和流变实验来确定需水量最小时粉料的比例，再根据最小需水量和预计含气量，利用相对密度来确定需水量。用料上，利用了硅灰的火山灰效应并通过使用石英砂和石英粉来补正硅与水泥的比例来改善水化产物的成分组成，最后添加体积比约为2%的钢纤维。在生产时，对新鲜混凝土施加压力，以促进气体和成浆所必须而非必要的部分水排除，同时减少化学收缩。最后，进行热养护以改善微观结构[14]。

UHPC的设计和生产工艺的改善研究目前尚在进行当中。近期的一些研究表明，具体的生产工艺也会对RPC的最终质量产生较大影响，例如Parameshwar N等指出，先混合胶材，加入大部分的水和减水剂，再加入砂等骨料，最后加入剩余水的方式比传统的先混合所有固体，加入一半水和减水剂，混匀后再加入剩余水和减水剂的方式能获得更好的工作性能，而控制制备的搅拌时间在15 min，比起搅拌20 min、25 min、30 min得到的产品孔隙率更低[15]。另有一些研究改进了超高性能混凝土配比设计的理论细节，例如改进颗粒堆积模型以进一步优化粉料配比[16]；进一步提升原料质量并细化热养护条件等[17]。

UHPC在设计时往往还考虑了一些在其他混凝土中不常见的问题，例如由于高胶材用量而引起的自收缩问题。针对这一问题不仅已开发出了成熟的减缩剂产品，而且也有了使用其他工业废料例如铁尾矿替代水泥的研究[18]。

为了改善力学性能，尤其是混凝土的脆性，UHPC普遍使用掺杂纤维进行增韧处理，这一类也被称为UHPFRC(Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete)。钢纤维在掺入UHPC后，使得基体在载荷下的破坏形式由微裂纹的扩展改变成为了钢纤维—基体过渡界面的破坏，具体体现为纤维在破坏时被拉拔而出。即钢纤维通过阻止基体中的裂纹扩展增加了基体的韧性[19]。

从上述研究和方法中可以看出，UHPC的设计方法及其原理都是从减少微观缺陷完善力学性能这一本质目的出发的。有些手段如加压热养护在实际施工中并不易还原并且大幅提高了单位体积混凝土的成本，但是验证了UHPC的设计原则可以达到理想的效果。

3 结 语

HPC的设计原理上，属于是在结合普通混凝土设计方法经验的基础上，在对于强度、孔隙率等方面进行改善，从而达到改善耐久性能的目的，目前理论研究已经较为完善。相较于HPC而言，UHPC的设计方法的逻辑上则是相反的，通过可能的手段尽量降低混凝土的微观缺陷并全面提升力学性能，再在具体的设计上兼顾实际生产和应用。可以认为UHPC的制备研究仍需向实际工程应用方面进一步靠拢。

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