超高性能混凝土的材料性能

张 宇 鲍小宇 彭晓静 李晨辉 李 琛

(长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710000)

1 概述

自混凝土发展以来，因混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单，使用方便的特点，使其使用量越来越大，使用范围越来越广，成为当代最主要的土木工程材料之一。但是混凝土由于本身自重大，易脆断，抗拉强度低，处理困难等缺点，使得混凝土在使用过程中容易造成资源浪费，能源消耗，污染环境等严重问题。

为了改善混凝土使用带来的不利状况，提高混凝土的材料性能，混凝土的研究有了较快的发展，出现了高强混凝土，轻骨料混凝土以及聚合物混凝土等等。然而混凝土在大跨结构、桥梁、薄壁结构和高层建筑的应用中仍不占优势。国内外学者进行了大量的研究，提出了超高性能混凝土的概念。超高性能混凝土的抗压强度达150 MPa以上，自重轻，具有优异的耐久性和防腐蚀性，降低了工程造价[1]。

超高性能混凝土具有的显著优点使其研究与应用得到了较快的发展。

2 材料性能

2.1 抗压强度

超高性能混凝土的抗压强度约为普通混凝土的3倍[1]，其强度大小主要与其水胶比，胶凝材料用量，矿物掺合料掺量及钢纤维掺量有关。

水胶比含量的不同对超高性能混凝土的抗压强度有明显影响[2]。朋改非等人[2]测定了质量分数为0.21～0.24的水胶比含量和低于0.2时的超高性能混凝土抗压强度。水胶比在质量分数为0.21～0.24时，其各龄期抗压强度随水胶比的增大而递减。水胶比质量分数小于0.2时，掺入不同矿物掺合料及不同水胶比的抗压强度不同，但无论仅掺硅灰(SF)还是SF，FA，GGBS混掺，水胶比在0.18时抗压强度均达到最大。王军委等人[3]测定了质量分数为0.24～0.26的水胶比含量在不同矿物掺合料掺量，不同胶凝材料含量下的超高性能混凝土抗压强度。养护3 d，7 d，28 d，56 d下，抗压强度随着养护时间的增加而增加，随水胶比的增大而减小。

胶凝材料掺量对制备超高性能混凝土起到关键作用，养护3 d及7 d，超高性能混凝土抗压强度随胶凝材料的增加而略有降低。而养护28 d及56 d，超高性能混凝土随胶凝材料的增加而增大并趋于稳定。水胶比一定时，增加胶凝材料掺量可增加混凝土的流动性。

李云峰等人[4]，王斌等人[5]，朋改非等人[2]和王军委等人[3]通过对硅灰，粉煤灰，矿粉矿物掺合料的不同含量和不同组合，测试了超高性能混凝土的抗压强度，得出矿物掺合料显著影响了超高性能混凝土的抗压强度，单掺，双掺及三种混掺对抗压强度的影响不同。单掺硅灰掺量为8%时，抗压强度达到最大。双掺硅灰与粉煤灰的早期强度低于基准UHPC强度，后期强度可超过基准UHPC强度，且当硅灰掺量为10%，粉煤灰掺量为20%时，超高性能混凝土的抗压强度最高。双掺硅灰与矿粉的后期强度可超过基准UHPC强度，且在矿粉掺量不变时，硅灰掺量增加使超高性能混凝土早期强度增加。硅灰，粉煤灰，矿粉三种混掺时，总掺量在30%～50%时，硅灰含量在8%～10%时，抗压强度较高。

钢纤维的加入能改善混凝土的脆性，提高混凝土的韧性。当钢纤维含量从0.5%增加到2.5%时，超高性能混凝土的立方体抗压强度可提高7.64%～25.69%[6]。建议最优钢纤维掺量为1%。

2.2 抗拉强度

由于混凝土材料的抗压强度很高，抗拉强度低的特点，使其在外荷载作用时表现出受压不受拉的现象，混凝土构件在实际工程中也常常搭配钢筋来抵抗拉力。杜任远等人利用轴拉试验，抗折试验和劈裂试验测定了超高性能混凝土在不同钢纤维掺量下的抗拉强度值[7]。超高性能混凝土在不掺钢纤维时，其抗拉强度是普通混凝土的3倍。掺入钢纤维后，超高性能混凝土的抗拉强度显著提高，远远大于普通混凝土。较高的抗拉强度使得超高性能混凝土在应用中可以有效地阻止裂缝的发生与蔓延，确保混凝土构件的强度与稳定。而且超高性能混凝土拥有极强的拉伸韧性，其极限拉应变可达3%～4%，有较强的裂缝控制能力[8]。

2.3 轴压应力—应变曲线

混凝土的轴压应力—应变曲线可以反映混凝土的塑性、脆性与强度。王勇威等人[9]，柯晓军等人[10]测定了高强高性能混凝土在轴向压力作用下的应力—应变曲线，发现超高性能混凝土轴心抗压强度与峰值应变随混凝土抗压强度的提高而增大，其峰值应变可达2 500 με，轴压强度与抗压强度比为0.85，甚至更高。但是超高性能混凝土的极限应变却在降低，维持在3 000 με左右。

泊松比随混凝土强度等级的提高而增大，均值为0.211，与普通混凝土泊松比相差不大[10]。

弹性模量与单纯高强度混凝土弹性模量相近，但是无法得出超高性能混凝土的变化原理[11]。

2.4 耐久性

耐久性是衡量混凝土性能的一项重要指标。超高性能混凝土有着低水胶比和高矿物掺合量，毛细孔较少，密实性较高。Narald S.Müller[12]与刘娟红等人[13]通过混凝土耐久性试验，发现超高性能混凝土表现出明显致密的微观结构，总孔隙率相较水泥石，高性能混凝土低很多，其较低的毛细孔隙率使得有害介质很难侵入其中。超高性能混凝土孔隙率小，密实性高，有较好的抗碳化性能、抗渗性与抗冻性可以有效抑制碱骨料反应。超高性能混凝土在腐蚀环境下质量损失很低，抗氯离子腐蚀较强，其氯离子扩散系数只有10-9cm2/s数量级。

3 研究方向

超高性能混凝土研究应该响应新时代经济，绿色，节能的理念，结合现阶段发展历程，它还有以下研究方向：

1)制备超高性能混凝土需要的钢纤维和矿物掺合料用量较大，成本较高。未来应该充分利用工业废渣和其他高韧性纤维作为替代品，既满足强度与耐久性要求，又有一定的经济性。

2)超高性能混凝土制备工艺较为复杂，精细，且需要高温高压蒸汽养护。能源消耗较高，难以推广应用。应研究利用简单工艺，制备出满足要求的商品超高性能混凝土。

3)超高性能混凝土的力学性能、强度发展规律及其影响因素研究还未定论，仍需要继续研究，得出一套理论体系。

4)需要制定出超高性能混凝土制备，设计与施工规范，满足其材料性能与应用要求。

4 结语

超高性能混凝土自诞生至今，已有20年的发展历程。它的材料配合比，制备工艺，材料性能和微观机理等都进行了大量的研究，在实际应用中也取得了不错的成绩。超高性能混凝土的主要性能有以下几个方面：

1)超高性能混凝土相比普通混凝土拥有较高的抗压强度和抗拉强度。

2)超高性能混凝土具有良好的裂缝控制能力，钢纤维的掺入极大改善了超高性能混凝土的韧性。

3)超高性能混凝土拥有致密的微观结构，水胶比很低，耐久性优良。