我国超高性能混凝土（UHPC）的研究与应用进展

邹勇

（重庆市武隆区建设工程质量检测有限公司，重庆 408500）

邹勇.我国超高性能混凝土（UHPC）的研究与应用进展[J].重庆建筑，2019（7）：34-36.

0 引言

1993年法国Bouygues公司率先研发出了一种超高强、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料，名为活性粉末混凝土（RPC）[1]。由于RPC是一种专利产品，为避免产权纠纷，法国Larrard DF等随后又提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念[2]。UHPC是以RPC制备原理为基础发展而来的，只是前者所涉及的材料范围更广。自UHPC问世以来，国外对UHPC的制备技术、材料及结构性能等进行了大量的研究，并开展了规模化应用。1998年，UHPC经清华大学覃维祖教授首次引入国内，随即成为土木工程领域的研究热点。2000年以后，除清华大学外，湖南大学、东南大学、福州大学、武汉理工大学、同济大学等高校先后开展了UHPC材料组成与结构性能的研究，并在工程应用方面取得了诸多成果。虽然中国对UHPC的研究有些晚，但在结构自身和社会可持续发展对高性能土木工程材料要求的双重压力下，UHPC在中国的受关注度持续升温。在此背景下，本文将浅述UHPC在中国的研究和应用现状，并对其发展前景加以展望。

1 我国超高性能混凝土的研究现状

1.1 原材料及制备技术

如同其他水泥基材料研究一样，UHPC研究也是从材料制备开始入手的。各国研究者结合当地的材料开展了大量的配合比设计，中国也开展了许多的研究。在我国UHPC发展的早期，其制备技术主要遵循了RPC制备原理，包括剔除粗骨料和优化细骨料级配，掺加超细活性矿物掺合料，并通过加压和热养护及添加高强钢纤维等，以达到减小孔隙率、优化孔结构、提高密实度和改善材料延性等目的。

针对国内原材料的实际情况，湖南大学何峰和黄政宇[3]较早地开展了原材料品质及配合比对UHPC强度影响的试验研究，认为配制UHPC宜优先选用52.5级水泥、颗粒粒径在0.35mm以下的标准砂、硅灰、细石英粉、高效减水剂和13mm微细钢纤维（长径比74）；在不掺钢纤维时，通过高温热养护工艺可以制备出抗压强度高达229MPa的UHPC；在掺加3%钢纤维和200OC高温养护下，UHPC抗压强度可接近300MPa。但由于早期配比中硅灰、石英粉、石英砂等高成本原材料的占比较大，热养护温度过高，导致UHPC的制备成本高、生产能耗大。为此，不少国内学者开始尝试利用常规、廉价的大宗材料和传统养护手段来制备UHPC。武汉理工大学胡曙光等[4]掺入占胶凝材料总量48%的钢渣粉、超细粉粉煤灰和硅灰，采用普通细河砂替代石英砂，再通过90OC热水养护72h，在0.18的水胶比下制备出了抗压强度达152MPa和抗折强度达27.9MPa的UHPC。东南大学孙伟院士课题组在制备UHPC时，也不断改进设计理念和制备路线，如采用超细工业废渣取代磨细石英粉和硅灰，利用天然砂替代磨细石英砂，采用标准养护或热水养护，通过优选外加剂使拌合物具有自流平自密实的特征，最终成功研制出200MPa级的UHPC材料并用于实际工程[5]。鲁亚等[6]采用铜尾矿原矿取代50%细砂或采用磨细铜尾矿粉取代部分水泥和粉煤灰，掺入2.5%钢纤维，制备出了抗压强度超过160MPa的铜尾矿UHPC，有效降低了制备成本；相比基准UHPC，铜尾矿UHPC的抗弯、抗拉性能均有所提升。近年来，免热养护及含粗集料的UHPC也不断被研制出来。总体而言，绿色生态化和低成本化是目前国内UHPC制备的主要研究方向之一。

1.2 力学性能

强度等力学性能是混凝土材料最重要的性能之一，主要包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、韧性和延性等，其中抗压强度和抗拉强度是最基本的力学性能。视具体情况的不同，UHPC的抗压、抗弯和拉伸强度分别可以在120～800MPa，20～150MPa，6～100MPa的范围内波动。

与普通混凝土一样，UHPC也存在较为明显的尺寸效应。国内学者常采用边长为40～150mm的立方体试件来测试UHPC的抗压强度。总体而言，试件尺寸较小时测得的强度要大于试件尺寸较大时的，但各尺寸试件所测强度之间至今仍未形成确切的比值关系。根据国内检测机构和实验室的测试条件，不少文献建议采用边长为100mm的立方体试块作为标准测试试件[7]。UHPC抗拉强度的测试方法也基本沿用了普通混凝土的常用方法，包括轴心抗拉试验、抗折试验和劈裂抗拉试验。有文献[8]对比研究了3种不同试验方法下的UHPC抗拉强度。结果表明，在相同的钢纤维掺量下，UHPC的抗折强度和劈裂抗拉强度大致相近，并远大于轴心抗拉强度；UHPC轴拉强度和抗折强度之间的比值与普通混凝土的抗拉强度之间的比值较为接近。文献[8]还建议以抗折强度试验作为工程实践中UHPC抗拉强度的间接测试方法。

UHPC的力学性能还受养护方式、材料组成和纤维等的影响。张胜等[9]研究了标准养护、蒸汽养护和热水养护条件对UHPC强度的影响规律，研究结果表明：相比标准养护，湿热养护能有效改善水泥基体与钢纤维的界面粘结，热养护下UHPC不同龄期的抗压强度和抗折强度均明显高于标养后的。因此，为了增大超细矿物掺合料的火山灰反应程度、提高UHPC的强度，高温、加压养护制度是非常重要的手段。万朝均等研究了不同水胶比、钢纤维掺量对UHPC抗压强度、抗折强度和拉伸性能的影响[10]。结果表明，在UHPC尚未达到最大密实度时，随着水胶比由0.12增大至0.22，UHPC的7d和28d抗压和抗折强度均表现为先升高后降低的趋势，当水胶比为0.18时，可获得最佳抗压强度；此外，掺入钢纤维可以显著提高UHPC的抗压强度和抗折强度，但纤维掺量过大（超过3%）也会导致施工性能、力学性能下降。朋改非等[11]通过直接拉伸试验和三点弯曲试验研究了钢纤维掺量和类型对UHPC增强增韧效果的影响，发现异形钢纤维能大幅提升UHPC的抗拉强度、断裂能和裂后承载能力，且提高幅度随其掺量增加而增大；相比于端钩型钢纤维，波纹型钢纤维的增强增韧作用更佳。UHPC的抗拉强度还与纤维的分散与取向特征有关，与随机分布相比，钢纤维沿拉应力方向有序分布时更有利于UHPC的增强增韧。王强通过改变钢纤维在UHPC拌合物中的排列取向，发现拉伸断面上钢纤维取向角系数与抗拉强度有明显的线性关系；其中，顺拉伸方向浇筑的UHPC抗拉强度达到12.4MPa，比随机分布浇筑和垂直拉伸方向浇筑分别高20%和51%[12]。

1.3 耐久性能

耐久性是评价UHPC性能的一项重要指标。已有大量文献表明，低水胶比低和高度致密的内部结构使得UHPC具有极低渗透性、较高的抗有害介质侵蚀和良好耐磨性。刘斯凤等[13]通过对UHPC耐久性进行研究，发现高压养护的UHPC浸水90d后抗压强度仅下降0.5%，标准养护和热水养护的UHPC抗压强度不降反升，此外UHPC还表现出优异的抗碳化性能、很高的抗冻融性能和耐卤水腐蚀能力，认为UHPC耐久性远优于其他水泥基材料。文献[14]采用透水法研究了不同裂缝形态下UHPC的水渗透性能，认为UHPC所具有的微裂缝、多点开裂模式使其在含裂缝状态下仍具有很好的水渗透性能。近期，北京交通大学安明喆教授团队[15-16]系统研究了海洋环境下海水侵蚀、冻融循环和干湿循环等单一因素及耦合因素作用对UHPC力学性能的影响规律，发现UHPC耐硫酸盐、氯盐，在氯盐冻融循环与侵蚀耦合作用下仍具有良好耐久性。也正是由于UHPC具有超高的力学性能和优异的耐久性能，因而非常适合作为恶劣环境下混凝土结构的主体或防护材料。

2 我国超高性能混凝土的应用进展

UHPC自问世以来不断被应用于实际工程。在国外，UHPC已在建筑、桥梁、核电、市政和海洋等众多领域得到广泛应用，著名工程案例有如1997年建成的加拿大魁北克省布鲁克（Sherbrooke）人行桥、2012年建成的韩国Super BrigdeⅠ斜拉桥和LEGO公路斜拉桥等。中国在UHPC提出后不久，其应用领域也逐渐开始推广。从2003年起，UHPC被用于沟盖板、桥梁、人行天桥、高速公路桥面和维修等领域。

2005年，在沈阳西科硅有限公司工业厂房扩建工程中，采用C140级UHPC制作了329件预制构件，其中梁84片、楼板245件，均为预应力大体积构件。这次扩建工程中的UHPC预制构件被认为是UHPC在我国工业建筑上的首次规模化应用，并标志着UHPC在我国开始由试验研制阶段向生产应用阶段转化。

铁路工程中的电缆槽盖板是我国UHPC最大的用途之一，为此原铁道部科学技术司还专门发布了 《客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》。2011年，中铁十九局在石武客专河南段的电缆槽盖板中大量使用了UHPC，该工程盖板制品生产任务达6600块/日，UHPC盖板的设计性能指标为抗压强度≥130MPa、抗折强度≥18MPa、弹性模量≥48GPa和抗冻标号＞F500等[17]。此外，UHPC也成功地应用于京石客运专线盖板工程中，利用42.5级水泥、0～1mm石英砂、硅灰、I级粉煤灰、钢纤维和早强型聚羧酸高效减水剂等原材料，通过蒸汽养护，制备的UHPC坍落扩展度为550mm，含气量为2.2%，抗压强度为142.9MPa，抗折强度为19.6MPa[18]。据不完全统计，截至2015年，在高速铁路工程中应用的UHPC盖板面积约21.4×106m2，折合混凝土量约535×103m3。

近年来，我国在UHPC的应用上还取得了许多新的突破。2016年1月，湖南长沙建成了世界首座全预制拼装UHPC桥梁，该桥梁全长70.8m（主跨达36.8m）、宽6.5m，全桥仅有两个桥墩。对此，中国工程院院士陈政清教授评价道，“这座桥的竣工，在中国超高性能混凝土工程应用领域是一个飞跃。”2018年6月，武汉华新长山口环保工厂采用华新UHPC产品 “Ductal”浇筑了168根24.54m跨度的预应力预制大梁用于替代传统钢结构梁，系全国乃至全世界范围内最大的UHPC预制梁应用。

除用于制作预制构件外，UHPC现场浇筑应用也在不断发展，其中最为活跃的应用是钢桥中的钢-UHPC组合桥面板。湖南大学邵旭东教授团队自主研发的正交异性钢板-超高韧性混凝土（STC）轻型组合桥面结构，可彻底解决正交异性钢桥面铺装层易破损和钢结构疲劳开裂的世界性难题[19]。STC是一种经过改性、强化的UHPC，具有优异的抗裂性和极低的收缩性，可视作不开裂的结构层。2011年，钢-STC轻型组合桥面结构首次在广东肇庆马房大桥上应用，至2018年，该组合桥面结构已经应用于国内17座桥梁。此外，中铁大桥科学研究院基于UHPC开发的UHPC组合桥面技术也成功应用于铁路桥、公路桥和城市桥中，如2018年5月12日完成的蒙华铁路洞庭湖特大桥钢－UHPC组合桥面铺装工程，现场总铺装面积为12000m2，系世界范围内首次将UHPC组合桥面技术应用于铁路桥梁。

此外，UHPC在桥梁声屏、建筑物外墙挂板、铁路轨枕、商业家具等领域也有应用，如深圳深业上城中心使用了总面积达20000的UHPC外墙挂板，挂板采用Ductal有机纤维，无需热养护，并配有钢筋。

3 结语与展望

UHPC从首次被介绍到国内到现在已有20年的历史，国内研究人员紧跟国际学术前沿，开展了大量的UHPC研究。目前UHPC的配合比及制备技术已然不再是秘密，其优异的材料及结构性能也已得到大量研究结果的证实。在国内众多学者及工程技术人员的不懈努力下，UHPC在工程应用上也取得了许多突破。但与国外相比，我国UHPC总体的应用规模仍较小，且仍以工厂预制和现场拼装为主。总体而言，材料价格高昂、缺乏相关的技术标准、UHPC研究较为分散是目前制约UHPC在国内工程中普及的几个重要原因。因此，为进一步推动UHPC的规模化应用，仍须在诸多方面进行努力，如：

（1）着重开展经济性研究。一方面，UHPC的制备成本较高，应着重研究利用常规材料和简单工艺，制备出满足更多要求的UHPC；另一方面，由于UHPC性能大幅提升，能一定程度减少结构本身材料的使用量、减轻结构自重和提高服役年限，但需进行定量化研究，提高说服力；

（2）加快制定标准或规范。在国内工程建设的大背景下，UHPC很难在没有标准或规范指导的情况下实现规模化应用。近年来，UHPC应用在中国不断升温，部分地方、团体和行业标准已经发布，而更多的标准、规程正在不断制订和更新之中，如《超高性能混凝土结构技术规程》《超高性能混凝土 （UHPC）技术要求》等。随着标准的制订，UHPC应用将会得到较快和长远的发展；

（3）加强系统性研究和项目合作。目前国内对UHPC的研究较为分散，不利于形成系统性、指导性的研究成果，一定程度上延缓了其在工程领域的应用。随着研究投入的加大和研究人员的不断增加，研究的广度、深度与系统性也不断提高，将为UHPC应用和推广奠定坚实基础。

目前，中国仍处于大规模建设时期，对节能减排、可持续发展日益重视，对混凝土性能的要求也不断提高。随着UHPC逐步向超高强、超高韧性、高耐久、低成本、绿色生态和可持续化方向发展，未来UHPC必将展现出更为广阔的应用前景。