超高性能混凝土研究综述

申久成，赵江，高益乐，张翰林，朱志彬，卜亚伟

（南京工程学院 建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,以下简称UHPC），是一种纤维增强水泥基复合材料，一般是由水泥、细集料、纤维、矿物掺合料、高效减水剂等加水后进行拌合， 再经过凝结硬化后形成的一种具有超高抗压强度、 抗拉强度等力学性能和较高耐久性能的混凝土，应用于道路、桥梁、水利等重大工程项目之中， 对于推动土木工程材料的发展有着重大意义，应用前景十分广阔。

1 UHPC 的发展历程及其应用

1.1 UHPC 的发展历程

在20 世纪前半叶，混凝土的平均抗压强度能够达到 40 MPa；到 70 年代，Yudenfreund 的团队使用超细磨水泥并使用真空搅拌技术研制出了一种抗压强度能够达到240 MPa 的水泥石；70 年代末，减水剂和高活性掺合料的开发应用， 使得混凝土的强度能够达到60 MPa。接着，人们发现在混凝土中加入一些纤维（大多使用钢纤维）能够明显改善混凝土的抗拉强度， 这种混凝土又被称作为纤维增强混凝土；80 年代末，一些发达国家针对于混凝土的耐久性设计出高性能混凝土。 Birchall 等提出了无宏观缺陷(MDF)水泥基材料，抗压强度能够达到 200 MPa。 20 世纪 90 年代，法国的 Bouygues 公司在超细密集填充混凝土（DSP）和纤维增强混凝土研究的基础上，研发了活性粉末混凝土（Reactive Power Concrete, RPC）。1994 年，Larrard 等首次提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念。 在之后的研究中， 以RPC 制备原理为基础的UHPC 材料的研究应用成为当今水泥基材料发展的主要方向之一[1]。

1.2 UHPC 的工程应用概况

UHPC 在国内最早的应用是在客运专线的电缆沟盖板上，例如京沪高速铁路就使用了UHPC 制作的盖板。之后UHPC 开始逐步应用到了桥梁与建筑上。如宁波机场路南延市政道路和轻轨一体化高架箱梁接缝连接，上海嘉闵高架预制装配式结构的梁与梁之间、盖梁与墩柱之间的接缝连接等。 截至2018 年年底， 国内已有60 多座钢桥应用了钢-UHPC 复合桥面。首次应用钢-UHPC 复合桥面的是广东肇庆马房大桥。 目前， 钢-UHPC 复合桥面是UHPC 应用规模最大的工程项目。 2018 年至2019年，深圳的悦彩城展中心幕墙、余杭文化艺术中心幕墙、 上海音乐学院歌剧院幕墙都采用了UHPC，这又补充了国内UHPC 在建筑领域的空席。

2 UHPC 的制备

2.1 UHPC 的制备原料及其性能分析

2.1.1 胶凝材料

制备UHPC 的水泥应采用含碱量较低、C3A 和C4AF 含量较少的优质硅酸盐水泥。 矿物掺合料一般选用硅灰，硅灰在UHPC 中起到了填充作用，还可以与水泥水化产生的Ca（OH）2发生二次水化，生成水化硅酸钙，使UHPC 的内部结构更加密实。

但是当UHPC 中的水泥用量过大时， 会产生大量的水化热，UHPC 的内部结构会受到温度应力的影响而产生裂缝； 大量使用硅灰也会使生产成本大大提高。 粉煤灰在UHPC 中也可以发挥填充效应、活性效应以及微集料效应。 在水化早期，粉煤灰几乎只发生形态效应和填充效应， 到了水化后期，粉煤灰才会与Ca（OH）2产生二次水化反应，提高UHPC 的力学性能。 丁庆军[2]等人研究发现，当固定胶凝材料总量和硅灰掺量不变时， 逐渐降低水泥用量、提高粉煤灰微珠的掺量，能够降低水泥浆体的剪切应力和和塑性黏度。

2.1.2 钢纤维

人们在不断研究中发现，钢纤维能够极大改善UHPC 的力学性能， 目前钢纤维已经成为UHPC 制备不可缺少的材料。 钢纤维的掺量和形状对UHPC都有一定影响。 研究表明，当体积掺量小于3%时，UHPC 的弹性模量和抗压强度都随其增大而逐渐增大。 过高的纤维掺量会使得纤维在基体中难以分散开来，分布不均，纤维发生团聚，降低UHPC 的流动性，因此钢纤维的最佳体积掺量为2%。

钢纤维形状可分为直线型、波纹型和端钩型。纤维的长径比对于UHPC 的性能也有一定影响，宋焱[3]通过对UHPC 的纤维抗拉性能研究得出结论： 短纤维对RPC 的力学性能的增强最大。 何稳[4]研究发现， 向UHPC 中分别掺入2%的直线型、波纹型和端钩型钢纤维时，UHPC 的韧性指数提高，韧性逐渐加强； 当钢纤维体积掺量保持2%不变时， 随着短纤维体积掺量的增加，UHPC 的流动性先上升后下降， 抗压强度和抗折强度先提高后降低，UHPC 的冲击破坏压缩程度逐渐提高。

2.1.3 减水剂

高效减水剂的种类主要分为萘系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、脂肪族高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂4 种。 目前UHPC 中主要用聚羧酸系高效减水剂。 沈雅雯[5]研究高效减水剂对预拌混凝土早期收缩变形的影响，发现聚羧酸系高效减水剂在保持混凝土配合比不变的情况下，对混凝土的早期收缩有正面效应，合理掺入高效减水剂能够提高水泥拌合物的流动性，降低用水量，改善混凝土的工作性和耐久性。

2.2 UHPC 的生产工艺

常规制备UHPC 的工艺方法是：将胶凝材料、细集料、钢纤维等倒入搅拌机进行搅拌，再加入水和高效减水剂搅拌直至成流态混凝土。 马来西亚推荐的搅拌工艺是先将粉末和集料均匀化，然后加入水和外加剂进行搅拌，将浆体搅拌均匀后再均匀地加入钢纤维。 搅拌最终就是要将集料以及钢纤维均匀分散开，不使钢纤维聚集成团。 刘娟红[6]在研究活性粉末混凝土的制备中， 认为先加入石英砂和钢纤维，再加入胶凝材料，最后加入水和外加剂搅拌至均匀的UHPC 性能较好。 如果对UHPC 的性能有较高的要求，还可以采取真空搅拌，以减小孔隙率，改善UHPC 的力学性能。

毛军[7]等人研究发现，养护制度对活性粉末混凝土力学性能有很大的影响，UHPC 一般采用高温蒸压养护，相较于普通养护制度，高温蒸压养护能够促进UHPC 的水化反应， 生成更多的水化硅酸钙，减小钙矾石和Ca（OH）2的体积，孔结构得到优化，力学性能得到改善。 胡功球[8]研究了不同养护制度下UHPC 的收缩，试验表明，在标准养护下的UHPC 早期收缩较大， 在进行65 d 的标准养护后得到收缩值为 1 490 με。50 ℃热养护的 UHPC 收缩值远远小于标准养护。 Dallaire[9]等研究表明，RPC试件在加压至50 MPa 和400 ℃的条件下养护48 h后，其抗压强度可达到500 MPa。

3 中国UHPC 标准化工作进展

中国的UHPC 标准化工作起始于2006 年，即《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》。2015 年，中国国家标准化管理委员会发布了《活性粉末混凝土》。 从2016 年开始，中国关于UHPC 标准工作开始密集展开。 中国混凝土与水泥制品协会（CCPA）开始组织编制通用性的UHPC 标准规范体系，2018 年完成发布了T/CBMF 37、T/CCPA 7-2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》，距离形成基本的UHPC 团体标准体系已经不远。

4 结语

随着国内外对于UHPC 研究的深入，UHPC 的理论体系正趋于成熟，近5 年间，中国UHPC 在钢桥面铺装、装配式桥梁预制构件连接、钢-UHPC 组合桥梁方面的应用，已具有一定规模；在建筑幕墙或外立面、装配式建筑预制构件连接、工业建筑耐腐蚀结构、混凝土结构维修加固、水工结构抗冲磨等方面的应用已取得重要进展。建议未来可以在装配式建筑、结构维修加固和创新建筑与结构方面进一步开展研究工作。