超高性能混凝土的研究和应用综述

郑倩 ZHENG Qian；李世华 LI Shi-hua；梁丽敏 LIANG Li-min；田帅 TIAN Shuai

（①云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司，昆明650501；②云南省高性能混凝土工程研究中心，昆明650501）

0 引言

随着社会经济的快速发展，建筑物和构筑物的高度、跨度不断增加，结构的复杂化对土木工程材料提出了更高的要求。超高性能混凝土（UHPC）是一种超高强度、高耐久性的工程材料，其抗压强度一般大于120MPa，并且通过大量使用不连续（钢）纤维实现开裂后硬化行为[1]。UHPC 的主要特点是高填充密度和低水胶比（w/b）。高填充密度是通过去除粗骨料和使用其他具有高细度的细骨料和辅助胶凝材料来实现的。UHPC 因其优异力学性能，能大幅降低承重结构自重，延长建筑物和构筑物使用寿命等优点。具有在大跨径桥梁、抗爆结构、薄壁结构、抗震结构、超高建筑以及高腐蚀环境中的应用与发展前景。

但UHPC 具有水胶比低，胶凝材料用量大且不加入粗骨料等特点，使得UHPC 的粘度增大，流动性降低[2]，导致超高性能混凝土拌合物在泵送过程和施工过程中难度增大、早期收缩量大[3]。因此全面分析UHPC 工作性能和早期收缩的影响因素，探求原材料对UHPC 工作性能的影响规律，采取有效措施实现UHPC 良好的工作性能并保证UHPC 工作性能的稳定性，抑制UHPC 的早期收缩使其体积稳定，是现阶段推动UHPC 规模化生产和工程应用的重中之重。本文将从原材料、工作性、早期收缩性几方面阐述目前UHPC 的研究现状，以期给工程实际应用带来一定的参考。

1 超高性能混凝土的研究现状

1.1 原材料

经过几十年的发展，配制UHPC 最常用的方法之一是：水泥+辅助胶凝材料+低水胶比（w/b）+细骨料+外加剂+钢（或有机）纤维。其关键原则是提高拌合物的均匀性和堆积密度。通过去除粗骨料可以提高拌合物的均匀性，使得在载荷作用下产生的应力分布更均匀。通过优化原材料的粒度分布，使小粒径的颗粒填充在较大颗粒之间的空隙，以达到提高拌合物的堆积密度的效果。由于低水胶比和辅助胶凝材料的火山灰效应，UHPC 可以获得更加致密的微观结构，从而获得优异的性能。添加钢纤维则有助于提高拉伸强度和UHPC 的延展性。

1.1.1 胶凝材料

UHPC 所用水泥的选取应考虑需水量、水化热、与高效减水剂相容性等问题。降低水泥中C3A 的含量、以及选取适合的水泥细度[4]，控制水泥的比表面积，以保证水泥具有较小的需水量。减少钙矾石的形成，降低水泥水化热[5]。并且现阶段胶凝材料的研究正朝着低成本、低能耗的方向发展。胡曙光等[6]掺入质量比48%的钢渣粉，在0.18 水胶比下经90℃热水养护制备出UHPC，其抗压强度可达152MPa。张吉松[7]掺入30%的稻壳取代水泥制备UHPC，可以基本保持与对比试件（未掺稻壳）相同的抗压和抗折强度。采用工业废渣铜矿尾粉作为辅助胶凝材料，其掺量大于15%时，可提高试样后期的抗压强度[8]Chan[9]研究表明，硅灰的最佳配比在20~30%时，可以降低UHPC 中氢氧化钙的含量，改善纤维-基体的结合，并增加UHPC 的抗压和抗弯强度[10]，但也有研究使用10%的硅灰使UHPC 的28d 抗压强度超过150MPa。事实上，最佳硅灰配比高度依赖于水胶比，水胶比越低，则硅灰配比越低[11][12]。较高的硅粉含量会导致粘度增加和材料成本增加。

1.1.2 细骨料

为了解决制备UHPC 所产生的的环保和成本问题，使UHPC 朝着经济型和生态型发展，提出了采用机制砂或工业矿尾渣等代替天然砂。铜渣具有优良的力学性能、良好的耐磨性和良好的稳定性，Khalifa S[13]等人建议使用质量比高达40-50%的铜渣取代部分细骨料，以获得具有良好强度和耐久性要求的混凝土。当把铁尾矿砂用作细骨料时，标准养护条件下制备出的UHPC，抗压强度最高能达到138.0MPa[14]。但如果骨料太细，其比表面积就越大，水泥浆能包裹的骨料就越少，拌合物的粘度增大导致流动性降低。J.Ma[15]等人采用粒度为2-5mm 的玄武岩制备UHPC，其抗压强度达到了与最大骨料尺寸小于1.0mm 的UHPC相同的数量级。

1.1.3 外加剂

超高性能混凝土拌合物需要相对高剂量的化学外加剂，最常用的是高效减水剂（HRWR）。减水剂掺量为3%时，得到的UHPC 强度最高，减水剂掺量为4%所制备的UHPC 工作性能最优[16]。王毅等[17]采用马来酸酐（MAH），二乙二醇单丁醚，甲基丙烯酸-聚乙二醇单甲醚酯大单体（MPEGnMA）为主要聚合单体，合成了具有降粘效果的聚羧酸减水剂。采用添加膨胀剂和减缩剂来改善由于低水胶比、去除粗骨料而造成的早期收缩大、易开裂问题[18]。邓宗才[19]等人发现UHPC 掺质量比6.0%的HP-CSA 膨胀剂时抑制自收缩效果最佳，28d 减缩率达93. 6%；减缩剂SBT-SRA（I）质量比为1.5%时减缩效果最佳，28d 减缩率为43.0%；但膨胀剂与减缩剂双掺时未产生协同效应。

1.1.4 纤维

UHPC 优异的抗拉性能和弯曲韧性主要源于纤维的掺入。S-T.Kang[20]等发现钢纤维体积掺量在0%~5%范围内，UHPC 的抗拉强度随纤维掺量的增加呈线性增长。但钢纤维过多的加入会在UHPC 搅拌过程中发生纤维结团，导致UHPC 的工作性能降低，最终影响UHPC 的力学性能[21]。为了平衡纤维掺量与UHPC 力学性能的关系，对纤维的掺量、组合及排布方向做了大量的研究。SH Park[22]等探究了混合纤维对UHPC 拉伸行为的影响。粗纤维的体积掺量保持在1.0%，而微纤维的体积掺量从0.0%到1.5%不等。尽管添加微纤维有利于应变硬化和多重开裂行为，但UHPC 的拉伸应力-应变曲线的整体形状主要取决于粗纤维的类型。掺有扭曲几何形状粗纤维的UHPC 在开裂后强度、应变能力和多重微裂纹行为方面具有最佳性能，而掺有长而光滑粗纤维的UHPC 表现出最差的性能[22]。与主拉伸应力方向相对应的纤维排列可以大大提高UHPC 的力学性能，尤其是弯曲和拉伸性能。与具有随机纤维取向的UHPC 相比，具有纤维排列的UHPC 的准静态弯曲强度、韧性和拉伸强度可分别提高10%~80%、20%~100%和30%~90%[23]。

1.2 工作性

超高性能混凝土由于其特殊的原材料体系和配合比参数设计，在保证力学性能和耐久性能等满足设计要求的同时，具有良好的工作性能是实现工程应用的一个重要环节。影响超高性能混凝土工作性的主要因素包括水胶比、胶砂比、钢纤维、外加剂及胶凝材料的性能等。

沈锐[24]等人系统研究了不同水胶比、细骨料级配以及粗骨料取代细骨料的比例对UHPC 工作性能的影响。研究表明通过改变骨料的级配来降低骨料比表面积、提高水胶比可提高UHPC 的流动性，但会降低UHPC 的抗压强度。当细骨料部分被粗骨料取代时，UHPC 的工作性能得到改善。卢喆[25]等人分别分析了材料的组成（水胶比、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂）对UHPC 的工作性能的影响。结果表明，水胶比对UHPC 工作性的影响最显著，水胶比越大，UHPC 的流动性越好；钢纤维对UHPC 工作性的影响最小。程宝军[26]等探究了砂胶比、水胶比对自密实UHPC 流动性的影响，试验发现，粗骨料在一定范围内取代细骨料时（取代率为20%~40%），随粗骨料掺入量的增加，骨料比表面积呈下降趋势，表面浆体厚度提高，从而导致UHPC的流动性提高。李欢欢[27]采用最紧密堆积理论进行UHPC配合比设计，并对减水剂与水泥的适应性进行了试验研究。结果表明：合理的细骨料颗粒级配能够改善UHPC 拌合物的自密实性，有利于其硬化后的力学性能；UHPC 的工作性能表现规律与所加减水剂的适应性检验的结果相吻合。提前进行减水剂与胶凝材料的适应性检验，可以正确指导减水剂的选择。

纤维在超高性能混凝土中除了增强增韧之外，钢-聚乙烯混杂纤维、纯钢纤维等不同种类、纤维的形状和长径比、纤维掺量等也会对UHPC 的工作性能产生极大影响。UHPC 坍落扩展度随钢纤维掺量增加呈直线下降。钢纤维掺量越高，UHPC 的流动性越差，其主要原因是钢纤维的掺入增加了纤维之间、纤维与骨料之间的摩擦力，使混凝土内部摩擦力显著增大，从而导致UHPC 的工作性变差。黄政宇[28]等人研究了不同长度（13、16、20mm）的弓形纤维对UHPC 工作性的影响。实验发现单掺定量纤维，UHPC的流动性随长径比增大而递减。异形纤维对其流动性的降低幅度比等掺量圆直形纤维提高了约10%~22%[29][30]。纤维端部形状越曲折，流动性越小[31]。综合来看，随着纤维掺量的增加，混凝土的工作性降低趋势越明显，随着纤维长径比的增大，纤维对UHPC 流动性的影响增大，而纤维形状对工作性的影响较小，影响UHPC 工作性最主要的因素为纤维掺量[32][33]。此外，原材料组成对超高性能混凝土流动性、强度性能以及自收缩、干燥收缩等变形性能具有较大的影响。由于硅灰与高效减水剂共同使用时表现出来的复合减水效果，随着硅灰掺量的增加，UHPC 的流动性呈现逐渐增大的趋势。由于石英粉颗粒外形粗糙且不规则，所以UHPC 拌合物的流动性随着其掺量的增加而减小。砂胶比的增加意味着细集料的增多，随着细集料比表面积的增加，能够包裹集料的浆体相对减少，导致UHPC 拌合物流动性逐渐降低。关于减水剂对拌合物工作性的改善，减水剂掺量存在一个最佳临界点，当超过最佳掺量时对流动性的改善效果并不明显[34]。

综合目前关于UHPC 工作性能的影响因素研究，主要集中在配合比参数，如水胶比、钢纤维掺量等，忽略了UHPC 的原材料对工作性能的影响。在水泥、辅助胶凝材料、外加剂、骨料等方面，胶凝材料的标准稠度用水量、需水量比、骨料的种类和级配及外加剂的复配等均对工作性能有较大的影响。此外，UHPC 的工程应用环境对拌合物工作性能具有较高的要求，特别是在涉及到高温等特殊气候环境的工程应用，对UHPC 的工作性和工作性保持能力要求较高，一方面需要满足浇筑施工的要求，另一方面，保证拌合物具有良好的填充能力，使硬化成型后的混凝土结构具有良好的密实性。因此开展UHPC 特定材料和在特定环境的研究就尤为重要。

1.3 早期收缩性能

超高性能混凝土由于其胶凝材料用量大、水胶比低的特点，在早期极易由于失水、水化反应和放热速率过快引起早期自收缩量较大、体积稳定性差的问题。关于超高性能混凝土的早期收缩性能的问题，国内外学者已经做了大量的试验研究。

关于如何抑制UHPC 的早期收缩量以及体积稳定性不良等问题。一般从以下两个方面进行考虑：①减小UHPC 的早期水化反应引起的化学收缩、自收缩及干燥收缩等，并提高UHPC 的早期强度以抵抗收缩引起的开裂应力；②降低UHPC 表面的水分蒸发速率，使得UHPC 内外水分移动平衡，减缓干燥速率。对于抑制UHPC 的早期塑性收缩开裂的具体措施，以降低收缩和补偿收缩为出发点。在优化配比以降低其早期收缩的方法上，吴林妹[35]、冯浩[36]等人分析了矿粉、粉煤灰、水胶比、钢纤维掺量及外部环境温湿度等因素对UHPC 的早期塑性收缩的影响，研究表明为降低UHPC 早期塑性收缩，可以选用早期强度相对较高、干燥收缩小的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。硅灰与粉煤灰是UHPC 必要的组成成分，但应严格控制其掺入量。UHPC 的早期塑性收缩值随硅灰的掺入量增加而增大；而粉煤灰在一定范围内掺入量越大，其越有利于抵抗早期塑性收缩。

其次在补偿收缩的方法上，可以考虑外加剂的应用，利用膨胀剂制成超高性能收缩补偿混凝土，也能够很好的解决UHPC 的早期收缩大的问题。黄政宇[28]等开展了不同水胶比与钢纤维掺量下掺入HCSA 和UEA 的UHPC 的性能研究，结果表明：当UHPC 的水胶比为0.18 时，8%~10%掺量的HCSA 能有效解决UHPC 常温养护收缩大的问题；HCSA 与钢纤维共同作用能够有效降低UHPC 的收缩；相比UEA，HCSA 膨胀效果与稳定性更好[37]。可见，对于UHPC，HCSA 膨胀剂可能是补偿收缩的有效技术手段之一[38]。但当HCSA 膨胀剂掺量大于8%时，会出现UHPC 的强度降低和体积不安定问题，刘路明[39]等人研究了膨胀剂单掺、内养剂单掺、两者复掺对 UHPC 的流动性、凝结时间和自收缩的影响。结果表明：加入内养剂可以提高掺膨胀剂UHPC 的流动性并延长凝结时间，能进一步改善掺膨胀剂掺量大时UHPC 的体积安定性。因此膨胀剂与内养剂复掺是一种降低UHPC 自收缩的方法。潘家铮院士曾指出MgO 的膨胀作用原本属于可能危害混凝土体积稳定性的因素，但一定量的MgO 可以用来补偿混凝土温降收缩和自收缩以达到大体积结构抗裂的目的。徐真才[40]采用掺氧化镁膨胀剂，对UHPC 收缩性能进行调控，对比在不同养护温度（20℃，38℃）下不同活性氧化镁膨胀剂对UHPC 收缩性能的影响，发现20℃和38℃养护温度下，高活性氧化镁膨胀剂对UHPC 自收缩有较好的补偿效果，且随着掺量的增加，补偿效果越好。同时，相比于常温养护温度，高温养护下高活性氧化镁膨胀剂对UHPC 的补偿收缩效果更好。不同活性氧化镁膨胀剂均会导致UHPC 的28d 抗压强度降低，且随着掺量越大，抗压强度降低的幅度越大。

上述研究结果表明，UHPC 的水胶比相较于普通混凝土更低，水化反应造成毛细管中水分不饱和，形成毛细孔负压，导致自收缩的产生。目前比较成熟的做法为采用补偿收缩特性来降低收缩。但是市面上的混凝土膨胀剂种类繁多，且各膨胀剂存在各自的优缺点，另外关于采用膨胀剂降低超高性能混凝土早期收缩并调控其工作性能、力学性能是需要解决的问题。

2 超高性能混凝土工程应用技术研究

在国外，UHPC 已被广泛应用于在建筑、桥梁、核电、市政和海洋等众多领域，UHPC 应用的突破包括 1997 年建成的加拿大魁北克省布鲁克（Sherbrooke）人行桥[41]，在法国Cattenom 和Civaux 核冷却塔的侵蚀性环境中更换腐蚀钢梁[42]和法国的 Bourg-les-Valence 桥[43]。UHPC 先进的力学性能和耐久性使人们重新考虑许多常见桥梁部件的传统设计方法。对超高性能混凝土构件的优化设计进行了许多调查，导致世界各地都在开发和建造超高性能混凝土桥梁。2002 年，韩国仙游人行天桥采用UHPC 建造，主跨120m[44]，成为世界上使用UHPC 建造的最长跨桥，其施工所需材料量仅为传统混凝土施工中所用材料的一半左右，但仍能提供相当的强度性能[45]。还有2012 年建成的韩国Super Brigde Ⅰ斜拉桥[46]和 LEGO 公路斜拉桥[47]等。大多数UHPC 结构只需要传统钢筋的一半截面深度，这将其重量减轻了约70%，并且实施简单，耐久性更好[48]。

从2003 年起，UHPC 在中国被用于人行天桥、桥梁、高速公路桥面和维修等领域，并在应用上取得了许多新的突破。2018 年6 月，武汉华新长山口环保工厂采用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。除用于制作预制构件外，UHPC现场浇筑应用也在不断发展，湖南大学邵旭东教授团队为解决正交异性钢桥面铺装层易破损和钢结构疲劳开裂的难题，研发了钢板-UHPC 轻型组合桥面结构，在之后成为了现场浇筑中应用较多的结构[49]。2011 年，钢-UHPC 轻型组合桥面结构首次在广东肇庆马房大桥上应用[50]。2018 年5 月12 日完成了采用钢-UHPC 组合桥面结构的蒙华铁路洞庭湖特大桥铺装工程[51]，系世界范围内首次将钢-UHPC组合桥面技术应用于铁路桥梁。2017 年，双高速东丰至双辽段（东双高速）S102 分离立交桥采用UHPC 在桥面铺装。UHPC 在桥面铺装中的施工工艺主要包括超高性能混凝土的浇筑、振捣、抹面、覆膜、洒水养生、拉毛、加铺沥青面层。[52]

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。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 发展的重要原因，所以亟须根据不同地区或特定材料来发展UHPC 的本土化应用。UHPC 的应用和发展，还需要多方共同的努力。

3 结论

超高性能混凝土（UHPC）原材料的选择非常关键，混凝土的工作性和早期收缩特性很大程度上就受原材料的影响。在实际工程应用中要结合施工环境和泵送高度等实际问题合理选择原材料及调整配合比，且在配合比设计时考虑收缩带来的负面影响，使用膨胀剂达到补偿收缩的效果，减小开裂的可能性。UHPC 的工作性和收缩开裂问题、复杂气候环境下UHPC 的配合比设计等仍有较大研究空间，形成UHPC 系统的研究和应用指导方案。