UHPC 超高性能混凝土制备及工程应用研究

王小林

（赣州城投工程管理有限公司，江西 赣州 341000）

1 UHPC 制备原理

1.1 提升均质性

对于大部分的固态材料而言，其理论压缩强度通常为其弹性模量的0.1-0.2 倍，而实际测量值只有（0.1-0.2）×10-3倍。二者的差异很大，这是由于其内部组织不完整，缺陷增多所致。要想使UHPC 的强度和耐久性得以充分发挥，首先就应确保UHPC 内部的均质性。所谓均质性是指材料的结构和性质能够在宏观上保持高度均匀，不会存在较大差异，材料的整体力学性能可以得到充分发挥。普通混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料和水按一定比例混合搅拌而成，之后通过泵送进入模具中，成型为立方体、棱柱体等形状。由于普通混凝土中的细骨料含量很高，其表面粗糙，其棱角也比较尖锐，且表面吸附的水较多。这样，在水泥浆中便存在较多的孔隙和微裂缝，同时混凝土的密实性也会降低，因此在浇筑成型后，便会导致内部结构不均匀[1]。要想使UHPC 的均质性得以提高，在原材料中加入适量的超细矿物骨料是很有必要的，因为这种骨料的表面通常会粗糙，且表面吸附较多水分，同时其自身具有较高的弹性模量，这些特点都有利于提高混凝土的力学性能。

1.2 提升堆积密度

在UHPC 的制备中，根据其对堆积密度的要求，通常都会选用高流动性的水泥和骨料。在体积率一定的情况下，颗粒越大，则堆积密度越高。如果在一个颗粒中加入了其他的材料，其密度也会增加，这就是堆积密度受到颗粒大小的影响。按照晶体学的理论，当两个原子在同一空间内排成一条直线时，它的压缩系数是0.68，而最密的一条直线，它的压缩系数也是0.74。为了提高填充密度，通常会在大颗粒和小颗粒之间添加合适的颗粒。这样就能确保填满合适的位置，剩余的位置也会有相应的次序，让整个空间变得最密集[2]。

1.3 改善微观结构

在进行超高性能混凝土的制备过程中，为确保其微观结构的稳定性，在前期需要进行水化反应，同时也会在水泥水化过程中产生一定量的硅酸钙水化物。经过长时间的水化反应后，会在水泥石中形成一定量的活性成分。超高强度混凝土浇筑完毕后，必须进行高温养护，才能加快水化过程，并将火山灰的效果发挥到最大。对于200MPa 以上的超高性能混凝土，在20℃-90℃环境下，仍需进行水化产物尚未定型的常温养护。随着温度的逐渐上升，火山灰作用逐渐增强，其微结构也随之发生显著改变，尤其是有害孔体积逐渐减小，孔隙逐渐变细。

2 UHPC 的制备

2.1 制备阶段配合比的设计

2.1.1 基本原则

制备阶段配合比的设计应遵循以下原则：

1.要满足UHPC 强度与耐久性的要求，其强度要达到≥200MPa，且具有高韧性、高抗拉等性能。

2.UHPC 中材料组成要多样化，其中包括水泥、活性掺合料以及纤维等。水泥选用高性能水泥，同时加入一定量的粉煤灰和硅灰；活性掺合料的选择要以硅灰为主，同时也可考虑加入一定量的粉煤灰；纤维材料可以选用钢纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，加入量一般控制在0.3%-0.5%[3]。

3.要保障UHPC 中各组分的均匀性，确保各组分的含量都在最佳值，不能出现过多或者过少的现象。

4.组分的细度应适当提升。UHPC 中各组成材料的细度通常有两种：一种是指材料颗粒的平均粒径，即在纳米级范围内；另一种是指材料颗粒之间的空隙率，即在微米范围内。通常情况下，由于组成材料颗粒间的空隙率较大，使得材料内部的缺陷比较明显。

5.在保证UHPC 各项性能指标达标的情况下，尽可能地降低水灰比。由于UHPC 中的各组分在硬化时都会受到自身化学性质的影响，导致水灰比过大，进而使得水化产物的堆积密度增大，由此使得材料内部的缺陷得到充分的释放。

2.1.2 制备方案

1.精选原材料。经比对选择水泥，宜采用硅酸盐或普通硅酸盐水泥。经比选外加剂，可选用萘系、聚羧酸系、硫铝酸盐等。经比对选择骨料，采用强度等级为32.5 级的普通碎石。经比选掺合料，选用硅灰、粉煤灰、矿渣粉和超细矿粉等。在实际应用中，通常要对水泥和相关的减水剂等进行较为科学的调整，确保两者之间能够互相适合。随着混凝土的逐渐增强，其极限承载能力的降低，其失效形式更加突兀，是一种毫无预兆性的失效形式，给结构带来了极大的损伤。为了让混凝土自身的抗折性能及韧性不断提升，需适量加入一些微细高强钢纤维，在增强混凝土自身的韧性的同时，也能让其抗冲击能力不断增加，确保整体破坏能够发生合适的变化，转化为局部微裂缝，从而对结构所受到的破坏产生一定的缓冲作用[4]。

2.配制流程。（1）配合比设计：选择的水胶比为0.35,砂率为40%，超细集料为50%，矿物掺合料为10%，外加剂为0.3%；（2）配制试块：在温度为25℃的条件下进行养护；（3）配制超高性能混凝土试块：在温度为25℃的条件下进行养护，养护龄期7d；（4）配制标准强度试块：在温度为25℃的条件下进行养护，养护龄期7d；（5）制作试件：采用标准的养护方式，对其进行标准强度的测试。

3.具体的生产工艺。（1）原材料的检验：在进行原材料的检验时，应当严格按照标准的规定，在原材料的验收过程中，要对其质量进行严格的检验。对于混凝土而言，其体积较为稳定，对材料性能有较强的依赖性，在进行检测时，应当将混凝土的体积作为重要的参考依据。在进行检测时，应将水泥、粉煤灰、矿粉以及其他材料作为主要的检测对象，确保其能够符合相关规定；（2）生产工艺：在生产工艺中，要根据实际情况进行合理的安排。通常情况下，主要分为自然养护以及热养护两种方式。在自然养护当中，应保证水泥能够充分地水化，同时也要注意混凝土内部水分的蒸发速度。在实际生产中，如果温度较低，应采用电地暖或者是电加热等方式，提高养护的效果。在热养护过程中，应注意环境温度和湿度的变化。此外，对于原材料的用量，也要根据实际情况进行合理的调整。

2.2 制备阶段的配合比

2.2.1 配合比设计理念

UHPC配合比设计应考虑现场结构或构件形式特点、施工工艺及环境作用等因素，应根据混凝土工作性能、强度、耐久性及其他必要性能要求计算初始配合比。首先，UHPC 配合比设计应根据现场施工工艺及混凝土使用要求，计算UHPC 用水量、砂率及用水量，并结合所用原材料的品种和质量，计算单位用水量及单位胶凝材料用量，并考虑UHPC 的密实性要求，采用合适的减水剂和掺合料，确保其工作性能满足设计要求。其次，UHPC 配合比设计应采用先进的材料、技术和生产工艺。目前，国内外研究较多的是基于经验的配合比设计方法，但在实际工程应用中并不适用。为此，需采用多因素正交试验方法研究UHPC 配合比设计方法及其影响因素；通过优化配合比降低用水量、提高胶凝材料用量、增大骨料粒径及调整施工工艺等，提高UHPC 强度。

2.2.2 试验过程

1.称重。根据所需的配合比，使用所收集的原材料，如水泥、硅灰、微珠、石英砂、石英粉、镀铜钢纤维、高效外加剂等，按对应的质量进行称重。然后把全部干燥的粉末原料都放到搅拌机里，进行充分的混合。

2.搅拌。应该使用的是强制式混凝土搅拌机，将称量好的干混料先搅拌2min，加称量好的3/4 水和全部外加剂后，再搅拌4min，加剩余的1/4 水，搅拌约9min；在混合完毕后，再对其工作特性进行测试，确保检测结果能够符合设计的规定，以达到确保UHPC 自密实、自流平等工程应用的目的。如有需要，可选择可调速的强力混合器，并根据混凝土状况调节混合速率。

2.2.3 成型

根据配合比设计，试验采用标准试件成型法进行。试件的高度为80-120mm，采用20mm×20mm 的立方体，在成型过程中，在标准试件成型机振捣时，为防止试件产生开裂现象，应采用两个振捣棒同时振捣。在试件表面均匀涂上一层厚约2-3mm 的减水剂溶液，厚度为3-5mm；为使UHPC 试件在成型过程中有一定的体积膨胀率，在成型过程中用钢模抹平后再用橡胶锤敲击压光。振捣时间以5s 为宜。采用两个振捣棒同时振捣的方式，待试件表面初凝后，再用抹刀抹平表面；抹平后用小铁锤轻轻敲打试件表面，直至试件表面平整。

2.2.4 养护

UHPC 的养护是制样阶段的最后一步，也是最关键的一步。养护不当会影响混凝土的强度，导致其达不到设计要求，或达不到施工验收要求。因此，养护的好坏直接影响后续施工工序和质量。

对于已成形的试模，在其进行自然养护48h 后（可根据实际情况调节脱模时间），然后进行拆模。可采取标准蒸汽养护，蒸汽养护，热水养护，标准常温养护等多种养护方式。标准养护：将脱模后的混凝土试件马上放到一个具有20℃±2℃，相对湿度超过95%的标准养护室中进行养护，将试件放置在一个养护架上，两个试件之间的距离为10-20mm，并且要保证试件的表面是潮湿的，不能让水直接冲淋。标准蒸气养护：将脱模后的试件放在蒸汽养护箱中，以不超过15℃/h 的速度，将其加热到90℃±1℃，并维持一定的温度72 小时，同时要留意降低试件的表面温度，然后以不超过15℃/h 的速度，将其冷却到20℃±5℃。蒸养可以较快地反映出试验成果，对今后超高性能混凝土的试车使用具有一定的参考价值。

3 UHPC 超高性能混凝土在工程中的应用

在公路交通工程中，UHPC 超高性能混凝土常被用于一些特殊部位，如：桥梁的悬臂、桥面铺装层、桥墩底部等。

3.1 桥梁悬臂

我国桥梁悬臂结构的应用实例较多，其中部分桥梁由于处于交通要道，易受车辆冲击和碰撞，如：上海外滩跨黄浦江悬臂桥、深圳东门大桥、浙江泰顺千祥桥等，这些桥梁都属于超高性能混凝土结构。根据《公路桥涵施工技术规范》JTG/T 3650-2020 规定，悬臂梁的最大设计弯矩不应大于500kN·m，故在进行悬臂梁设计时，应控制其弯矩及最大设计荷载[5]。以上海黄浦江某悬臂梁为例，其最大弯矩为1676kN·m，最大荷载为1468kN。设计时，可将其作为一种新型的悬臂结构，并采用UHPC 超高性能混凝土作为桥面铺装。

3.2 桥面铺装层

在城市中，车辆密度较大，会产生较大的噪声，影响市民的生活和工作环境。在城市交通工程中，桥面铺装常采用沥青混凝土铺装，由于沥青混凝土材料具有较高的硬度和弹性模量，不能抵抗车辆撞击和振动等因素的影响，极易产生裂缝。而UHPC 超高性能混凝土由于其良好的韧性、抗裂性及高强度等特点，可用于桥面铺装中。如：上海黄浦江某悬臂桥，其桥面铺装采用UHPC 超高性能混凝土，以保证其耐久性和承载力。

3.3 桥墩底部

桥梁桥墩底部常采用钢筋混凝土结构。但钢筋混凝土材料在使用过程中，由于温度、收缩及徐变等因素的影响，极易产生裂缝，且随着时间的延长，裂缝会越宽。而UHPC 超高性能混凝土由于具有良好的韧性及超高的强度，在高温、收缩及徐变等方面表现优异，因此可用于桥墩底部。

4 结语

总而言之，UHPC 超高性能混凝土在保证构件具有高强度的同时，还能有效提高其韧性，是一种具有巨大潜力的新型复合材料，具有广阔的应用前景。期间采用合理的配合比，配制出拌合物性能好、工作性和力学性能优异、耐久性良好的UHPC 超高性能混凝土，是今后工作的重点。而在施工过程中，应严格控制水灰比、砂率及养护条件等因素，保证混凝土配合比设计合理、浇筑密实且养护到位，使UHPC 超高性能混凝土达到预期目标。UHPC 超高性能混凝土具有良好的耐久性，在使用寿命内不会出现明显的裂缝，并能在一定程度上抵抗外部环境及荷载作用而发生的破坏，由此在未来将会得到更加广泛的应用。