項 陽，唐賓朋

（新疆農業(yè)大學交通與物流工程學院，新疆烏魯木齊 830052）

0 引言

混凝土的使用可追溯到古羅馬時期，隨著人類社會的進步，工程建設活動趨勢開始向環(huán)境惡劣區(qū)域發(fā)展，傳統(tǒng)混凝土已無法滿足建筑物在特殊環(huán)境下的長期使用，對性能良好的材料需求日趨強烈，從而超高性能混凝土應運而生。自20世紀90年代初提出概念以來，超高性能混凝土（UHPC）就引起國內外的密切關注且對其進行大量研究。相較普通混凝土，它具有更高的強度和優(yōu)異的耐久性以及體積穩(wěn)定性，通過低水膠比、優(yōu)化骨料粒徑分布、熱養(yǎng)護和纖維增強而形成這些優(yōu)良的性能。在土地資源緊缺，需要加快建設資源型社會的背景下，有效將其應用到工程建設中，并推動超高性能混凝土在國內的發(fā)展是至關重要的。

1 概念及進展

超高性能混凝土，簡稱UHPC，也稱作活性粉末混凝土（RPC）[1]。它是一種新型混凝土材料，由水泥、硅灰、沙子、纖維、水和減水劑組成，超高性能體現(xiàn)在耐久性和力學性能方面。

國外對UHPC的研究工作開展較早，在材料性能方面和相關技術已比較成熟，也取得不少研究成果，并將UHPC大量應用到了工程建設中。1994年，De.Larrard等[2]首先提出“超高性能混凝土（UHPC）”的概念，與此同時法國科學家Richard等[3]成功研制出的活性粉末混凝土（RPC），其實就屬于超高性能混凝土。1998年，在加拿大開展關于超高性能混凝土、RPC主題的第一次研討會，就原理、性能和應用等方面進行討論。后面在加拿大的舍布魯克市得到應用，修筑了世界上第一座以超高性能混凝土為材料的地標性步行橋。西雅圖市第二聯(lián)合廣場建設也應用了超高性能混凝土，并因此在項目成本上節(jié)省了30%。

相比于發(fā)達國家，國內對于超高性能混凝土的研究起步較晚，大多研究集中在材料性能方面。覃維祖等[4]向國內介紹了活性粉末混凝土，并詳細闡述其基本原理和性能特點；黃政宇等[5]利用特制鋼纖維研制出了抗壓強度達200MPa的超高強鋼纖維混凝土；張哲等[6]通過研究UHPC的初裂應變，發(fā)現(xiàn)適當增加鋼纖維的摻量，可以大大提升初裂應變。馮乃謙[7]針對新拌UHPC粘性大，實際應用到工程中存在困難等問題，提出合理摻加水的用量、控制坍落度損失、利用粉體效應等措施。之后，國內一些知名高校也進行相關的研究。

在UHPC的工程應用中，如欒白鐵路干線大橋中的T形梁使用超高性能混凝土，且應用在混合梁斜拉橋結構的廣東榕江大橋建設中，包括石武客專的電纜槽蓋板，福州大學風景橋的拱肋。同時國家頒布了標準規(guī)范《活性粉末混凝土》（GBT31387—2015），其余像《超高性能混凝土結構設計技術規(guī)程》的編制也在進行中，這些標準與規(guī)范進一步推動超高性能混凝土研究與應用的發(fā)展。

目前，我們國家對于UHPC也做了不少的研究工作，但在工程應用上狀況不太理想，應用的研究熱點大多在橋梁和預制構件方面。要使得UHPC在實際工程中得到更多的應用，仍必須對此課題做更加深入且全面的研究。

2 制備原理

制備原理是通過降低孔隙率、改善微觀組織、增強均勻性和增加韌性等方法，控制好并預防材料內部的裂縫，使得UHPC的性能得到提升。

（1）降低孔隙率

孔隙結構是決定超高性能混凝土強度的重要因素。通過加入減水劑、超細活性粉末以及對原材料的密實填料，優(yōu)化顆粒和壓實進行改善。其中，硅灰是重要的原材料之一，它的顆粒細小、活性高，其水化產物有填充作用，并形成致密的界面過渡區(qū)，提高了材料的密實度。以上這些措施有效改善混凝土的孔隙率和孔徑分布，填充了水泥顆粒間的空隙，從而提高混凝土的性能。

（2）改善微觀結構

致密均勻的微觀結構可以直接影響UHPC的性能。通過預熱壓和熱養(yǎng)護工藝，在保證混凝土拌合物具有足夠和易性的前提下，通過去除粗骨料，可以促進活性粉末的火山灰效應，提高材料的密實度，減少化學收縮，從而改善材料的微觀結構以及骨料與水泥漿界面過渡區(qū)結構。

（3）提高韌性

韌性指的是材料的能量吸收能力，用來表征材料的抗斷裂能力。UHPC中通過摻入纖維，解決混凝土本身低應變、韌性差的問題，并控制材料內部裂縫的生成，大大提高其韌性和強度，延展性與抗沖擊性能也得到改善。同時其受彎性能還受到纖維長度、長徑比等因素的影響。

3 相關性能

（1）力學性能方面

強度是水泥混凝土的重要性能之一，UHPC的抗壓、抗拉和抗彎強度分別為 200～800MPa、25～150MPa 和 30～141MPa，這些強度取決于材料的成分、澆筑和養(yǎng)護條件。由于UHPC的水灰比很低，活性粉末的摻加改善了內部界面，提高界面的粘結強度，從而產生鋼纖維與活性粉末復合增強效果。對于UHPC的抗壓強度，是和動彈模量呈現(xiàn)一定的線性關系[8]。同時摻入鋼纖維可以進一步提高強度和韌性，而摻入聚丙烯纖維反而會使得強度降低。普通混凝土的抗折強度很低，一般只有4～8MPa，而對于超高性能混凝土，在摻入活性粉末和鋼纖維后能夠大大增加強度，并解決原本混凝土脆性的問題。

（2）收縮性能方面

混凝土的收縮是由于蒸發(fā)引起的水分流失或水泥水化反應而產生的。通過在UHPC中摻加鋼纖維，可以有效控制養(yǎng)護后所形成的干燥收縮。同時材料中硅灰的加入會影響硬化水泥漿體的孔隙率，包括總孔隙率和孔徑分布，從而影響混凝土的收縮性能。其余改善UHPC收縮性能的方式還有降低水膠比，或者采用熱養(yǎng)護等。

（3）耐久性方面

超高性能混凝土的孔隙率非常低，在水化水泥漿體中，滲透系數(shù)與孔隙的大小、連續(xù)性緊密相關，以此直接影響UHPC的抗?jié)B性。而減水劑的用量也直接影響滲透性能，存在最佳減水劑用量，可使?jié)B水性最低；UHPC的氯離子滲透性能可以通過礦物摻合料來提高，氯離子在超高性能混凝土中的滲透系數(shù)和擴散系數(shù)都遠遠低于普通混凝土，同時擴散系數(shù)也遠低于高性能混凝土；在抗凍融方面，UHPC內部結構致密，外部水難以滲透到UHPC中，且鋼纖維的摻加控制了裂縫的產生與擴展。

4 養(yǎng)護制度

養(yǎng)護是混凝土在硬化早期的關鍵環(huán)節(jié)，目前UHPC常用的養(yǎng)護方法有熱養(yǎng)護、高壓蒸汽養(yǎng)護、標準室溫養(yǎng)護和高溫養(yǎng)護等。

（1）熱養(yǎng)護

熱養(yǎng)護制度主要包括熱水養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護、干熱養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護。熱養(yǎng)護通過升高溫度不僅可提高水泥水化速度和程度，還提高了UHPC強度且控制了干燥收縮。

在90℃下的蒸汽養(yǎng)護，相對于標準室溫養(yǎng)護提高了所有混合物的抗壓強度，并且對抗彎強度的影響和抗壓強度的影響趨勢相似。對于干熱養(yǎng)護，養(yǎng)護時長對于UHPC抗折與抗拉強度的影響均是先提高再降低的趨勢。因此在熱養(yǎng)護中，應當控制好升降溫的速度，確定好各階段的時長和恒溫溫度，最佳恒溫時長是與恒溫溫度相關的。

（2）高壓蒸汽養(yǎng)護

高壓蒸汽養(yǎng)護的壓力、溫度和時長是影響RPC力學性能的關鍵參數(shù)。在高壓蒸汽養(yǎng)護下的抗壓強度，是高于常溫標準養(yǎng)護和90℃下熱養(yǎng)護的。纖維含量為3%或4%的UHPFC只有經過8h的高壓蒸汽養(yǎng)護后，其抗壓強度才能達到200MPa以上[9]。在養(yǎng)護過程中，存在一個臨界養(yǎng)護時長，當壓力與溫度一定時，蒸壓養(yǎng)護時長過多，反而會降低其力學性能。同時由于其流程復雜、能耗高、設施成本高，在實際工程應用中效果并不理想。

（3）傳統(tǒng)養(yǎng)護

傳統(tǒng)養(yǎng)護基本以自然養(yǎng)護和標準養(yǎng)護為主。標準室溫養(yǎng)護是應用最廣泛，經濟性和節(jié)能性上也較好的工藝。而自然養(yǎng)護在工程實際應用中更加便利，對于設施的要求很低，但由于自然情況下溫度不固定，混凝土強度變化不好控制，沒有一定的規(guī)律性。

相關研究表明，在標準養(yǎng)護28d后，UHPC強度相對于蒸汽養(yǎng)護、高溫高壓養(yǎng)護要低的多，并且水化作用和火山灰效應在標準養(yǎng)護條件下進行的較緩慢[10]。這是由于UHPC的水膠比一般低于0.20，在傳統(tǒng)養(yǎng)護下，水泥超過70%未水化，僅能起到填充作用。而在自然條件養(yǎng)護下，通過保持高濕度和控制硅灰的用量，仍然可以使得UHPC保持較高的抗壓強度。

5 研究意義及展望

超高性能混凝土因其卓越和綠色環(huán)保的性能，保證建筑物可以在諸多惡劣環(huán)境下正常且長期使用，并有效處理了工業(yè)廢渣，節(jié)約土地資源，有著很重要的工程實踐意義。同時節(jié)省水泥熟料，減少二氧化碳的排放，具有良好的經濟效益和環(huán)境效益，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。但同時也存在著諸多因素限制其廣泛應用，如UHPC養(yǎng)護設施要求高，成本費用高，工程實際應用中條件有限，無法進行較好的養(yǎng)護。我國也缺乏相關的規(guī)范標準，這使得許多工程技術人員在設計和施工等方面對UHPC了解不夠深入，暫未形成這種新型混凝土材料在行業(yè)生產與應用上的體系，并且國內對該課題相關的研究不夠深入，技術尚不成熟，需要進一步完善與標準化。