梁拯

（廣東工商職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 肇慶 526020）

0 引言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)逐步向高大化、復(fù)雜化、多樣化及輕量化的方向發(fā)展，對混凝土材料的物理力學(xué)性能提出了更高要求， 但混凝土材料自重大、脆性較大、抗拉強(qiáng)度偏低等缺陷無法滿足建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求。 在此背景下，一種性能更優(yōu)越的超高性能混凝土（UHPC）應(yīng)運(yùn)而生。

1 超高性能混凝土及其發(fā)展歷程

UHPC 材料是一種新型水泥基復(fù)合材料。該材料采用細(xì)骨料完全替換粗骨料， 材料中摻入一定量的鋼纖維，通過外加劑降低材料的水膠比，從而提高材料的密實(shí)性。 與傳統(tǒng)的混凝土材料相比，UPHC 材料具有輕量化、強(qiáng)度高、優(yōu)異的延展性、超高耐久性及耐磨性、抗沖擊性能好等特點(diǎn)。 由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，UHPC 材料在大跨度橋梁、 超高層建筑、 海洋基礎(chǔ)設(shè)施及軍工結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。 但整體造價高、膠凝材料用料偏高、早期收縮大及施工難度大等缺點(diǎn)限制了UHPC 在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍。

在實(shí)際工程中， 人們對高性能混凝土的追求從未停止。20 世紀(jì)70 年代，Bache 提出了致密化體系，利用超細(xì)顆粒實(shí)現(xiàn)堆積致密化，從而提高整體密實(shí)度。 Yudenfreund[1]等利用真空攪拌技術(shù)生產(chǎn)出低水灰比、低孔隙率、立方體抗壓強(qiáng)度高達(dá)205 MPa 的人工水泥石材。 Larrard 和Sedran[2]在1994 年首次提出了UHPC 概念。同年，Bonneau 結(jié)合致密化體系基礎(chǔ)理論， 采用無宏觀缺陷水泥基材料和纖維增強(qiáng)混凝土生產(chǎn)了活性粉末混凝土， 從而標(biāo)志著混凝土進(jìn)入超高力學(xué)性能、超高耐久性的超高性能時代。

2 超高性能混凝土的研究現(xiàn)狀

UPHC 是一種新型水泥基復(fù)合材料，能滿足工程結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的安全需求，因此在工程建設(shè)方面具有巨大的潛力與價值。 目前，國內(nèi)外學(xué)者對UPHC 進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究成果主要集中在微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能、耐久性、配合比和數(shù)值模擬等方面。

2.1 材料方面研究現(xiàn)狀

余睿等[3]認(rèn)為，保證UPHC 材料優(yōu)越性能的關(guān)鍵是摻入適量鋼纖維及科學(xué)合理地確定其配合比。余睿等還利用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計理論和鋼纖維等效顆粒直徑模型對改進(jìn)的Andreasen 和Andersen（MAA）模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，最終有效驗(yàn)證了MAA 模型在濕堆積狀態(tài)下的適用性與可靠性，并證明將球形顆粒的鋼纖維嵌入MAA 模型中，可以制備出密實(shí)度高、強(qiáng)度高的UHPC 材料。 程俊等[4]對粗骨料含量對UPHC 材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。 研究表明，UPHC 材料的彈性模量隨著粗骨料含量增加而增加，但彎曲強(qiáng)度隨之下降。 劉路明等[5]研究了膨脹劑與內(nèi)養(yǎng)劑對UPHC 流動性、凝結(jié)時間及強(qiáng)度等性能的影響。 研究表明，膨脹劑和內(nèi)養(yǎng)劑的復(fù)摻可以有效降低UPHC 的自收縮。

2.2 橋梁工程研究現(xiàn)狀

在橋梁工程的研究領(lǐng)域，UHPC 材料主要應(yīng)用于橋面結(jié)構(gòu)、橋梁加固及橋梁拼接等方面。

在組合橋結(jié)構(gòu)方面，邵旭東等[6]研究了UHPC矮肋橋面板的抗彎性能。 研究表明，增加鋼板厚度可以提高UPHC 橋梁的極限彎矩， 窄高的縱向加勁肋能夠承受更大的荷載。Wang[7]的團(tuán)隊(duì)對摻入端鉤形與直線形鋼纖維的UPHC 矩形橋面板的靜力與抗彎性能進(jìn)行了相關(guān)研究。 研究表明，由于端鉤形鋼纖維的摻入， 在UHPC 矩形橋面板厚度降低到一定程度（17 cm）時，其開裂應(yīng)力與承載能力仍可得到一定的提高。

在橋梁加固方面，UPHC 材料主要在拱橋、橋梁改建與擴(kuò)建及普通混凝土橋面板更替換等方面得到廣泛的應(yīng)用。 凌富偉[8]認(rèn)為，不同的橋梁類型應(yīng)該選擇合適的加固方式， 并介紹了UHPC 材料非常適用于以受壓為主的雙曲拱橋中，提出了增大截面法可以科學(xué)調(diào)節(jié)拱圈的受力特性。 丁鵬等[9]針對圬工肋拱橋當(dāng)前加固方法的局限性， 提出利用UHPC 套箍加固主拱圈的加固思路。 研究顯示，采用此加固方法能夠大大提升拱橋的承載能力。

UPHC 材料具有輕量化、強(qiáng)度高、優(yōu)異的延展性、超高耐久性及耐磨性和抗沖擊性能好等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于橋梁拼接方面。張立乾等[10]提出了一種UHPC 材料與高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋相結(jié)合的裝配式快速拼接橋梁。 兩者的結(jié)合不僅可以大幅度降低結(jié)構(gòu)的自重，發(fā)揮承載優(yōu)勢，還可以在強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性方面滿足使用性能要求。同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院劉超、黃鈺豪和上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院陸元春團(tuán)隊(duì)[11]，以上海市濟(jì)陽路高架新舊橋拼接項(xiàng)目為背景開展了UPHC 材料的拼接接縫試驗(yàn)，研究分析了UHPC 接縫的局部受力性能。 模擬研究表明，可以通過增加接縫自由長度與減小接縫厚度的方式來提高UHPC 接縫的抗彎能力， 同時證明了UHPC 接縫能夠滿足受力需求。

2.3 建筑工程研究現(xiàn)狀

輕質(zhì)化是UHPC 材料的顯著特點(diǎn)之一。 為研究UHPC 梁的工作性能，張濤[12]團(tuán)隊(duì)利用商業(yè)有限元軟件ABAQUS 對其進(jìn)行數(shù)值模擬。 模擬結(jié)果表明，UHPC 鋼筋梁的開裂荷載隨著縱筋屈服強(qiáng)度的提高而上升， 同時縱筋屈服強(qiáng)度的提高可以提高UHPC 鋼筋梁的承載能力。 張樺及白楊[13]對外圍護(hù)體系的集成設(shè)計與建造進(jìn)行了深度剖析。該研究考慮了防水、防污染、抗腐蝕等方面因素，最終選擇UHPC 材料建造外掛墻板。用UHPC 材料制作而成的預(yù)制復(fù)合夾心外掛墻板，構(gòu)件的抗疲勞、抗沖擊和耐久性能及抗彎能力均得到了提升，從而使圍護(hù)結(jié)構(gòu)獲得較好的抗震耗能能力。

3 結(jié)語

UHPC 作為一種新型水泥基復(fù)合材料， 突破了傳統(tǒng)混凝土自重、耐久性及抗壓強(qiáng)度等缺陷，因此適用于橋梁工程、土木工程等工程領(lǐng)域。 當(dāng)前，UHPC 材料仍存在整體造價較高、 施工難度大及理論研究和相關(guān)規(guī)范不完善等缺點(diǎn)，但隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，UHPC 材料必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。