HPC與UHPC的制備原理比較

饒蘇端，水中和，余 睿，曾志軍，潘躍進

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.海軍工程設計研究院，北京 100070)

高性能混凝土(High performance concrete，簡稱HPC)是在普通混凝土的基礎上，注重耐久性方面的改善得到的產品。HPC這個名稱，在1990年美國NIST與ACI召開的會議上首次提出。從20世紀40年代起，開始研究并解決水泥混凝土的耐久性能問題，可以認為是HPC研究的開端[1,2]。至20世紀90年代左右，HPC的制備和應用已在各國形成標準。

超高性能混凝土(Ultra high performance concrete，簡稱UHPC)的研究始于20世紀70年代，對于超高性能混凝土，在《超高性能混凝土技術規范：材料與檢驗》初稿中在品質評價方面，除強度外，明確對孔洞與裂縫的宏觀缺陷和抗滲透性提出了要求。UHPC的概念在1994年提出，可以看作是對于超高強度混凝土相關研究的一個總結，目前部分研究中仍沿用了活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)的名稱，大部分由于RPC已被注冊商標而已改用UHPC。

UHPC并不是HPC的基礎上進行的簡單高強度改造，論文接下來從制備的方法和對應的原理及思路方面來介紹二者之間的差異。

1 高性能混凝土的制備

高性能混凝土的設計，主要的原則是降低孔隙率，細化晶粒尺寸，減少產物的不均勻性。采取的主要手段有：使用高效減水劑以降低水膠比，同時改善新鮮狀態下的顆粒聚集狀態；優化原料的粒度分布和顆粒級配來增加密實度。目前已有很多成體系的HPC配比設計方法，包括法國國家路橋實驗室方法(LCPC)，美國混凝土協會方法，基于最大密實度理論的Domone P L J方法，Bolomy修正法，全計算法等[3]。下面詳細介紹幾種較有代表性的方法。

在A?tcin P C所著的《High-Performance Concrete》書中講解了全計算法。首先是根據目標設計強度選擇合適的水膠比；然后通過飽和點法找到合適的水和減水劑用量，使得水的用量在保證坍落度有200 mm的基礎之上用量最小；在已知水膠比和水用量的前提下，可以反推得到膠材的總用量，并得出水泥和其他摻合料的用量，再根據骨料的形狀和尺寸，選擇粗骨料的用量；最后，計算所有固體的體積，取含氣量為1.5%，用砂補齊體積并根據各物料和飽和面干狀態的差距補正水的用量。該書隨后還給出了批量配比的方法并指出，這一設計方法中仍有不少內容取決于經驗和觀察，并且不能預計原料的品質和特征對于最終產品的影響[4]。這種設計方式即是通過經驗中水膠比和強度的線性對應關系，在此基礎之上盡量控制膠材的總用量，然后用骨料補齊體積，可以看作是一種純經驗方式的總結和綜合運用，更適用于較為普通的性能要求。美國的ACI363標準所建議的設計方式與上述方法類似，區別在于在調整水和減水劑的用量時，是通過簡單實驗進行的，僅控制不加減水劑時的坍落度在25～50 mm，并通過小量的試驗來確定所需的水膠比和減水劑用量。

de larrard方法是結合了Feret方程預估強度，這個方程的參數包含了水膠比、骨料參數和水泥強度，是一個半經驗公式，較純經驗的方式相比，對于強度的估計更為準確。以這一方程為參考設計水膠比和材料的比例用量后使用Farris模型(也是一個半經驗的模型公式)來調整水和減水劑的用量以及工作性能[5]。

Mehta和 A?tcin還提出了一種簡化的設計方法，仍然是通過預定設計強度來決定水膠比，粗略地將膠材和骨料的體積占比按35%和65%來確定膠材和骨料的總用量，根據用水量和預計含氣量，調整膠材的組成保證體積，并按強度等級選擇粗細骨料的比例，最后調整減水劑的用量以滿足工作性能的要求[6]。

另外，隨著計算機技術的發展，很多研究者也把數學建模和計算機技術結合到了高性能混凝土配比計算當中，使得在配比設計上結合了更多的實際問題，例如成本造價、水泥用量等問題[7，8]。

實際生產中，則是在確定大致配比范圍后，通過實驗尋求最佳配比[9,10]。這也側面反應了，這些配合比設計方法其背后的原理均有一定的經驗成分。

在低碳減排方面，HPC的設計也進行了對于使用回收廢料替代膠材和骨料的研究，例如使用陶瓷生產中拋光磨光工藝中產生的陶瓷廢料粉替代水泥生產HPC[11]；利用回收的混凝土塊替代骨料等[12]。

總的來說，HPC的設計原理是在普通混凝土的設計經驗理論上延伸發展得來的，大量借鑒了普通混凝土中有關強度和工作性能設計的經驗，非常注重在實際應用中的可操作性。并在此基礎之上，控制原料品質、在達到設計強度的前提下盡量降低水膠比，以達到從宏觀方面降低孔隙率增強水泥基材料的抗滲性能的設計目的。

2 超高性能混凝土制備

超高性能混凝土的制備機理，以減少最終水泥石的微觀缺陷，降低孔隙率為主要目的。形成的理論體系包括細料致密法(Densified with Small Particles,DSP),Bache通過這一理論，利用高效減水劑和硅灰的組合作用，制得了強度達150～200 MPa的混凝土并已形成了以DENSIT為商標的商用混凝土制品；Birchall等通過真空攪拌減少引入的氣體并使用高溫蒸養等手段改善水泥的水化產物及其微觀結構開發出的無宏觀缺陷水泥(Micro Defect Free，MDF)；以及后來在前二者的理論基礎之上，既使用高活性粉末，又進行熱養護開發出的RPC(Reactive Powder Concrete)，根據這一理論基礎，目前已有了抗壓強度最高可達800 MPa的商業產品[13]。下面以RPC的設計原理為例進行介紹。

RPC的的設計原理包括，去除粗骨料增加了混凝土的均勻性，減少界面，阻止了力學、化學收縮、熱應力等因素導致的裂紋的擴張；增強了漿體的機械性能使之模量接近骨料，進而消除了內部的機械異質性；限制砂的用量進一步增加了密實度減少了砂作為細骨料在漿體水化時收縮帶來的孔隙率。在具體設計配比上，RPC通過粉料的堆積模型和流變實驗來確定需水量最小時粉料的比例，再根據最小需水量和預計含氣量，利用相對密度來確定需水量。用料上，利用了硅灰的火山灰效應并通過使用石英砂和石英粉來補正硅與水泥的比例來改善水化產物的成分組成，最后添加體積比約為2%的鋼纖維。在生產時，對新鮮混凝土施加壓力，以促進氣體和成漿所必須而非必要的部分水排除，同時減少化學收縮。最后，進行熱養護以改善微觀結構[14]。

UHPC的設計和生產工藝的改善研究目前尚在進行當中。近期的一些研究表明，具體的生產工藝也會對RPC的最終質量產生較大影響，例如Parameshwar N等指出，先混合膠材，加入大部分的水和減水劑，再加入砂等骨料，最后加入剩余水的方式比傳統的先混合所有固體，加入一半水和減水劑，混勻后再加入剩余水和減水劑的方式能獲得更好的工作性能，而控制制備的攪拌時間在15 min，比起攪拌20 min、25 min、30 min得到的產品孔隙率更低[15]。另有一些研究改進了超高性能混凝土配比設計的理論細節，例如改進顆粒堆積模型以進一步優化粉料配比[16]；進一步提升原料質量并細化熱養護條件等[17]。

UHPC在設計時往往還考慮了一些在其他混凝土中不常見的問題，例如由于高膠材用量而引起的自收縮問題。針對這一問題不僅已開發出了成熟的減縮劑產品，而且也有了使用其他工業廢料例如鐵尾礦替代水泥的研究[18]。

為了改善力學性能，尤其是混凝土的脆性，UHPC普遍使用摻雜纖維進行增韌處理，這一類也被稱為UHPFRC(Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete)。鋼纖維在摻入UHPC后，使得基體在載荷下的破壞形式由微裂紋的擴展改變成為了鋼纖維—基體過渡界面的破壞，具體體現為纖維在破壞時被拉拔而出。即鋼纖維通過阻止基體中的裂紋擴展增加了基體的韌性[19]。

從上述研究和方法中可以看出，UHPC的設計方法及其原理都是從減少微觀缺陷完善力學性能這一本質目的出發的。有些手段如加壓熱養護在實際施工中并不易還原并且大幅提高了單位體積混凝土的成本，但是驗證了UHPC的設計原則可以達到理想的效果。

3 結 語

HPC的設計原理上，屬于是在結合普通混凝土設計方法經驗的基礎上，在對于強度、孔隙率等方面進行改善，從而達到改善耐久性能的目的，目前理論研究已經較為完善。相較于HPC而言，UHPC的設計方法的邏輯上則是相反的，通過可能的手段盡量降低混凝土的微觀缺陷并全面提升力學性能，再在具體的設計上兼顧實際生產和應用。可以認為UHPC的制備研究仍需向實際工程應用方面進一步靠攏。

[1] 張金昌.高性能混凝土綜述[J].國外公路,1993(6):46-49.

[2] 吳中偉. 高性能混凝土及其礦物細摻料[J]. 建筑技術,1999(3):3-6.

[3] 賀東青,任志剛. 高性能混凝土配合比設計方法研究綜述[J]. 國外建材科技,2006(4):32-34,43.

[4] A?tcin P C.High Performance Concrete[M].London:E&FN Spon,1998.

[5] de Larrard F. A Method for Proportioning High-strength Concrete Mixtures[J].Cement Concrete and Aggregates,1990,12(1):47-52.

[6] Mehta P K,A?tcin P C.Principles Underlying Production of Highperformance Concrete[J]. Cement,Concrete and Aggregates,1990,12(2):70-78.

[7] 哈 娜.多目標規劃高性能混凝土配合比優化設計研究[J].建筑技術，2017，48(1)：29-31.

[8] 王繼宗,梁曉穎,梁賓橋,等.基于Matlab語言的高性混凝土配合比優化設計[J].工業建筑,2005,35(1).

[9] 陳 希,周宇飛,劉云鵬,等.歐洲標準體系下高性能混凝土的設計與制備[J].混凝土，2016(3)：107-113.

[10] 路來軍,朱效榮,高興燕,等. C100高性能混凝土的研究與應用[J]. 混凝土,2003(7):43-47,65.

[11] Dima M Kannan,Sherif H Aboubakr,Amr S EL-Dieb,et al.High Performance Concrete Incorporating Ceramic Waste Powder as Large Partial Replacement of Portland Cement.Construction and Building Materials,2017,144:35-41.

[12] Andreu Gonzalez-Corominas,Miren Etxeberria,Lgnasi Fernandez.Structural Behaviour of Prestressed Concrete Sleepers Produced with High Performance Recycled Aggregate Concrete[J].Materials and Structures,2017,50:94.

[13] 陳寶春.超高性能混凝土研究綜述[J].建筑科學與工程學報.2014,31(3):1-24.

[14] PierreRichard,Marcel Cheyrezy.Composition of Reactive Powder Concretes[J].Cement and Concrete Research,1995,25(7):1501-1551.

[15] Parameshwar N Hiremath,Subhash C Yaragal.Influence of Mixing Method,Speed and Duration on the Fresh Anhardened Properties of Reactive Powder Concrete[J].Construction and Building Materials,2017,141:271-288.

[16] Yu R,Spiesz P,Brouwers H J H.Mix Design and Properties Assessment of Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC)[J].Cement and Concrete Research,2014,56:29-39.

[17] Mostofinejad,Mojtaba Rostami Nikoo,Seyed Arman Hosseini.Determination of Optimized Mix Design and Curing Conditions of Reactive Powder Concrete (RPC)[J].Construction and Building Materials,2016,123:754-767.

[18] Zhao S,Fan J,Sun W.Utilization of Iron Ore Tailings as Fine Aggregate in Ultra-high Performance Concrete[J].Construction and Building Materials,2014,50:540-548.

[19] 鞠 楊,賈玉丹,劉紅彬,等.活性粉末混凝土鋼纖維增強增韌的細觀機理[J].中國科學,2007,37(11):1403-1416.