超高性能混凝土應用進展

吳一鵬

摘? ? 要：近年來，城鎮化進程的加快，我國的各類工程建設數量也在不斷增加。混凝土是當今用量最大的建筑材料，與其他建筑材料相比，混凝土生產能耗低、原料來源廣、工藝簡便、成本低廉且具有耐久、防火、適應性強、應用方便等特點。從社會發展和技術進步的角度來看，在今后相當長的時間內，混凝土仍是應用最廣、用量最大的建筑材料。本文就超高性能混凝土應用進展展開探討。

關鍵詞：超高性能混凝土;工程應用;耐久性

1? 引言

自超高性能混凝土問世以來，關于超高性能混凝土的原材料、生產工藝、養護方式、力學性能、耐久性能、水化微觀結構等進行了許多的研究，在實際工程中也得到了應用。雖然中國對超高性能混凝土的研究有些晚，但也已成為研究的熱點，本文綜述超高性能混凝土的研究和應用。

2? UHPC制備基本原理

對普通混凝土的研究，人們認識到混凝土作為一種多孔的不均勻材料，孔結構是影響其強度的主要因素，而固體混合物的顆粒體系所具有的高堆積密實度是混凝土獲得高強度的關鍵。因此，減小孔隙率、優化孔結構、提高密實度、摻入纖維是UHPC制備的基本原理和主要方法，以RPC為例，其獲得超高性能的主要途徑有以下幾種：（1）剔除粗骨料，限制細骨料的最大粒徑不大于300μm，提高了骨料的均勻性。（2）通過優化細骨料的級配，使其密布整個顆粒空間，增大了骨料的密實度。（3）摻入硅粉、粉煤灰等超細活性礦物摻合料，使其具有很好的微粉填充效應，并通過化學反應降低孔隙率，減小孔徑，優化了內部孔結構。（4）在硬化過程中，通過加壓和熱養護，減少化學收縮，并將C-S-H轉化成托貝莫來石，繼而成為硬硅鈣石，改善材料的微觀結構。（5）通過添加短而細的鋼纖維，改善材料延性。中國正在制訂的國家標準《活性粉末混凝土》（征求意見稿）中對RPC的定義為：以水泥、礦物摻合料、細骨料、高強度微細鋼纖維或有機合成纖維等原料生產的超高性能纖維增強細骨料混凝土。從上述定義可見，它對養護制度、配合比中的一些組分并沒有嚴格的限制，如有些結構需要現場澆注，蒸壓養護較為困難而采用常規養護時，如果骨料強度高且表面粗糙，也可得到強度為200MPa的RPC。UHPC基于RPC的制備原理，如采用小粒徑骨料，摻入鋼纖維和采用蒸壓養護等，但是對骨料的粒徑、養護制度、配合比中的組分等則沒有嚴格的限制，如采用常規養護工藝也可配制出強度超過150MPa的UHPC。

3? 超高性能混凝土參數與傳統混凝土對比

超高性能混凝土包含兩個方面的“超高”，即超高的耐久性和超高的力學性能。超高性能混凝土的設計理論是最大堆積密度理論（DensifiedParticlePacking），其組成材料中不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積，即毫米級顆粒（骨料）堆積的間隙由微米級顆粒（水泥、粉煤灰、礦粉）填充，微米級顆粒堆積的間隙由亞微米級顆粒（硅灰）填充。與早期的CRC或RPC相比，隨著設計理論的完善、超高效減水劑（聚羧酸系）的問世和配制技術的進步，超高性能混凝土已具備普通混凝土的施工性能，甚至可以實現自密實，常溫養護，具備廣泛的應用條件。超高性能混凝土與普通混凝土、高性能混凝土不同之處在于：不使用粗骨料，必須使用硅灰和纖維（鋼纖維或復合有機纖維），水泥用量較大，水膠比很低。超高性能混凝土堪稱耐久性最好的工程材料，適當配筋的超高性能混凝土力學性能接近鋼結構，同時具有優良的耐磨和抗爆性能。因此，超高性能混凝土特別適合用于大跨徑橋梁、抗爆結構（軍事工程、銀行金庫等）和薄壁結構以及高磨蝕、高腐蝕環境。目前，超高性能混凝土已經在實際工程中得到應用，如大跨徑人行天橋、公路鐵路橋梁、薄壁筒倉、核廢料罐、鋼索錨固加強板、ATM機保護殼等。可以預計，未來超高性能混凝土會有越來越多的應用。

4? 超高性能混凝土在中國的應用

國外將超高性能混凝土成功應用于橋梁、地鐵、大壩、樓梯、陽臺等工程中。2005年，沈陽用超高性能混凝土（C140）預制了工業廠房的梁板，是超高性能混凝土在中國的第一次應用。歐維姆公司用超高性能混凝土替代鑄鐵或鑄鋼件，熱養護的超高性能混凝土抗壓強度分別為325MPa，自然養護混凝土的抗壓強度為187MPa。中鐵十九局成功將超高性能混凝土應用于石武客專的電纜槽蓋板中。該工程用水泥、礦渣粉、硅灰、石英砂、鋼纖維制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度139.9MPa。超高性能混凝土在京石客運專線蓋板工程中也得到了成功應用，用水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土坍落擴展度為550mm，含氣量為2.2%，抗壓強度為142.9MPa，抗折強度為19.6MPa。哈齊客運專線用水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度為175.8MPa，抗折強度為24.7MPa，氯離子滲透量為13C，經500次凍融循環后混凝土質量無損失。哈大客運專線用水泥、摻合料、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度141MPa，抗折強度19MPa。在鄭開城際鐵路HNCJS-3標橋梁工程中的電纜槽蓋板成功應用了超高性能混凝土。工程用水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、鋼纖維制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土滿足工程的要求。在遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程中，首次采用超高性能混凝土制作多孔預應力簡支T形梁。用水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土28d抗壓強度128.7MPa，抗折強度22.8MPa。為徹底消除掛檐板松脫隱患等問題，超高性能混凝土掛檐板在北京四惠立交東向北匝道橋掛檐板更換施工中得到了成功應用。用水泥、摻合料、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超性能混凝土抗壓強度為149MPa，抗折強度為21.5MPa，彈性模量為51GPa，500次凍融循環后的質量損失率為0.9%，相對動態彈性模量為90%。為了節約成本，保護環境，采用生態型超高性能混凝土生產人行道蓋板，用水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度為150.3MPa，抗折強度為19.6MPa，彈性模量為50.6GPa，氯離子滲透量為33.2C，抗凍性>F500。

5? 結語

UHPC自出現以來，研究熱度不斷提高，應用數量、范圍和地區在不斷擴大，各種標準也在不斷制訂與更新之中。中國在UHPC提出不久就緊跟國際學術前沿，持續不斷地開展研究和應用，已成為國際UHPC研究的重要力量，為更多的應用奠定了基礎。隨著對研究投入的加大和研究人員的不斷增加，研究的廣度、深度與系統性也不斷增強，UHPC標準制訂與更新也在不斷進行中，必將對中國土木工程節能減排、可持續發展做出積極的貢獻，也有望在不久的將來成為UHPC研究與應用的世界強國。

參考文獻：

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