超高性能混凝土耐久性及工程應用研究

潘蘇鋒 張慧穎 黃海燕

摘 要：超高性能混凝土（UHPC）是一種擁有更高強度、更好耐久性能的新型水泥基復合材料。與傳統的混凝土相比，UHPC在大跨度特殊結構、超高層建筑以及混凝土修復中具有重要的應用價值。本文從UHPC的發展、耐久性及在工程中的實際應用等幾個方面對UHPC進行闡述，為云南省低緯度高海拔的施工提供相應的理論支持，并進一步推動UHPC在實際工程中的應用。

關鍵詞：超高性能混凝土;復合材料;耐久性

中圖分類號：TU528.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0100-03

Abstract： UHPC is a new type of cement-based composite material with higher strength and better durability. Compared with traditional concrete， UHPC has important value in the use of long-span special structures， super high-rise buildings and concrete repair. In this paper， the development， durability and practical application of UHPC were discussed in order to provide theoretical support for the construction status of low latitude and high altitude in Yunnan Province and further promote the application of UHPC in practical projects.

Keywords： ultra-high performance concrete;compound material;durability

自從波特蘭水泥發明以來，水泥混凝土逐漸成為土木工程領域重要的建筑材料。與其他建筑材料相比，混凝土的制備原料來源廣泛、生產工藝簡便、能耗相對較低，且具有強度高、耐久性好、力學性能優異等突出的優勢[1]。隨著超高層建筑、大跨度橋梁等特殊結構的快速發展，對混凝土的耐久性、韌性等提出了更高要求。在此背景下，1994年，Larrard等首次提出超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）的概念。經過20多年的發展，UHPC在配合比設計、材料性能、養護方法以及工程應用等多個方面都取得了相應的成績。為了對UHPC有一個比較系統的認識，本文結合云南省低緯度、高海拔這樣特殊的施工環境，從UHPC的發展、耐久性及工程中的實際應用等幾個方面出發，對UHPC的性能、工程應用前景進行分析。

1 UHPC的發展

UHPC的發展是強度不斷增強的一個過程。從混凝土發明到現在超高性能混凝土的提出，抗壓強度由最初的20～30MPa逐漸發展到150～200MPa。20世紀60年代，高效減水劑的發明促使低水灰比的高強混凝土誕生（抗壓強度大于50MPa）[2，3]。高效減水劑使混凝土用水量減少的同時，也降低了混凝土的內部缺陷。20世紀70年代，在高效減水劑的基礎上，丹麥科學家發明了超細粒聚密水泥（抗壓強度達到128MPa）[4]。超細粒聚密水泥的發明為超高性能混凝土的研究奠定了基礎。20世紀80年代，Birchal等開發出無宏觀缺陷的水泥基材料（抗壓強度大于150MPa）[5，6]，這種材料最大程度地減少了混凝土內部的孔隙率，提高了混凝土的密實度，為混凝土的后續發展提供了比較好的理論資料。20世紀90年代，法國Bouygues在超細粒聚密水泥、無宏觀缺陷水泥基材料及鋼纖維混凝土研究基礎上，研發出活性粉末混凝土[7]，該發明從理論上拓展了無機膠凝材料學，同時也為超高性能混凝土的研發找到了新的方向。1994年，Larrard等首次提出超高性能混凝土（UHPC）的概念。以活性粉末混凝土制備原理為基礎的UHPC材料的研究與應用，是當今水泥基材料發展的主要方向之一，并且朝著更環保、更綠色的方向拓展新的領域[8，9]。

2 UHPC的耐久性

大量試驗證明，混凝土耐久性極佳的原因是其極低的水膠比及極小的孔隙率和比較好的微觀結構。混凝土耐久性具體表現在吸收水的能力、氯化物滲透性、抗凍融能力以及鈣礬石的形成速率等幾個方面。目前，學術界主要從2個方面對UHPC的耐久性進行評價：一是抗凍融循環能力，用耐久性系數（凍融循環后動彈性模量與凍融后的彈性模量之比）和質量損失率來表示;二是氯化物滲透速率，氯化物的滲透會嚴重腐蝕鋼筋，大大降低其力學性能，氯化物的滲透速率往往與鋼筋腐蝕速率呈正相關，故也常常用后者來表征前者[10]。

通過凍融試驗，沈磊[11]研究了超細活性粉末的摻入對UHPC耐久性的影響，發現超細活性粉末的摻入提高了UHPC的密實度，使UHPC內部結構致密，有效抑制了CO2和Cl-的擴散，從而提高了UHPC結構的耐久性。經過多年的發展，單純提高密實度已經不能滿足工程應用的需求。研究超高性能混凝土宏觀滲透性能與微觀結構時差規律之間的關系，并通過實驗結合理論建立合理的超高性能混凝土氣體、液體滲透變性模型，對工程具有重要的指導意義。安明喆等[12，13]通過研究超高性能混凝土抗氯離子滲透性發現，其氯離子的擴散系數均低于標準的0.4，故材料的抗氯離子滲透性能極佳。超高性能混凝土以其致密的結構和極小的孔隙率，使其各方面的耐久性都得到一定程度的提高。為了更加深入地了解UHPC的抗氯離子機理，要建立相應的骨料分布模型及氯離子在超高性能混凝土中的傳輸模型，從宏觀、微觀2個尺度深入研究超高性能混凝土對準確預測建筑使用壽命具有重要意義。

3 UHPC的工程應用

超高性能混凝土憑借其超高的力學性能和耐久性，與普通混凝土相比，能在復雜、惡劣的環境中提高建筑的使用年限，并且降低后期的維護費用。公路、橋梁是其中最為顯著的代表[14]。加拿大于1997年建成世界上第一座用超高性能混凝土修建的大型結構舍布魯克人行橋（見圖1）。該橋的主體為預制鋼管-超高性能混凝土桁架結構，采用后張法拼裝而成[1]。

奧地利建造的世界上第一座UHPC公路拱橋（見圖2）提供了理論支撐及工程施工經驗[15]。該橋為并列的雙桁架拱，由預制正方形薄壁箱梁和接頭現場組裝而成，拱內部安裝體外后張預應力鋼索施加預應力。采用UHPC建造輕質桁架拱，使拱橋結構細巧、造型優美。

除了在橋梁上的應用，超高性能混凝土在薄層和輕型結構上也為建筑師開拓了空間。法國的Millau收費站，該屋面板全長9m，寬28m，而板厚僅為10cm，結構飄逸美觀[16]，如圖3所示。

4 結語

自UHPC誕生至今，已經發展了近20年，從最初單純追求混凝土的高強度到后來兼顧各種力學性能，再到利用耐久性、自重輕等優點達到節能減排、節約成本實現可持續發展的目標，UHPC成為發展前景廣闊的新型工程材料。未來對UHPC的研究不能僅僅停留在單因素影響上，應深入探討多種復雜環境因素耦合條件下的耐久性。此外，對UHPC宏觀行為及微觀結構關系的深入研究，將進一步豐富超高性能混凝土理論，并推動其在工程中的實際應用，應用前景一片光明。

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