超高性能混凝土國內外研究與應用進展*

李玲，明陽，陳平，陳宣東，甘國興

（1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004；2.廣西建筑新能源與節能重點實驗室，廣西 桂林541004；3.廣西壯族自治區北部灣綠色海工材料工程研究中心，廣西桂林541004；4.廣西工業廢渣建材資源利用工程技術研究中心，廣西 桂林541004）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Con?crete，簡稱UHPC），不同于傳統的高強混凝土和鋼纖維混凝土，指的是力學性能、耐久性能等各項性能都遠超普通混凝土和高性能混凝土的一種新型水泥基材料。由于其制備選用了增加原材料細度和提高活性組份的制備方式，也被稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）。

目前，UHPC在工程中的應用尚未進入全面實施階段。一般工程仍以C30～C60混凝土為主，由于UHPC施工和養護條件苛刻、制備成本高等問題限制了其大面積推廣應用[1]，仍有一些問題需要研究。當前我國基礎設施建設正處于高速發展時期，UH?PC的工程應用節能減排效應明顯，符合社會可持續發展的主題，蘊含巨大的經濟價值。為推動UHPC的應用發展，本文針對國內外UHPC材料研究與應用現狀，總結了UHPC配制理論以及力學、耐久性等方面性能，介紹了UHPC工程應用情況，指出了UH?PC進一步發展中存在的問題。

1 超高性能混凝土制備原理及性能特點

1.1 超高性能混凝土制備原理

二十世紀七十年代初，通過一些試驗研究證實：提高水泥凈漿的密實度，可以有效提高強度。丹麥學者H.H.Bache教授提出了DSP理論[2]：即采用硅灰等超細粉體顆粒分散后填充于水泥顆粒之間，從而使粉體顆粒整體的密實度提高。采用減水劑對超細粉體進行分散，硅灰等超細顆粒可填充于水泥顆粒之間取代本來需要水填充的空隙，從而提高整個體系的密實度同時降低了需水量，DSP體系可降低至0.10～0.20的超低水膠比。1993年，法國的皮埃爾·理查德采用最大粒徑小于0.6mm的石英砂作集料，依據最大密實理論模仿“DSP材料”，成功研制出具有超高強度、超高耐久性、超高韌性和良好體積穩定的活性粉末混凝土（RPC）[3]。并于1994年在美國首次進行了報道。通過高壓成型和高溫高壓蒸養的RPC，抗壓強度最高達到了800MPa。

此后，不同國家的學者開展了大量關于RPC的配制原理和性能的研究工作，并針對不同需求通過改良制備出多種類型的UHPC。通過改善混凝土內部的結構、形貌、孔徑分布和均勻性，可顯著提高其宏觀性能，而UHPC就是結合DSP材料的優點并改進而來的。其基本原理概括如下：（1）通過增加原材料的細度和提高活性成分的反應活性等途徑，來減少材料中的微裂紋和孔隙；（2）采用高效減水劑大幅度降低UHPC材料配制的水灰比；（3）依據緊密堆積理論，剔除粗骨料以增加體系的密實度；（4）通過摻入鋼纖維以增加材料的延性和韌性；（5）采用蒸汽養護方式實現水化產物分布和形貌的優化[4]。

1.2 超高性能混凝土性能特點

1.2.1 超高的力學性能

單純超高抗壓強度的水泥基材料往往伴隨著“超高脆性”，并不意味著“超高性能”。通過添加短纖維，UHPC不僅擁有超高的抗壓強度同時還擁有超高的抗折強度和韌性。早期使用長度6～12mm、直徑0.15～0.4mm的直圓光鋼纖維，所配制UHPC抗拉強度可達30MPa，斷裂能可達1500～40000N/m，UHPC從而進入韌性、高韌性材料的行列（斷裂能超過1000J/m2即劃為韌性材料）。如今，加入異形鋼纖維，特別是高強扭轉型鋼纖維的使用，進一步提高了UHPC的抗拉強度、形變能力、斷裂能或韌性。此外，還可采用高強高模聚乙烯醇（PVA）有機纖維用于提高UHPC的強度和韌性。UHPC超高的力學性能數據見表1[5]。

1.2.2 優異的耐久性

UHPC超高的耐久性是另一個最具吸引力的性能，根據理論和試驗研究基本確定：UHPC沒有凍融循環、堿-骨料反應（AAR）和延遲鈣礬石生成（DEF）破壞的問題；在無裂縫狀態，UHPC的抗碳化、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗化學腐蝕、抗磨耗等耐久性能指標，與傳統高強高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有數量級或倍數的提高。UHPC優異的耐久性能指標見表2[6]。可見，UHPC的各項耐久性指標均遠超普通混凝土和高性能混凝土，可以用于工程長壽命結構設計。

UHPC結構與鋼結構相比，具有高耐久和幾乎零維護費用的優勢，與傳統鋼筋混凝土結構相比，壽命可成倍提高。目前通過理論分析、現場暴露試驗和實際工程檢測，預測UHPC結構使用壽命，在自然腐蝕環境中（如海洋環境）可超過200年；在非腐蝕環境（如城市建筑）可達到1000年。相對保守的日本指南認為，在正常使用環境下UHPC結構的設計使用壽命為100年。

1.2.3 良好的環保性和經濟效益

使用B.L.Damineli等提出的碳濃度指數（CO2intensity）和膠凝材料濃度指數（binder intensi?ty）這兩個水泥生態效率指標來評價UHPC的生態效率，發現UHPC屬于最低碳的水泥基材料，其水泥或膠凝材料的利用率最高。結合具體工程結構計算比較，可以量化分析UHPC的節能、減排和節材效果。例如，對比典型的鋼梁-鋼筋混凝土橋面板復合結構公路橋與UHPC門型梁的梁板一體公路橋（兩個橋的長度、寬度和功能完全相同），通過量化分析表明：UHPC橋節材體積為24%，節材重量為35%，節能54%，減少直接排放CO2和全球變暖潛能GWP（當量CO2排放）分別達到59%和44%。UHPC節材和減排優勢見表3[7]。

表1 幾種混凝土的主要力學性能對比

表2 幾種混凝土的主要耐久性的對比

表3 同等承載力條件下不同混凝土參數對比

由表3可知，相同承載力作用下，UHPC的等效體積最小，加之能夠在結構中承受更高的剪切荷載作用，從而可以減少梁中的輔助配筋。所以，采用UHPC替代普通混凝土用于工程結構的設計，不僅可顯著地減小工程結構的尺寸，同時還可減少建造材料的消耗。盡管UHPC材料更為昂貴，但由于UHPC的耐久性好，維護要求和成本低，結構物全生命周期內成本更低。

2 國外研究與應用進展

UHPC具有優異的力學性能和超高的耐久性能，所以自問世以來，一直備受人們的關注。在UH?PC研究領域，國外一直處于領先地位，針對UHPC開展了大量關于原材料組成、配合比設計、工作性能、力學性能、耐久性能、微觀結構等方面的研究工作。Pierre Richard等人系統研究了不同材料、不同工藝和養護制度對RPC性能的影響，并總結提出RPC的增強、增韌方法[3]；Marcel cheyrezy等人系統開展了RPC微觀結構研究，揭示了RPC超高強和超高耐久性的原理[8]；J.Dugat等人通過開展RPC力學性能試驗和不同纖維摻量試驗，得出了鋼纖維的最佳摻量[9]；Soliman等人基于CPM模型研究了UHPC配合比，進而分析了玻璃粉替代硅灰量對UHPC抗壓強度的影響[10]；Zdeb等人研究了熱養護參數對RPC抗壓強度的影響，得出蒸汽養護和蒸壓養護的最佳參數[11]；Smarzewski等人研究了摻混雜纖維對UHPC性能的影響，發現鋼纖維對UHPC抗拉強度貢獻最大[12]；V.Morin等人通過試驗研究了RPC水化反應進程中的孔隙結構特性[13]。此外，國外一些學者通過試驗研究還總結出了RPC細顆粒組合的數值級配優化方法和原則[14]。

目前，UHPC在國外已經開展了大量工程應用并取得良好的效果，例如：加拿大最先采用RPC修建了一座人行天橋，這是世界上首次使用RPC材料開展的工程應用實例；法國2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋—Bourg-les-Valence跨線橋[15]；2006年美國在愛荷華州建成了Mars Hill公路橋，美國還利用RPC材料制備了特殊要求的管道[16]；德國于2007年建成世界上首座UHPC-鋼組合橋梁—Grtnerplatz橋[17]；2010年奧地利建成世界上第一座UHPC公路拱橋—Wild橋[18]；日本采用UHPC建造的Sakata Mirai人行天橋，自重只有普通混凝土橋梁的20%[19]。馬來西亞Dura科技公司實現了UHPC的商業化，目前已建成橋梁100多座，是世界橋梁結構應用最多的國家[20]。韓國修建了世界上第一座UHPC人行斜拉橋，推動了UHPC在斜拉橋上的應用，設計建設的UHPC斜拉橋（Legoland Theme Park Bridge），為獨塔雙跨斜拉橋，主跨100m，圓環形主塔高35m，主梁采用UHPC雙主梁，橋面板厚15cm，主梁自重減少30%[21]。國外為了推動UHPC廣泛地應用于實體結構上，研究方向已由UHPC基本性能的研究轉為UHPC構件及結構設計。

3 國內研究與應用進展

我國關于UHPC的研究和應用起步較晚，近年來也開展了大量研究工作。曹峰、覃維祖等人采用粉煤灰作摻合料配制出性能優良的UHPC，并同時研究了粉煤灰對UHPC的物理和化學作用[22]；劉斯鳳、孫偉等人對UHPC耐久性進行了研究，結果表明：UHPC的抗碳化、抗凍融及耐水等性能非常優異[23]；施韜、施惠生等人采用礦渣作為活性組分配制RPC，系統研究了礦渣摻量、養護條件等對RPC力學性能的影響[24]；龍廣成、蔣正武等人圍繞RPC的自干燥效應開展了系列研究[25]；胡曙光、彭艷周等人開展了摻鋼渣粉RPC的試驗研究[26]；何峰、黃政宇等人開展了200～300MPa活性粉末混凝土（RPC）的配制技術研究[27]；李月安通過研究發現在UHPC基體中加入0.15%的聚丙烯纖維后，UHPC的沖擊韌性提高了5.2%[28]；耿飛、錢春香等人發現UHPC中大摻量EA膨脹劑可促進鈣礬石的產生從而補償收縮[29]；明陽、李順凱等人先后在大摻量礦物摻合料UHPC配制技術、UHPC補償收縮技術及大體積結構UHPC應用技術等方面開展了研究工作[30]。邵旭東等人設計并研究了正交異性鋼板-薄層超高性能混凝土組合橋面結構體系，研究表明在結構剛度和疲勞開裂等問題上均優于普通鋼橋面板和其它組合橋面板[31]。

目前，國內除了在UHPC材料和結構方面開展了大量研究，實際工程應用也越來越多。1999年，北京交通大學就研究設計出UHPC箱梁、T梁、槽梁、無配筋空心板等預制構件，并在北京五環和青藏鐵路中獲得成功應用[32]。2006年遷槽鐵路灤柏干渠大橋采用了低高度后張預應力UHPC梁；2008年UH?PC低高度梁又在薊港鐵路上獲得應用。湖南大學方志教授團隊主持研發和設計的國內首座UHPC橋梁——長沙北辰三角洲橫四路跨街天橋于2016年順利建成通車，這也是國際上首座采用全預制拼裝工藝建成的UHPC車行箱梁橋。邵旭東[33]采用UH?PC設計了鋼-UHPC組合橋面板結構，充分利用UH?PC的高抗拉特性解決了普通鋼橋面鋪裝易開裂的難題，并在廣東肇慶馬房大橋取得成功應用。隨后邵旭東團隊采用該結構在怒江二橋開展了現澆施工應用研究，繼而采用UHPC鋼橋面鋪裝建成株洲楓溪大橋和洞庭湖大橋。中交二航局團隊在高溫、高鹽環境采用現澆UHPC進行了中馬友誼大橋鋼橋面鋪裝，通過自動攤鋪設備厚度精確控制在6cm，總鋪裝面積達2325m2。襄陽龐公大橋首次在索塔鋼混結合段之間采用現澆UHPC進行大體積施工，共澆筑UHPC方量達300m3，實現UHPC大體積混凝土結構的首次工程應用[34]。正在建設的南京五橋，主梁底板、腹板采用鋼結構，頂板采用17cm厚超高性能混凝土板，UHPC設計抗折強度大于18MPa、抗壓強度大于150MPa，采用5～10mm碎石粗骨料進行配制，顯著降低了UHPC的配制成本。青龍洲大橋主梁為鋼-UHPC輕型組合梁，其中橋面板采用鋼板條與UHPC矮肋板組合的形式，頂板厚100mm，縱肋高120mm（含8mm厚鋼板條），該橋正在施工中，將于2019年底建成通車。

4 研究和應用中存在的問題

UHPC具有十分優異的性能，在實際工程中也得到了良好的應用效果。但由于某些技術發展的遲滯，UHPC的優異性能不能得到充分發揮，在其研究和應用過程中存在的主要問題包括以下幾個方面：

（1）制備工藝復雜。由于UHPC是采用緊密堆積理論進行配制的，所以需要通過調整原材料顆粒級配使體系達到最緊密堆積狀態，利用高效減水劑實現超低水膠比配制，同時需要添加大量鋼纖維提高抗拉強度，所以UHPC工作性能差粘度大，攪拌過程和施工過程困難對設備要求較高。此外，蒸汽養護能顯著提高UHPC的性能，為了實現更好的性能，有時必須采用蒸汽養護。所以，如何提高UHPC的工作性能和實現現澆免蒸養的高性能化，是今后主要的研究方向。簡化UHPC的制備工藝才能使其在現澆工程中得到大面積推廣。

（2）生產成本高。配制UHPC需要使用大量優質原材料，包括優質水泥、優質石英砂、硅灰、超細粉煤灰、鍍銅鋼纖維和高效減水劑等材料，導致其配制成本較普通混凝土大大提高，尤其是需要添加大量價格昂貴的鍍銅微絲增韌，是限制UHPC在工程中大面積應用的主要因素。因此，根據UHPC的制備原理來尋找來源廣泛且價格低廉的替代材料，提高纖維使用效率，降低UHPC的制備和生產成本是當前以及今后的主要研究方向。

（3）自收縮大。由于UHPC配制過程水泥用量超大，又要大量使用硅灰等活性粉末材料（其中硅灰摻量可達20%以上），同時制備原理要求水膠比超低，所以UHPC早期水化放熱量較大、自收縮量也很大。另一方面，如果UHPC采用蒸汽養護，在養護過程中其局部溫度易產生較大變化，進而造成較大的溫度收縮。所以，如何通過補償收縮技術有效抑制UHPC的自收縮以及減少溫度收縮，也是今后重要的研究方向。

（4）相關規范標準不完善。當前我國UHPC相關標準規范發展滯后，只有少量材料相關的規范標準，如2006年實行的《客運專線RPC材料人行道擋板、蓋板暫行技術條件》，以及2015年頒布的國家標準《活性粉末混凝土》。但相關結構設計規范還未完全出臺，僅有一些供參考的地方標準，如2015年廣東省頒布的《超高性能輕型組合橋面結構技術規程》。UHPC相關標準的不完善，給UHPC的結構設計和應用等方面帶來了困難，直接限制了UHPC在我國的應用。2018年由中國混凝土與水泥制品協會一次性下達了《超高性能混凝土：預制構件技術規程》、《超高性能混凝土：結構設計技術規程》、《超高性能混凝土：現場澆筑施工技術規程》的標準制定計劃，以上三項標準制定完成后，將能更好的促進UH?PC在我國的工程應用。所以，完善相關的規范標準以更好地指導UHPC的快速發展是目前首要解決的問題。

5 總結

UHPC是一種基于緊密堆積理論制備的新型水泥基復合材料，具有優異的力學性能、耐久性能和環保經濟效益。國外在UHPC理論研究和應用研究方面都取得了大量成果，UHPC在國外實際工程中已經獲得了廣泛的應用。近年來國內研究人員緊跟國際步伐，開展了大量的UHPC理論研究和應用研究，并實現了一批實際工程應用，為我國UHPC的大面積推廣應用奠定了基礎。但是目前我國UHPC在研究和應用方面還存在一些亟需解決的問題，比如材料工作性能差、養護制度苛刻、制備和材料成本高、自收縮大、相關設計和施工標準仍需完善等。在應用方面，UHPC在預制構件領域應用較好，在現澆工程中的應用也逐步開始，但主要集中在鋼橋面鋪裝、鋼混結合段和濕接頭濕接縫等部分工程部位，完全采用UHPC材料設計的結構應用較少。這與國外UHPC工程應用還存在一定的差距，尤其在中國近30年大規模的基礎設施建設背景下，顯得差距更大。隨著“綠水青山就是金山銀山”理念的深入，中國對環保和可持續發展的日益重視，UHPC這種低碳環保材料在今后的基礎設施建設中將有廣闊的應用前景，我國在UHPC的理論研究和工程應用方面也有望趕上并超過世界先進水平。