超高性能混凝土研究與應用現狀*

衛煜，陳平，明陽，李玲，甘國興

（1. 桂林理工大學材料科學與工程學院，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 Concrete,簡稱 UHPC），以其耐久性高、工作性高、強度高著稱。1994 年 Larrard 等人[1]首先提出，中國 UHPC 研究最早出現在上世紀末，中國混凝土與水泥制品協會UHPC 分會指出[2]，在我國最早規模化應用的是客運專線的電纜溝蓋板，目前仍然作為一種具有優異力學性、耐久性及工作性的材料，于 2019 年搭建 UHPC 國本自生化交流平臺。

黃祥等人[3]就目前 UHPC 新材料進行探索研究，UHPC 具有高耐久性，良好的抗凍性、耐水性、抗碳化性、抗海水腐蝕和高環保性；具有高力學性能，包括抗壓強度、抗拉強度、高粘結強度等。趙筠等人[4]研究了UHPC 優異的性能，在當下主要是通過高溫蒸汽養護以及原材料的精選精摻來實現；UHPC 結構均勻致密，工程應用需考慮新拌 UHPC 的工作性，重視粘結性能、流動性與強度的關系。

UHPC 的單位價格高，閆培渝[5]從纖維材料的摻入、養護成型工藝及大量使用膠凝材料方面，解釋了成本顯著提高的原因，史才軍等人[6]研究表明，養護使用高溫蒸汽養護導致高耗能和低生產效率。在實際工程應用中的一次性投入成本高。張靜[7]研究表明 UHPC 構件優異的耐久性和力學性能，能有效延長工程項目的壽命，同時減少施工過程中的配筋成本及施工成本，與同樣目標要求的普通混凝土構件和鋼筋混凝土構件相比，綜合成本會更低。在可持續發展的背景下，為今后的理論研究和工程應用提供了有利前提條件，并且 UHPC當下已是備受矚目的研究領域。

1 制備技術方法

UHPC 主要由水泥、細砂、石英砂、硅灰、高效減水劑配制而成，根據不同的項目要求對配比進行調整，對韌性要求高時，可通過摻入鋼纖維進行增韌。閆培渝[5]指出制備技術方法有以下幾種：一、完全使用細骨料，粒徑小于 300μm，提高 UHPC 的均勻性；二、優化骨料級配，提升密實度；三、摻入超細活性礦物摻合料，利用微粉填充效應，降低內部孔隙率，改善內部結構；四、改善養護條件，使用熱養護和加壓養護；五、摻入鋼纖維增韌，提升延性。

徐立斌等人[8]通過配合比設計減小水膠比、增大水灰比、控制單位用水量可配制 100MPa 以上的可泵送UHPC。袁明等人[9]研究了當選定的砂膠比為 1.0 時，隨著水膠比下降，力學性能呈現上升趨勢。水膠比為0.18，砂膠比為 1.0～1.6 時，抗壓強度出現先上升后下降的趨勢，在砂膠比為 1.2 時達到峰值。胡翱翔等人[10]研究石英砂級配可通過修正的 Andreasen &Andersen 法，基于最大堆積密度理論計算；水泥、硅灰的相對質量分數可通過密度實驗計算；水膠質量比、膠砂質量比和纖維提積分數可通過單一變量試配實驗得到；確定最佳配比需綜合考慮抗壓強度和工作性。張高展等人[11]研究表明 UHPC 組成成分較復雜，需加入骨料和膠凝材料堆積密實度變量，進行雙重結合設計，達到增加 UHPC 密實和節材效果。

趙學濤等人[12]研究了在普通工藝下，摻加 3%～5%石粉取代水泥和硅灰，能得到滿足性能要求的 UHPC。使用鈦礦渣粉和超細石灰石粉復摻，能減小水泥用量達 348kg/m3，取代率達 40%。陳劍雄等人[13]、王德輝等人[14]、黃政宇等人[15]摻入礦粉延緩 UHPC 的水化速度，硅灰、納米 SiO2、納米 CaCO3能提升水化速度。李宇容等人[16]研究了自密實免蒸養工藝下，通過濕顆粒堆積密實度測試方法進行配合比摻合試驗，考慮強度與流動性，使用標準養護條件，得到硅灰最佳摻量為 10% 左右，建議膠凝材料中的水泥 : 粉煤灰微珠 : 硅灰=1:0.2:0.1，砂膠比 0.8～1.0，能制備抗壓強度150MPa 的 UHPC，摻入 2% 鋼纖維后，抗壓強度能達到 140MPa。

張哲等人[17]研究了摻入鋼纖維的類型、摻量和形狀對 UHPC 的影響，端鉤形力學性能表現最好，比素混凝土提升了 61.9%，UHPC 彈性模量、抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加而增加，隨鋼纖維的長徑比增大而增大。高緒明[18]研究表明新拌 UHPC 流動性能隨鋼纖維的長徑比增大而減小。由于纖維有較高彈性模量，楊簡等人[19]研究了摻入纖維對 UHPC 的影響效應，表明摻入后發揮正效應，但會降低拌合物流動性，使內部缺陷和孔隙率增加，產生削弱彈性模量的負效應，總的表現為彈性模量增強。

仵鵬濤等人[20]通過計算機建模進行細觀分析，采用靜態壓縮和劈裂試驗對模型進行驗證，能很好預測UHPC 的靜態、動態性能，得出鋼纖維在 0～1.5% 的范圍內，動態強度隨著鋼纖維體積率的增加而顯著增大，并且動態增強因子低于傳統混凝土材料。

2 性能及影響因素

2.1 工作性

UHPC 工作性研究主要集中在流動性、和易性等方面。沈銳等人[21]研究發現 UHPC 的流動度變化可以通過骨料的比表面積進行描述，降低比表面積使流動性提高，抗壓強度降低。袁明等人[9]在石英砂最大堆積密度下摻入鋼纖維，UHPC 坍落度隨鋼纖維摻量增加先緩慢下降，后迅速下降。可通過摻入 5%～30% 超細石灰石粉或與 20%～40% 鈦礦渣粉復摻，改善 UHPC 的和易性，降低坍落度損失[13]。

膠凝材料用量大、水膠比低的 UHPC 拌合物黏稠，嚴重影響泵送性能。徐立斌等人[8]研究了可通過礦渣粉、粉煤灰、硅粉等礦物摻合料復配，增加礦物摻合料摻量、提高水灰比配制可泵送 UHPC，并且強度達到100MPa 以上。黃政宇等人[15,22,23]通過研究發現，隨石粉含量增加，拌合物流動性先增大再降低。摻入納米材料，流動性、自收縮降低，高吸水樹脂（SAP）使流動度降低，減緩流動度損失，明顯降低 28d 自收縮。

2.2 力學性能

鄧宗才等人[24]研究了摻入鋼纖維、超細石灰石粉、納米材料對 UHPC 力學性能的影響。UHPC 具有均勻致密的微觀結構，纖維對 UHPC 起增韌效果，纖維體積摻率為 1.0%、2.0%、2.5% 和 3.0%。楊松霖等人[25]研究了不同類型鋼纖維對混凝土流動性、抗壓強度、斷裂能和彎曲韌度有相較最優的摻率。摻入 10% 超細石灰石粉，3d 抗壓強度達 95.4MPa，并且后期發展良好。基于石英砂最大堆積密度，隨鋼纖維摻量增加，UHPC力學性能均勻上升，當鋼纖維體積摻量為 3% 時，抗壓強度達 210MPa。通過改變微觀結構，納米 CaCO3使UHPC 均勻密實，提高抗折抗壓強度。曹方良[26]將研究結果表明，摻入納米材料能提高 UHPC 強度，對抗折強度提升明顯，能改善 UHPC 的翹性、韌性。

2.3 耐久性

UHPC 抗凍性和抗銹蝕性能均優于普通混凝土。王德輝等人[14]研究表明氯離子擴散系數為 10-9cm2/s 數量級。劉娟紅等人[27]使用標準碳化箱進行混凝土碳化研究，水泥用量大于 300kg/m3時，UHPC 的 28d 碳化深度為 0mm；水泥用量為 200kg/m3和 100kg/m3時，UHPC 的 28d 碳化深度分別為 2mm 和 4mm。經 300 次凍融循環后，UHPC 質量損失小于 1%，動彈性模量損失小于 5%。當不摻引氣劑時，UHPC 質量損失和動彈性模量損失與含氣量為 4.7% 的引氣混凝土相當。和普通混凝土及鋼纖維混凝土相比，經過 300 次凍融循環后，UHPC 彎曲抗拉強度減小 27%，其他混凝土的彎曲抗拉強度幾乎為零。當 UHPC 浸泡于飽和硫酸鈉溶液和飽和氯化鈉溶液中，在 90℃ 恒溫箱干濕循環 30 次后，UHPC 質量損失很低，侵蝕僅出現在混凝土表面。

2.4 高溫爆裂抑制效果

賴建中等人[28]研究表明復摻 2% 鋼纖維和 1% 聚丙烯纖維能有效抑制 UHPC 高溫爆裂，在高溫作用后保持完整的形態，鋼渣骨料混雜纖維 UHPC 具有優異的高溫力學性能，在 1000℃ 高溫作用下仍能保持 67%殘余強度。朋改非等人[29]從質量損失、超聲波波速、拉壓強度三個方面分析高溫作用后 UHPC 性能變化規律。對含有聚乙烯醇（PVA）纖維的 UHPC 進行高溫試驗，表明混摻 PVA 纖維和鋼纖維，既可以改善高溫下UHPC 的抗爆裂性能，又具有很高的殘余強度。

3 應用

UHPC 具有優異的力學性能、高耐久性和工作性等特點。敖長江[30]研究了中國 2005 年第一次將 UHPC 應用于工程中。項海帆[31]、邵旭東等人[32]指出未來的大橋應采用高性能、高強度材料。利用 UHPC 強度高的性質，可以減小結構構件尺寸，獲得更多的使用空間，建造跨度更長、凈空更大的橋梁，減小高層建筑中底層柱子截面尺寸，得到更多的使用面積。閆培渝[5]研究了利用 UHPC 高抗拉強度、耐腐蝕性質可制作輸油、輸氣管道替代造價較高的大口徑厚壁鋼管，顯著提高管道耐久性、降低成本；利用 UHPC 的高抗滲性，制造中低放射性核廢料儲存整體容器；于軍事與安保領域，制造抗爆炸、抗沖擊裝置；制作裝飾部件，隔聲屏障，錨定等；現場搶修，結構加固等。

4 結語

UHPC 發展至今有近 30 年的歷程，理論方面不斷地向前開拓，工程應用項目也一個個建成。目前對UHPC 的研究還不夠透徹，在一味強調達到目標性能的同時，也要重視投入與產出的關系。隨著人類對全球環境的意識逐漸加強，UHPC 有望應對復雜多變的嚴酷環境，同時也提高了對環保性能的要求。在中國經濟日益發展的大背景下，UHPC 未來的發展會越來越快，應用領域也將越來越廣。