超高性能混凝土研究與應用進展

劉瑜 LIU Yu；劉曉貝 LIU Xiao-bei；黃荊 HUANG Jing

（①北京世紀千府國際工程設計有限公司，北京100089；②桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林541004）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，橋梁工程、地下結構工程等現代工程向著壽命更長、標準更高的方向發展，故對混凝土提出了更高的工作性能要求。1994 年，法國學者首次提出了 UHPC 的概念[3]，即超高密度（Ultra-High Performance Concrete）。UHPC 是基于最大堆積密度原理制備而成的，與傳統的混凝土相比，具有超高強度、高韌性延性、高耐久性等優異性能[3]；此外，鋼纖維的加入對其整體強度的提升有較大影響[4]。基于以上優異性能，UHPC 已廣泛應用于大跨度特殊結構、超高層建筑和橋涵隧道等工程領域，并且在市政工程、國防工程等領域有較好的應用前景[5]。鑒于此，筆者在UHPC 材料制備、力學性能、應用現狀等方面進行了介紹，為UHPC 的后續研究提供借鑒和參考。

1 制備過程

1.1 原料 水泥，普通硅酸鹽水泥P.O 42.5 級以上，試塊28d 強度要求達到42.5MPa 以上；石英砂，分別為細砂、中砂、粗砂；硅灰，主要成分為氧化鈣、二氧化硅，是由硅灰石礦石經粉碎研磨制成；鋼纖維，長徑比為30～100，纖維和砂漿之間的粘合就會增加；減水劑，起到對水泥顆粒拌合的分散作用，減少單位用水量，改善混凝土混合物的流動性。

1.2 制備工藝 ①稱量一定量的細砂、中砂、粗砂攪拌5 分鐘；②加入水泥攪拌3 分鐘；③加入硅灰攪拌約10 分鐘，使其干粉料充分拌合均勻，制成UHPC 干粉料，干粉料拌合均勻后；④加入稱量好的鋼纖維，以避免鋼纖維結塊而導致分布不均勻的情況，待鋼纖維充分攪拌均勻后；⑤加入配備好的水和減水劑，攪拌約10 分鐘直至拌合物具有較好的流動性。其工藝流程見圖1。選用合適的配合料，采用最緊密堆積理論進行了超高性能混凝土基體的配合比試驗。

圖1 UHPC 制備工藝流程

參照GB/T50081-2019《混凝土物理性能試驗方法標準》[1]，分別按照齡期為7d 和28d 的力學性能進行測定，抗壓試件分別采用立方體100mm*100mm*100mm、棱柱體100mm*100mm*300mm、圓柱體Φ100mm*100mm 的模具成型；抗折試件采用100mm*100mm*400mm 的模具成型，成型后將試塊置于標準養護條件下養護7d 和28d 后脫模，脫模后的試塊置于相同養護條件下養護至各齡期，并測其強度。

2 力學性能

2.1 鋼纖維摻量對UHPC 力學性能的影響

影響UHPC 強度的主要因素是其孔隙結構，因此，降低孔隙率，提高密實度，優化孔結構，是提高UHPC 性能的有效措施，而鋼纖維的摻入可以改善UHPC 的性能。因此本文主要研究鋼纖維摻量對UHPC 受力性能的影響。設置0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%共 7 組不同的鋼纖維體積摻量，研究不同鋼纖維體積摻量對UHPC 工作性能和力學性能的影響。

實驗發現，隨著鋼纖維體積摻量不斷增加，UHPC 坍落度和擴展度會不斷降低，這是因為鋼纖維在攪拌作用下互相搭接成結，在UHPC 基體中形成纖維網，體積摻量越大，鋼纖維形成的網狀結構越密，其混合物間的摩擦力和阻力越大，工作性越差。綜合考慮其經濟性、強度要求等均要滿足工作性能，確定最佳鋼纖維體積摻量為2%。

觀察試塊抗壓破壞形態可發現，鋼纖維的加入改變了混凝土的破壞形式，由常見的脆性破壞轉變為塑性破壞[2]，UHPC 試塊破壞后有大量的裂紋產生，但仍保持完整狀態，說明當試塊出現裂縫后，鋼纖維和基體之間的粘接作用可以提供部分拉應力。當裂縫完全展開，裂縫區基體會退出工作，則鋼纖維與基體之間的剪應力來承擔全部的拉應力，故若加入鋼纖維，基體的延性就會明顯提高。

2.2 基本力學性能分析

2.2.1 抗壓性能 抗壓強度作為UHPC 基本力學性能指標之一，一直以來深受關注，本文選用了不同鋼纖維摻量的7 組試件進行控制變量法研究，發現隨著鋼纖維摻量逐漸增大，其抗壓強度逐漸增強；選用齡期為7d 的立方體試塊為例，其鋼纖維摻量-抗壓強度曲線見圖2。由圖2 可以發現，鋼纖維摻量從1%增加到1.5%，抗壓強度增幅最大，并實測得到抗壓強度提高了38%。

圖2 鋼纖維摻量對UHPC 抗壓強度的影響

2.2.2 抗拉性能 測試UHPC 抗拉強度的試驗方法主要有軸拉試驗、劈裂試驗和彎拉試驗[10]。我國國家標準規定彎拉試驗應采用100mm*100mm*400mm 的棱柱體試件[3]，加載方式為三分點加載，試驗裝置簡單，操作方便。國內學者張哲[6]研究了鋼纖維含量和類型對摻混合鋼纖維UHPC的軸拉性能的影響，結果表明混合鋼纖維UHPC 呈現應變硬化和多元開裂的特性；隨著鋼纖維含量的增加，UHPC的可視開裂應變增加，且摻入端勾型的鋼纖維的增強效率大于平直型鋼纖維。張陽[4]等人通過四點彎曲試驗研究發現增加鋼纖維含量，試件彎拉韌性比增加，說明試件開裂后，增加UHPC 基體中鋼纖維體積含量，能夠提高其殘余應力，阻礙了裂縫的進一步發展，試件的變形減小，韌性增強。由此可見增加UHPC 鋼纖維體積含量，有利于增強UHPC 的彎拉性能。

3 應用進展

UHPC 憑其超高強度、超高耐久性等優異性能，現已被廣泛應用于橋梁工程、建筑結構工程等領域，與普通混凝土相比，UHPC 可以使施工工序簡化，且可以在惡劣、復雜的環境中提高建筑的使用壽命，使結構具有更高安全性能的同時，降低了后期維護費用，其全壽命周期的綜合成本更優于普通混凝土。現全球有約1000 座橋梁采用了UHPC 材料，大致分布情況見圖3。

圖3 UHPC 材料橋梁全球分布情況

3.1 UHPC 在國外的應用進展

加拿大于1997 年修建了世界上第一座UHPC 橋梁——舍布魯克人行橋，該橋的創新體現在結構和材料上，其橋梁主體結構為預制鋼管-超高性能混凝土桁架，節段內未配置鋼筋，僅采用后張法拼接和節段預制工藝施工而成[5]。韓國于2002 年采用UHPC 建成了一座人行天橋，并對該橋的結構和材料進行了測試和分析，編寫了關于UHPC 橋梁的設計規范，而后韓國自主建成了第一座UHPC 斜拉橋[5]。法國于2005 年最先采用了UHPC 橋面面板[5]，橋面不再鋪設瀝青混凝土和防水層，在很大程度上減輕了橋梁上部結構的自重。奧地利于2010 年建成了世界上第一座UHPC 公路拱橋——Wild 橋[8]，見圖4，該橋的結構為并列的雙桁架拱，由預制正方形薄壁箱梁和接頭現場組裝而成。該橋充分利用了UHPC 材料輕質高強的特點，使拱橋結構細巧，并具有優美的造型。

圖4 Wild 橋雙桁架拱結構

UHPC 除了在橋梁工程上的應用，在建筑結構上也開拓了應用空間，法國于1998 年率先在發電廠采用預制預應力梁，并開始用UHPC 材料制作房屋構件，如幕墻、屋蓋、外掛墻板等[5]。法國millau 高架收費站也采用了UHPC材料[8]，板厚僅10 厘米，結構飄逸美觀。

3.2 UHPC 在國內的應用進展

自1994 年在UHPC 提出不久后，中國在鐵道工程高鐵電纜槽蓋板領域大規模應用UHPC 材料。近十幾年來，我國高度關注UHPC 在工程中的應用，在UHPC 的應用上獲得了新的突破，主要集中在橋梁接縫澆筑、后期維修加固等方面[7]。UHPC 在我國首次規模化使用是在2005 年沈陽工業廠房擴建工程中，采用了C140 級UHPC 制作了329 件預制構件，均為預應力大體積構件[7]。世界首座全預制拼裝UHPC 橋梁于2016 年在湖南長沙竣工[7]，橋梁的厚度只有普通混凝土橋梁的三分之一，全橋僅有2 個橋墩，若用普通混凝土澆筑建造至少需要5 個。該橋梁先在工廠預制，然后運至現場，僅用了10 小時拼裝搭建而成，中國工程院院士陳政清專家[7]見證了這座天橋的誕生，并評價道：“這座橋的竣工，在中國超高性能混凝土工程應用領域是一個飛躍[7]。”

除用于制作預制構件外，UHPC 現場澆筑技術也在不斷發展，其中應用最為廣泛的是鋼橋中的鋼-UHPC 組合橋面板，邵旭東教授[9]團隊自主研發的STC 輕型組合橋面結構，可徹底解決的世界性難題是鋼結構疲勞開裂。莫時旭教授[10]團隊也對UHPC 部分充填混凝土窄幅鋼箱組合梁受力性能進行研究，發現負彎矩區混凝土開裂以及鋼箱失穩產生屈曲是此類結構最終破壞的主要原因，因此提出使用UHPC 材料來代替普通混凝土受拉并在中支座區充填混凝土來提高鋼箱穩定性，以此改善了混凝土在負彎矩區的開裂問題，并提高了組合結構的受力性能。

4 結語與展望

自20 世紀90 年代UHPC 誕生以來，發展了近20 年，從最初單純的追求超高強度，到后來兼顧工作性能，再到充分發揮耐久性等優點達到節能減排、節約成本，從而實現可持續發展目標。UHPC 除在橋梁工程被廣泛應用外，在軍事工程、核電工程、海洋工程等方面也都有著廣闊的前景。經濟性是限制其大規模應用的主要原因，由于UHPC 中大量使用硅灰、石英砂、鋼纖維，其成本大約是普通混凝土價格的20 倍，因此在不降低UHPC 優異性能的基礎上尋求更低成本的集料、纖維是未來研究UHPC 材料的發展方向，所以UHPC 材料還有很大的進步發展空間。