UHPC 超高性能混凝土制備及工程應用研究

王小林

（贛州城投工程管理有限公司，江西 贛州 341000）

1 UHPC 制備原理

1.1 提升均質性

對于大部分的固態材料而言，其理論壓縮強度通常為其彈性模量的0.1-0.2 倍，而實際測量值只有（0.1-0.2）×10-3倍。二者的差異很大，這是由于其內部組織不完整，缺陷增多所致。要想使UHPC 的強度和耐久性得以充分發揮，首先就應確保UHPC 內部的均質性。所謂均質性是指材料的結構和性質能夠在宏觀上保持高度均勻，不會存在較大差異，材料的整體力學性能可以得到充分發揮。普通混凝土是由水泥、粗骨料、細骨料和水按一定比例混合攪拌而成，之后通過泵送進入模具中，成型為立方體、棱柱體等形狀。由于普通混凝土中的細骨料含量很高，其表面粗糙，其棱角也比較尖銳，且表面吸附的水較多。這樣，在水泥漿中便存在較多的孔隙和微裂縫，同時混凝土的密實性也會降低，因此在澆筑成型后，便會導致內部結構不均勻[1]。要想使UHPC 的均質性得以提高，在原材料中加入適量的超細礦物骨料是很有必要的，因為這種骨料的表面通常會粗糙，且表面吸附較多水分，同時其自身具有較高的彈性模量，這些特點都有利于提高混凝土的力學性能。

1.2 提升堆積密度

在UHPC 的制備中，根據其對堆積密度的要求，通常都會選用高流動性的水泥和骨料。在體積率一定的情況下，顆粒越大，則堆積密度越高。如果在一個顆粒中加入了其他的材料，其密度也會增加，這就是堆積密度受到顆粒大小的影響。按照晶體學的理論，當兩個原子在同一空間內排成一條直線時，它的壓縮系數是0.68，而最密的一條直線，它的壓縮系數也是0.74。為了提高填充密度，通常會在大顆粒和小顆粒之間添加合適的顆粒。這樣就能確保填滿合適的位置，剩余的位置也會有相應的次序，讓整個空間變得最密集[2]。

1.3 改善微觀結構

在進行超高性能混凝土的制備過程中，為確保其微觀結構的穩定性，在前期需要進行水化反應，同時也會在水泥水化過程中產生一定量的硅酸鈣水化物。經過長時間的水化反應后，會在水泥石中形成一定量的活性成分。超高強度混凝土澆筑完畢后，必須進行高溫養護，才能加快水化過程，并將火山灰的效果發揮到最大。對于200MPa 以上的超高性能混凝土，在20℃-90℃環境下，仍需進行水化產物尚未定型的常溫養護。隨著溫度的逐漸上升，火山灰作用逐漸增強，其微結構也隨之發生顯著改變，尤其是有害孔體積逐漸減小，孔隙逐漸變細。

2 UHPC 的制備

2.1 制備階段配合比的設計

2.1.1 基本原則

制備階段配合比的設計應遵循以下原則：

1.要滿足UHPC 強度與耐久性的要求，其強度要達到≥200MPa，且具有高韌性、高抗拉等性能。

2.UHPC 中材料組成要多樣化，其中包括水泥、活性摻合料以及纖維等。水泥選用高性能水泥，同時加入一定量的粉煤灰和硅灰；活性摻合料的選擇要以硅灰為主，同時也可考慮加入一定量的粉煤灰；纖維材料可以選用鋼纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等，加入量一般控制在0.3%-0.5%[3]。

3.要保障UHPC 中各組分的均勻性，確保各組分的含量都在最佳值，不能出現過多或者過少的現象。

4.組分的細度應適當提升。UHPC 中各組成材料的細度通常有兩種：一種是指材料顆粒的平均粒徑，即在納米級范圍內；另一種是指材料顆粒之間的空隙率，即在微米范圍內。通常情況下，由于組成材料顆粒間的空隙率較大，使得材料內部的缺陷比較明顯。

5.在保證UHPC 各項性能指標達標的情況下，盡可能地降低水灰比。由于UHPC 中的各組分在硬化時都會受到自身化學性質的影響，導致水灰比過大，進而使得水化產物的堆積密度增大，由此使得材料內部的缺陷得到充分的釋放。

2.1.2 制備方案

1.精選原材料。經比對選擇水泥，宜采用硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥。經比選外加劑，可選用萘系、聚羧酸系、硫鋁酸鹽等。經比對選擇骨料，采用強度等級為32.5 級的普通碎石。經比選摻合料，選用硅灰、粉煤灰、礦渣粉和超細礦粉等。在實際應用中，通常要對水泥和相關的減水劑等進行較為科學的調整，確保兩者之間能夠互相適合。隨著混凝土的逐漸增強，其極限承載能力的降低，其失效形式更加突兀，是一種毫無預兆性的失效形式，給結構帶來了極大的損傷。為了讓混凝土自身的抗折性能及韌性不斷提升，需適量加入一些微細高強鋼纖維，在增強混凝土自身的韌性的同時，也能讓其抗沖擊能力不斷增加，確保整體破壞能夠發生合適的變化，轉化為局部微裂縫，從而對結構所受到的破壞產生一定的緩沖作用[4]。

2.配制流程。（1）配合比設計：選擇的水膠比為0.35,砂率為40%，超細集料為50%，礦物摻合料為10%，外加劑為0.3%；（2）配制試塊：在溫度為25℃的條件下進行養護；（3）配制超高性能混凝土試塊：在溫度為25℃的條件下進行養護，養護齡期7d；（4）配制標準強度試塊：在溫度為25℃的條件下進行養護，養護齡期7d；（5）制作試件：采用標準的養護方式，對其進行標準強度的測試。

3.具體的生產工藝。（1）原材料的檢驗：在進行原材料的檢驗時，應當嚴格按照標準的規定，在原材料的驗收過程中，要對其質量進行嚴格的檢驗。對于混凝土而言，其體積較為穩定，對材料性能有較強的依賴性，在進行檢測時，應當將混凝土的體積作為重要的參考依據。在進行檢測時，應將水泥、粉煤灰、礦粉以及其他材料作為主要的檢測對象，確保其能夠符合相關規定；（2）生產工藝：在生產工藝中，要根據實際情況進行合理的安排。通常情況下，主要分為自然養護以及熱養護兩種方式。在自然養護當中，應保證水泥能夠充分地水化，同時也要注意混凝土內部水分的蒸發速度。在實際生產中，如果溫度較低，應采用電地暖或者是電加熱等方式，提高養護的效果。在熱養護過程中，應注意環境溫度和濕度的變化。此外，對于原材料的用量，也要根據實際情況進行合理的調整。

2.2 制備階段的配合比

2.2.1 配合比設計理念

UHPC配合比設計應考慮現場結構或構件形式特點、施工工藝及環境作用等因素，應根據混凝土工作性能、強度、耐久性及其他必要性能要求計算初始配合比。首先，UHPC 配合比設計應根據現場施工工藝及混凝土使用要求，計算UHPC 用水量、砂率及用水量，并結合所用原材料的品種和質量，計算單位用水量及單位膠凝材料用量，并考慮UHPC 的密實性要求，采用合適的減水劑和摻合料，確保其工作性能滿足設計要求。其次，UHPC 配合比設計應采用先進的材料、技術和生產工藝。目前，國內外研究較多的是基于經驗的配合比設計方法，但在實際工程應用中并不適用。為此，需采用多因素正交試驗方法研究UHPC 配合比設計方法及其影響因素；通過優化配合比降低用水量、提高膠凝材料用量、增大骨料粒徑及調整施工工藝等，提高UHPC 強度。

2.2.2 試驗過程

1.稱重。根據所需的配合比，使用所收集的原材料，如水泥、硅灰、微珠、石英砂、石英粉、鍍銅鋼纖維、高效外加劑等，按對應的質量進行稱重。然后把全部干燥的粉末原料都放到攪拌機里，進行充分的混合。

2.攪拌。應該使用的是強制式混凝土攪拌機，將稱量好的干混料先攪拌2min，加稱量好的3/4 水和全部外加劑后，再攪拌4min，加剩余的1/4 水，攪拌約9min；在混合完畢后，再對其工作特性進行測試，確保檢測結果能夠符合設計的規定，以達到確保UHPC 自密實、自流平等工程應用的目的。如有需要，可選擇可調速的強力混合器，并根據混凝土狀況調節混合速率。

2.2.3 成型

根據配合比設計，試驗采用標準試件成型法進行。試件的高度為80-120mm，采用20mm×20mm 的立方體，在成型過程中，在標準試件成型機振搗時，為防止試件產生開裂現象，應采用兩個振搗棒同時振搗。在試件表面均勻涂上一層厚約2-3mm 的減水劑溶液，厚度為3-5mm；為使UHPC 試件在成型過程中有一定的體積膨脹率，在成型過程中用鋼模抹平后再用橡膠錘敲擊壓光。振搗時間以5s 為宜。采用兩個振搗棒同時振搗的方式，待試件表面初凝后，再用抹刀抹平表面；抹平后用小鐵錘輕輕敲打試件表面，直至試件表面平整。

2.2.4 養護

UHPC 的養護是制樣階段的最后一步，也是最關鍵的一步。養護不當會影響混凝土的強度，導致其達不到設計要求，或達不到施工驗收要求。因此，養護的好壞直接影響后續施工工序和質量。

對于已成形的試模，在其進行自然養護48h 后（可根據實際情況調節脫模時間），然后進行拆模?？刹扇藴收羝B護，蒸汽養護，熱水養護，標準常溫養護等多種養護方式。標準養護：將脫模后的混凝土試件馬上放到一個具有20℃±2℃，相對濕度超過95%的標準養護室中進行養護，將試件放置在一個養護架上，兩個試件之間的距離為10-20mm，并且要保證試件的表面是潮濕的，不能讓水直接沖淋。標準蒸氣養護：將脫模后的試件放在蒸汽養護箱中，以不超過15℃/h 的速度，將其加熱到90℃±1℃，并維持一定的溫度72 小時，同時要留意降低試件的表面溫度，然后以不超過15℃/h 的速度，將其冷卻到20℃±5℃。蒸養可以較快地反映出試驗成果，對今后超高性能混凝土的試車使用具有一定的參考價值。

3 UHPC 超高性能混凝土在工程中的應用

在公路交通工程中，UHPC 超高性能混凝土常被用于一些特殊部位，如：橋梁的懸臂、橋面鋪裝層、橋墩底部等。

3.1 橋梁懸臂

我國橋梁懸臂結構的應用實例較多，其中部分橋梁由于處于交通要道，易受車輛沖擊和碰撞，如：上海外灘跨黃浦江懸臂橋、深圳東門大橋、浙江泰順千祥橋等，這些橋梁都屬于超高性能混凝土結構。根據《公路橋涵施工技術規范》JTG/T 3650-2020 規定，懸臂梁的最大設計彎矩不應大于500kN·m，故在進行懸臂梁設計時，應控制其彎矩及最大設計荷載[5]。以上海黃浦江某懸臂梁為例，其最大彎矩為1676kN·m，最大荷載為1468kN。設計時，可將其作為一種新型的懸臂結構，并采用UHPC 超高性能混凝土作為橋面鋪裝。

3.2 橋面鋪裝層

在城市中，車輛密度較大，會產生較大的噪聲，影響市民的生活和工作環境。在城市交通工程中，橋面鋪裝常采用瀝青混凝土鋪裝，由于瀝青混凝土材料具有較高的硬度和彈性模量，不能抵抗車輛撞擊和振動等因素的影響，極易產生裂縫。而UHPC 超高性能混凝土由于其良好的韌性、抗裂性及高強度等特點，可用于橋面鋪裝中。如：上海黃浦江某懸臂橋，其橋面鋪裝采用UHPC 超高性能混凝土，以保證其耐久性和承載力。

3.3 橋墩底部

橋梁橋墩底部常采用鋼筋混凝土結構。但鋼筋混凝土材料在使用過程中，由于溫度、收縮及徐變等因素的影響，極易產生裂縫，且隨著時間的延長，裂縫會越寬。而UHPC 超高性能混凝土由于具有良好的韌性及超高的強度，在高溫、收縮及徐變等方面表現優異，因此可用于橋墩底部。

4 結語

總而言之，UHPC 超高性能混凝土在保證構件具有高強度的同時，還能有效提高其韌性，是一種具有巨大潛力的新型復合材料，具有廣闊的應用前景。期間采用合理的配合比，配制出拌合物性能好、工作性和力學性能優異、耐久性良好的UHPC 超高性能混凝土，是今后工作的重點。而在施工過程中，應嚴格控制水灰比、砂率及養護條件等因素，保證混凝土配合比設計合理、澆筑密實且養護到位，使UHPC 超高性能混凝土達到預期目標。UHPC 超高性能混凝土具有良好的耐久性，在使用壽命內不會出現明顯的裂縫，并能在一定程度上抵抗外部環境及荷載作用而發生的破壞，由此在未來將會得到更加廣泛的應用。