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本文由同济大学孙振平教授课题组唐晓博整理 注：本公众号所发布内容均为课题组原创，转载或修编时请务必注明出处。 自波特兰水泥问世以来，以水泥为主要胶凝材料的混凝土，因其抗压强度高、耐久性好、价格低廉等一系列优点，已发展成为用量最多，使用范围最广的建筑材料，目前已被广泛应用于建筑、桥梁、隧道、水港码头和道路等多个领域。随着高层大跨及有特殊功能要求的建筑物的设计建造，混凝土必须朝着更高强度、更高耐久性和更高可靠性的方向发展，在这种背景下，超高性能混凝土应运而生。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)，又称活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC），是继高强、高性能混凝土之后，出现的一种力学性能和耐久性更加优越的新型建筑材料。 UHPC于20世纪90年代由法国Bouygues公司首次研制成功。它是DSP(Densified System Containing Ultra-fine Particles)材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土[1]。超高性能混凝土的优异性能表现在以下几个方面：超高力学性能；超高耐久性能；优良的耐磨和抗爆性能。 与普通混凝土相比，超高性能混凝土在原材料、配合比和施工性等方面的要求有较大的不同。例如，UHPC配制所用水泥强度等级较高，水泥用量较大，水胶比较低，一般使用硅灰等超细掺合料，不使用粗骨料而使用石英砂等高强细骨料，同时掺加纤维(钢纤维或复合有机纤维)来降低混凝土的脆性，此外还根据不同需要加入多种外加剂。 超高性能混凝土是近年来最具创新性的水泥基工程材料，能够实现工程材料的大跨越。因此，超高性能混凝土将是今后相当长的时间内建筑材料行业的研究和应用热点。 1.1 超高性能混凝土的配制原理 高性能混凝土的配制原理是通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减小到最少，以获得超高强度与高耐久性[2]。 超高性能混凝土原材料中活性组分由优质水泥、硅灰(和/或其它活性微细组分)和石英砂等构成，活性组分的粒径在0.1μm-1mm之间，另外原材料还包括高效减水剂和短切钢纤维等。 1.2 超高性能混凝土的实现途径 (1)剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于300μm，提高骨料的均匀性。 (2)通过优化细骨料的级配，尽可能地实现最紧密堆积来提高体系的密实度。 (3)掺入硅灰和粉煤灰等超细活性矿物掺合料，使其具有很好的微粉填充效应，并通过化学反应减小孔径，降低孔隙率，优化体系内部孔结构。 (4)在硬化过程中，通过加压和热养护，将C-S-H转化成托贝莫来石，继而成为硬硅酸钙，改善材料的力学性能，并尽量减少化学收缩。 (5)通过添加短而细的钢纤维或其它品种高模量纤维，改善混凝土的韧性[3]。 2.1 UHPC基体 UHPC的超高性能来自于低水胶比及其自密实性，同时，胶凝材料基体中60%的超细工业废渣二元和三元的复合作用也不容忽略。在结构形成过程中，废渣特别是超细工业废渣的活性效应、形态效应和微集料效应得以发挥。超细粉煤灰颗粒和UHPC基体间的结合是化学结合，从而使之具有很高的粘结强度。超细粉煤灰具有高强度和高弹模的特征，这样就有效抑制了RPC基体和水泥基体中收缩裂缝的产生。 2.2 超细纤维的增强、增韧与阻裂效应 纤维对混凝土具有增强，增韧和阻裂效应。未掺入钢纤维的UHPC，在进行受压试验时由于内部积聚的能量太大而呈现爆炸性破坏，表现出比普通混凝土更大的脆性。纤维的作用效果取决于纤维的体积掺量和纤维间距，纤维越细以及纤维掺量越高，其强化基体的效果越好。刘斯凤等学者进行了一系列掺天然超细混合材的超高性能混凝土的制备及其耐久性研究，其所用的钢纤维为超细纤维。该研究中测试了纤维体积率为2%-4%时分布于RPC的纤维数量以及纤维间距。当超细纤维体积率分别为2%、3%和4%时，其纤维根数分别为6.4×107、9.6×107和1.28×108，纤维平均间距分别为1.71 mm、1.39 mm和1.21mm(三维乱向分布，ηθ=0.41)或1.55 mm、1.26 mm和1.09mm(二维乱向分布)。与普通纤维相比，掺超细纤维混凝土中的纤维间距提高了（2-4）倍，纤维数量提高了（1-2）个数量级。因此当纤维体积率相同时，超细纤维对RPC的增强、增韧和阻裂效应远远超过普通钢纤维对普通混凝土的增强效应，从而使抗折强度倍增[4]。 3.1 力学性能 目前超高性能混凝土的抗压强度可达200MPa-800MPa，抗拉强度可达20MPa-50MPa，弹性模量介于40GPa-60GPa之间。掺加微细钢纤维的UHPC其断裂韧性高达40000J/m2，是普通混凝土的250倍，可与金属铝媲美。预应力超高性能混凝土梁的抗弯强度与其自重之比接近于钢梁。 3.2 耐久性能 UHPC孔隙率极小，因此具有非常好的抗氯离子渗透性和抗冻性。其氯离子渗透性是高强混凝土的1/25；300次快速冻融循环后，试样未受损，耐久性因子高达100%。研究表明，气体渗透法比孔结构更能准确地评价UHPC的性能。 UHPC由于胶凝材料用量大、水胶比较低等原因易产生收缩和徐变，长期体积稳定性不佳，因此，工程中大多采用掺加减缩剂和膨胀剂等措施来减少收缩和徐变。同时，相关研究表明，由于孔隙致密，蒸压养护能减小UHPC的收缩量[5]。 4.1 原材料的品质与选用 原材料的质量差是制约超高性能混凝土在我国发展的主要因素，如水泥28d强度富余系数不能满足要求；骨料大都在小采石场用落后的颚式破碎机破碎，导致粒形不好，针片状颗粒多；外加剂性能不佳，与胶凝材料适应性不好等。另外，原材料质量稳定性欠佳也无法满足UHPC对均质性和耐久性的高要求。 在混凝土工程中选用骨料时，目前还存在普遍的认识误区，大多数教科书和专著中仍然将骨料压碎指标作为是主要的取舍标准。大量实验和工程实践经验显示，骨料的其它物理性质如粒形、级配、膨胀系数、弹性模量和杂质含量等对混凝土的强度和耐久性也有极大影响。尤其是在配制UHPC时，在满足一定的骨料压碎指标的前提下，合理地调节骨料的级配分布，才能获得最紧密堆积下的最大强度[1,6]。 4.2 制备和施工 除了原材料本身的性质，混凝土制备过程中往往也缺乏产品质量稳定性意识。有些施工单位为了节约成本，在生产厂的建设过程中不考虑均化设施，导致骨料的分级堆存与计量以及水泥与掺合料的倒库等得不到应有的保障。此外，实际施工环境和实验室条件之间的差异也大大影响着施工质量。 由于UHPC粘性较大，现有的普通搅拌方式难以将其拌合均匀。一些施工单位私自提高水胶比以加强流动性，这样的做法不仅降低了UHPC的粘聚性，而且对其后期的力学性能和耐久性产生不可逆转的灾难性后果。同时，由于UHPC的水胶比较小，故其塑性收缩较大，如不采取适当的养护方式则易产生较多的收缩裂缝[5]。 5.1 预制结构产品领域 使用超高性能混凝土可以有效减小结构自重。在具有相同抗弯能力的前提下，UHPC结构的重量仅为钢筋混凝土结构的1/2-1/3，几乎与钢结构相近。掺钢纤维的UHPC具有较高的抗拉强度和极好的韧性，这样就可以避免抗剪钢筋的使用，从而在设计中采用更薄更新颖的截面形式，用于市政工程中的立交桥、过街天桥以及城市轻轨高架桥等工程。 5.2 预应力结构产品领域 超高性能混凝土预应力受弯构件拥有接近于钢材的强重比，结构极轻的同时还具有极好的刚度，跨越能力进一步增加，可替代工业厂房的钢屋架和高层、超高层建筑的上部钢结构。 5.3 抗震结构领域 超高性能混凝土可以作为一种很有前途的抗震结构材料。这是由于更轻的结构系统降低了惯性荷载，结构构件横截面高度的减小允许构件在弹性范围内发生更大的变形；极高的断裂能及高韧性使结构构件可以吸收更多的地震能。 5.4 钢-混凝土组合结构领域 无纤维UHPC制成的钢管混凝土或其它型式的钢-混凝土组合结构具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，用它来做高层或超高层建筑的支柱，可大幅度减小截面尺寸，增加建筑物的使用面积与美观。钢-混凝土组合结构也避免了UHPC应用过程中钢纤维的成本问题，具有很大的发展潜力[7]。 UHPC从提出到现在已有近30年的历史，在理论研究和工程应用方面都取得了一定的突破和进展。伴随着UHPC的开发和应用，混凝土技术将面临一场深刻而广泛的变革。它提出了混凝土结构连同混凝土材料及其配合比的设计从以强度为主向以耐久性(或以所要求性能)为主的转变。转变已经开始，但远没有完成。在各种因素的单独作用和综合作用之下的混凝土耐久性以及各种所要求性能，从微观到宏观的研究，从定性到定量的发展，仍有大量复杂且细致的工作待开展。可以预见，UHPC在未来相当长的一段时间内会有广阔的应用前景。 参考文献
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