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本文由同濟(jì)大學(xué)孫振平教授課題組唐曉博整理

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自波特蘭水泥問(wèn)世以來(lái)，以水泥為主要膠凝材料的混凝土，因其抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為用量最多，使用范圍最廣的建筑材料，目前已被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道、水港碼頭和道路等多個(gè)領(lǐng)域。隨著高層大跨及有特殊功能要求的建筑物的設(shè)計(jì)建造，混凝土必須朝著更高強(qiáng)度、更高耐久性和更高可靠性的方向發(fā)展，在這種背景下，超高性能混凝土應(yīng)運(yùn)而生。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)，又稱活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC），是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，出現(xiàn)的一種力學(xué)性能和耐久性更加優(yōu)越的新型建筑材料。

UHPC于20世紀(jì)90年代由法國(guó)Bouygues公司首次研制成功。它是DSP(Densified System Containing Ultra-fine Particles)材料與纖維增強(qiáng)材料相復(fù)合的高技術(shù)混凝土^[1]。超高性能混凝土的優(yōu)異性能表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：超高力學(xué)性能；超高耐久性能；優(yōu)良的耐磨和抗爆性能。

與普通混凝土相比，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較大的不同。例如，UHPC配制所用水泥強(qiáng)度等級(jí)較高，水泥用量較大，水膠比較低，一般使用硅灰等超細(xì)摻合料，不使用粗骨料而使用石英砂等高強(qiáng)細(xì)骨料，同時(shí)摻加纖維(鋼纖維或復(fù)合有機(jī)纖維)來(lái)降低混凝土的脆性，此外還根據(jù)不同需要加入多種外加劑。

超高性能混凝土是近年來(lái)最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料，能夠?qū)崿F(xiàn)工程材料的大跨越。因此，超高性能混凝土將是今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)建筑材料行業(yè)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。

高性能混凝土的配制原理是通過(guò)提高組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減小到最少，以獲得超高強(qiáng)度與高耐久性^[2]。

超高性能混凝土原材料中活性組分由優(yōu)質(zhì)水泥、硅灰(和/或其它活性微細(xì)組分)和石英砂等構(gòu)成，活性組分的粒徑在0.1μm-1mm之間，另外原材料還包括高效減水劑和短切鋼纖維等。

(1)剔除粗骨料，限制細(xì)骨料的最大粒徑不大于300μm，提高骨料的均勻性。

(2)通過(guò)優(yōu)化細(xì)骨料的級(jí)配，盡可能地實(shí)現(xiàn)最緊密堆積來(lái)提高體系的密實(shí)度。

(3)摻入硅灰和粉煤灰等超細(xì)活性礦物摻合料，使其具有很好的微粉填充效應(yīng)，并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)減小孔徑，降低孔隙率，優(yōu)化體系內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。

(4)在硬化過(guò)程中，通過(guò)加壓和熱養(yǎng)護(hù)，將C-S-H轉(zhuǎn)化成托貝莫來(lái)石，繼而成為硬硅酸鈣，改善材料的力學(xué)性能，并盡量減少化學(xué)收縮。

(5)通過(guò)添加短而細(xì)的鋼纖維或其它品種高模量纖維，改善混凝土的韌性^[3]。

UHPC的超高性能來(lái)自于低水膠比及其自密實(shí)性，同時(shí)，膠凝材料基體中60%的超細(xì)工業(yè)廢渣二元和三元的復(fù)合作用也不容忽略。在結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中，廢渣特別是超細(xì)工業(yè)廢渣的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)得以發(fā)揮。超細(xì)粉煤灰顆粒和UHPC基體間的結(jié)合是化學(xué)結(jié)合，從而使之具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度。超細(xì)粉煤灰具有高強(qiáng)度和高彈模的特征，這樣就有效抑制了RPC基體和水泥基體中收縮裂縫的產(chǎn)生。

纖維對(duì)混凝土具有增強(qiáng)，增韌和阻裂效應(yīng)。未摻入鋼纖維的UHPC，在進(jìn)行受壓試驗(yàn)時(shí)由于內(nèi)部積聚的能量太大而呈現(xiàn)爆炸性破壞，表現(xiàn)出比普通混凝土更大的脆性。纖維的作用效果取決于纖維的體積摻量和纖維間距，纖維越細(xì)以及纖維摻量越高，其強(qiáng)化基體的效果越好。劉斯鳳等學(xué)者進(jìn)行了一系列摻天然超細(xì)混合材的超高性能混凝土的制備及其耐久性研究，其所用的鋼纖維為超細(xì)纖維。該研究中測(cè)試了纖維體積率為2%-4%時(shí)分布于RPC的纖維數(shù)量以及纖維間距。當(dāng)超細(xì)纖維體積率分別為2%、3%和4%時(shí)，其纖維根數(shù)分別為6.4×10⁷、9.6×10⁷和1.28×10⁸，纖維平均間距分別為1.71 mm、1.39 mm和1.21mm(三維亂向分布，η_θ=0.41)或1.55 mm、1.26 mm和1.09mm(二維亂向分布)。與普通纖維相比，摻超細(xì)纖維混凝土中的纖維間距提高了（2-4）倍，纖維數(shù)量提高了（1-2）個(gè)數(shù)量級(jí)。因此當(dāng)纖維體積率相同時(shí)，超細(xì)纖維對(duì)RPC的增強(qiáng)、增韌和阻裂效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通鋼纖維對(duì)普通混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)，從而使抗折強(qiáng)度倍增^[4]。

目前超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)200MPa-800MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)20MPa-50MPa，彈性模量介于40GPa-60GPa之間。摻加微細(xì)鋼纖維的UHPC其斷裂韌性高達(dá)40000J/m²，是普通混凝土的250倍，可與金屬鋁媲美。預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土梁的抗彎強(qiáng)度與其自重之比接近于鋼梁。

UHPC孔隙率極小，因此具有非常好的抗氯離子滲透性和抗凍性。其氯離子滲透性是高強(qiáng)混凝土的1/25；300次快速凍融循環(huán)后，試樣未受損，耐久性因子高達(dá)100%。研究表明，氣體滲透法比孔結(jié)構(gòu)更能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)UHPC的性能。

UHPC由于膠凝材料用量大、水膠比較低等原因易產(chǎn)生收縮和徐變，長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性不佳，因此，工程中大多采用摻加減縮劑和膨脹劑等措施來(lái)減少收縮和徐變。同時(shí)，相關(guān)研究表明，由于孔隙致密，蒸壓養(yǎng)護(hù)能減小UHPC的收縮量^[5]。

原材料的質(zhì)量差是制約超高性能混凝土在我國(guó)發(fā)展的主要因素，如水泥28d強(qiáng)度富余系數(shù)不能滿足要求；骨料大都在小采石場(chǎng)用落后的顎式破碎機(jī)破碎，導(dǎo)致粒形不好，針片狀顆粒多；外加劑性能不佳，與膠凝材料適應(yīng)性不好等。另外，原材料質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳也無(wú)法滿足UHPC對(duì)均質(zhì)性和耐久性的高要求。

在混凝土工程中選用骨料時(shí)，目前還存在普遍的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，大多數(shù)教科書和專著中仍然將骨料壓碎指標(biāo)作為是主要的取舍標(biāo)準(zhǔn)。大量實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，骨料的其它物理性質(zhì)如粒形、級(jí)配、膨脹系數(shù)、彈性模量和雜質(zhì)含量等對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性也有極大影響。尤其是在配制UHPC時(shí)，在滿足一定的骨料壓碎指標(biāo)的前提下，合理地調(diào)節(jié)骨料的級(jí)配分布，才能獲得最緊密堆積下的最大強(qiáng)度^[1,6]。

除了原材料本身的性質(zhì)，混凝土制備過(guò)程中往往也缺乏產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性意識(shí)。有些施工單位為了節(jié)約成本，在生產(chǎn)廠的建設(shè)過(guò)程中不考慮均化設(shè)施，導(dǎo)致骨料的分級(jí)堆存與計(jì)量以及水泥與摻合料的倒庫(kù)等得不到應(yīng)有的保障。此外，實(shí)際施工環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室條件之間的差異也大大影響著施工質(zhì)量。

由于UHPC粘性較大，現(xiàn)有的普通攪拌方式難以將其拌合均勻。一些施工單位私自提高水膠比以加強(qiáng)流動(dòng)性，這樣的做法不僅降低了UHPC的粘聚性，而且對(duì)其后期的力學(xué)性能和耐久性產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)難性后果。同時(shí)，由于UHPC的水膠比較小，故其塑性收縮較大，如不采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方式則易產(chǎn)生較多的收縮裂縫^[5]。

使用超高性能混凝土可以有效減小結(jié)構(gòu)自重。在具有相同抗彎能力的前提下，UHPC結(jié)構(gòu)的重量?jī)H為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/2-1/3，幾乎與鋼結(jié)構(gòu)相近。摻鋼纖維的UHPC具有較高的抗拉強(qiáng)度和極好的韌性，這樣就可以避免抗剪鋼筋的使用，從而在設(shè)計(jì)中采用更薄更新穎的截面形式，用于市政工程中的立交橋、過(guò)街天橋以及城市輕軌高架橋等工程。

超高性能混凝土預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件擁有接近于鋼材的強(qiáng)重比，結(jié)構(gòu)極輕的同時(shí)還具有極好的剛度，跨越能力進(jìn)一步增加，可替代工業(yè)廠房的鋼屋架和高層、超高層建筑的上部鋼結(jié)構(gòu)。

超高性能混凝土可以作為一種很有前途的抗震結(jié)構(gòu)材料。這是由于更輕的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低了慣性荷載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面高度的減小允許構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)發(fā)生更大的變形；極高的斷裂能及高韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以吸收更多的地震能。

無(wú)纖維UHPC制成的鋼管混凝土或其它型式的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有極高的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗沖擊韌性，用它來(lái)做高層或超高層建筑的支柱，可大幅度減小截面尺寸，增加建筑物的使用面積與美觀。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)也避免了UHPC應(yīng)用過(guò)程中鋼纖維的成本問(wèn)題，具有很大的發(fā)展?jié)摿?sup>[7]。

UHPC從提出到現(xiàn)在已有近30年的歷史，在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了一定的突破和進(jìn)展。伴隨著UHPC的開發(fā)和應(yīng)用，混凝土技術(shù)將面臨一場(chǎng)深刻而廣泛的變革。它提出了混凝土結(jié)構(gòu)連同混凝土材料及其配合比的設(shè)計(jì)從以強(qiáng)度為主向以耐久性(或以所要求性能)為主的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變已經(jīng)開始，但遠(yuǎn)沒(méi)有完成。在各種因素的單獨(dú)作用和綜合作用之下的混凝土耐久性以及各種所要求性能，從微觀到宏觀的研究，從定性到定量的發(fā)展，仍有大量復(fù)雜且細(xì)致的工作待開展?？梢灶A(yù)見，UHPC在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。