超高性能混凝土研究与应用现状*

卫煜，陈平，明阳，李玲，甘国兴

（1. 桂林理工大学材料科学与工程学院，广西 桂林 541004；2. 广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林 541004；3. 广西壮族自治区北部湾绿色海工材料工程研究中心，广西 桂林 541004；4. 广西工业废渣建材资源利用工程技术研究中心，广西 桂林 541004）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,简称 UHPC），以其耐久性高、工作性高、强度高著称。1994 年 Larrard 等人[1]首先提出，中国 UHPC 研究最早出现在上世纪末，中国混凝土与水泥制品协会UHPC 分会指出[2]，在我国最早规模化应用的是客运专线的电缆沟盖板，目前仍然作为一种具有优异力学性、耐久性及工作性的材料，于 2019 年搭建 UHPC 国本自生化交流平台。

黄祥等人[3]就目前 UHPC 新材料进行探索研究，UHPC 具有高耐久性，良好的抗冻性、耐水性、抗碳化性、抗海水腐蚀和高环保性；具有高力学性能，包括抗压强度、抗拉强度、高粘结强度等。赵筠等人[4]研究了UHPC 优异的性能，在当下主要是通过高温蒸汽养护以及原材料的精选精掺来实现；UHPC 结构均匀致密，工程应用需考虑新拌 UHPC 的工作性，重视粘结性能、流动性与强度的关系。

UHPC 的单位价格高，闫培渝[5]从纤维材料的掺入、养护成型工艺及大量使用胶凝材料方面，解释了成本显著提高的原因，史才军等人[6]研究表明，养护使用高温蒸汽养护导致高耗能和低生产效率。在实际工程应用中的一次性投入成本高。张静[7]研究表明 UHPC 构件优异的耐久性和力学性能，能有效延长工程项目的寿命，同时减少施工过程中的配筋成本及施工成本，与同样目标要求的普通混凝土构件和钢筋混凝土构件相比，综合成本会更低。在可持续发展的背景下，为今后的理论研究和工程应用提供了有利前提条件，并且 UHPC当下已是备受瞩目的研究领域。

1 制备技术方法

UHPC 主要由水泥、细砂、石英砂、硅灰、高效减水剂配制而成，根据不同的项目要求对配比进行调整，对韧性要求高时，可通过掺入钢纤维进行增韧。闫培渝[5]指出制备技术方法有以下几种：一、完全使用细骨料，粒径小于 300μm，提高 UHPC 的均匀性；二、优化骨料级配，提升密实度；三、掺入超细活性矿物掺合料，利用微粉填充效应，降低内部孔隙率，改善内部结构；四、改善养护条件，使用热养护和加压养护；五、掺入钢纤维增韧，提升延性。

徐立斌等人[8]通过配合比设计减小水胶比、增大水灰比、控制单位用水量可配制 100MPa 以上的可泵送UHPC。袁明等人[9]研究了当选定的砂胶比为 1.0 时，随着水胶比下降，力学性能呈现上升趋势。水胶比为0.18，砂胶比为 1.0～1.6 时，抗压强度出现先上升后下降的趋势，在砂胶比为 1.2 时达到峰值。胡翱翔等人[10]研究石英砂级配可通过修正的 Andreasen &Andersen 法，基于最大堆积密度理论计算；水泥、硅灰的相对质量分数可通过密度实验计算；水胶质量比、胶砂质量比和纤维提积分数可通过单一变量试配实验得到；确定最佳配比需综合考虑抗压强度和工作性。张高展等人[11]研究表明 UHPC 组成成分较复杂，需加入骨料和胶凝材料堆积密实度变量，进行双重结合设计，达到增加 UHPC 密实和节材效果。

赵学涛等人[12]研究了在普通工艺下，掺加 3%～5%石粉取代水泥和硅灰，能得到满足性能要求的 UHPC。使用钛矿渣粉和超细石灰石粉复掺，能减小水泥用量达 348kg/m3，取代率达 40%。陈剑雄等人[13]、王德辉等人[14]、黄政宇等人[15]掺入矿粉延缓 UHPC 的水化速度，硅灰、纳米 SiO2、纳米 CaCO3能提升水化速度。李宇容等人[16]研究了自密实免蒸养工艺下，通过湿颗粒堆积密实度测试方法进行配合比掺合试验，考虑强度与流动性，使用标准养护条件，得到硅灰最佳掺量为 10% 左右，建议胶凝材料中的水泥 : 粉煤灰微珠 : 硅灰=1:0.2:0.1，砂胶比 0.8～1.0，能制备抗压强度150MPa 的 UHPC，掺入 2% 钢纤维后，抗压强度能达到 140MPa。

张哲等人[17]研究了掺入钢纤维的类型、掺量和形状对 UHPC 的影响，端钩形力学性能表现最好，比素混凝土提升了 61.9%，UHPC 弹性模量、抗压强度随钢纤维掺量的增加而增加，随钢纤维的长径比增大而增大。高绪明[18]研究表明新拌 UHPC 流动性能随钢纤维的长径比增大而减小。由于纤维有较高弹性模量，杨简等人[19]研究了掺入纤维对 UHPC 的影响效应，表明掺入后发挥正效应，但会降低拌合物流动性，使内部缺陷和孔隙率增加，产生削弱弹性模量的负效应，总的表现为弹性模量增强。

仵鹏涛等人[20]通过计算机建模进行细观分析，采用静态压缩和劈裂试验对模型进行验证，能很好预测UHPC 的静态、动态性能，得出钢纤维在 0～1.5% 的范围内，动态强度随着钢纤维体积率的增加而显著增大，并且动态增强因子低于传统混凝土材料。

2 性能及影响因素

2.1 工作性

UHPC 工作性研究主要集中在流动性、和易性等方面。沈锐等人[21]研究发现 UHPC 的流动度变化可以通过骨料的比表面积进行描述，降低比表面积使流动性提高，抗压强度降低。袁明等人[9]在石英砂最大堆积密度下掺入钢纤维，UHPC 坍落度随钢纤维掺量增加先缓慢下降，后迅速下降。可通过掺入 5%～30% 超细石灰石粉或与 20%～40% 钛矿渣粉复掺，改善 UHPC 的和易性，降低坍落度损失[13]。

胶凝材料用量大、水胶比低的 UHPC 拌合物黏稠，严重影响泵送性能。徐立斌等人[8]研究了可通过矿渣粉、粉煤灰、硅粉等矿物掺合料复配，增加矿物掺合料掺量、提高水灰比配制可泵送 UHPC，并且强度达到100MPa 以上。黄政宇等人[15,22,23]通过研究发现，随石粉含量增加，拌合物流动性先增大再降低。掺入纳米材料，流动性、自收缩降低，高吸水树脂（SAP）使流动度降低，减缓流动度损失，明显降低 28d 自收缩。

2.2 力学性能

邓宗才等人[24]研究了掺入钢纤维、超细石灰石粉、纳米材料对 UHPC 力学性能的影响。UHPC 具有均匀致密的微观结构，纤维对 UHPC 起增韧效果，纤维体积掺率为 1.0%、2.0%、2.5% 和 3.0%。杨松霖等人[25]研究了不同类型钢纤维对混凝土流动性、抗压强度、断裂能和弯曲韧度有相较最优的掺率。掺入 10% 超细石灰石粉，3d 抗压强度达 95.4MPa，并且后期发展良好。基于石英砂最大堆积密度，随钢纤维掺量增加，UHPC力学性能均匀上升，当钢纤维体积掺量为 3% 时，抗压强度达 210MPa。通过改变微观结构，纳米 CaCO3使UHPC 均匀密实，提高抗折抗压强度。曹方良[26]将研究结果表明，掺入纳米材料能提高 UHPC 强度，对抗折强度提升明显，能改善 UHPC 的翘性、韧性。

2.3 耐久性

UHPC 抗冻性和抗锈蚀性能均优于普通混凝土。王德辉等人[14]研究表明氯离子扩散系数为 10-9cm2/s 数量级。刘娟红等人[27]使用标准碳化箱进行混凝土碳化研究，水泥用量大于 300kg/m3时，UHPC 的 28d 碳化深度为 0mm；水泥用量为 200kg/m3和 100kg/m3时，UHPC 的 28d 碳化深度分别为 2mm 和 4mm。经 300 次冻融循环后，UHPC 质量损失小于 1%，动弹性模量损失小于 5%。当不掺引气剂时，UHPC 质量损失和动弹性模量损失与含气量为 4.7% 的引气混凝土相当。和普通混凝土及钢纤维混凝土相比，经过 300 次冻融循环后，UHPC 弯曲抗拉强度减小 27%，其他混凝土的弯曲抗拉强度几乎为零。当 UHPC 浸泡于饱和硫酸钠溶液和饱和氯化钠溶液中，在 90℃ 恒温箱干湿循环 30 次后，UHPC 质量损失很低，侵蚀仅出现在混凝土表面。

2.4 高温爆裂抑制效果

赖建中等人[28]研究表明复掺 2% 钢纤维和 1% 聚丙烯纤维能有效抑制 UHPC 高温爆裂，在高温作用后保持完整的形态，钢渣骨料混杂纤维 UHPC 具有优异的高温力学性能，在 1000℃ 高温作用下仍能保持 67%残余强度。朋改非等人[29]从质量损失、超声波波速、拉压强度三个方面分析高温作用后 UHPC 性能变化规律。对含有聚乙烯醇（PVA）纤维的 UHPC 进行高温试验，表明混掺 PVA 纤维和钢纤维，既可以改善高温下UHPC 的抗爆裂性能，又具有很高的残余强度。

3 应用

UHPC 具有优异的力学性能、高耐久性和工作性等特点。敖长江[30]研究了中国 2005 年第一次将 UHPC 应用于工程中。项海帆[31]、邵旭东等人[32]指出未来的大桥应采用高性能、高强度材料。利用 UHPC 强度高的性质，可以减小结构构件尺寸，获得更多的使用空间，建造跨度更长、净空更大的桥梁，减小高层建筑中底层柱子截面尺寸，得到更多的使用面积。闫培渝[5]研究了利用 UHPC 高抗拉强度、耐腐蚀性质可制作输油、输气管道替代造价较高的大口径厚壁钢管，显著提高管道耐久性、降低成本；利用 UHPC 的高抗渗性，制造中低放射性核废料储存整体容器；于军事与安保领域，制造抗爆炸、抗冲击装置；制作装饰部件，隔声屏障，锚定等；现场抢修，结构加固等。

4 结语

UHPC 发展至今有近 30 年的历程，理论方面不断地向前开拓，工程应用项目也一个个建成。目前对UHPC 的研究还不够透彻，在一味强调达到目标性能的同时，也要重视投入与产出的关系。随着人类对全球环境的意识逐渐加强，UHPC 有望应对复杂多变的严酷环境，同时也提高了对环保性能的要求。在中国经济日益发展的大背景下，UHPC 未来的发展会越来越快，应用领域也将越来越广。