超高性能混凝土在中國的研究和應用

王德輝，史才軍，吳林妹

(湖南大學土木工程學院，長沙　410082)

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超高性能混凝土在中國的研究和應用

王德輝，史才軍，吳林妹

(湖南大學土木工程學院，長沙410082)

超高性能混凝土作為一種新型水泥基材料，具有強度高，耐久性優異的優點。本文綜述了超高性能混凝土在中國的研究和應用。使用常規輔助性膠凝材料取代水泥和硅灰，在普通工藝下，也可制備出滿足性能要求的超高性能混凝土。硅灰和納米二氧化硅可加速超高性能混凝土膠凝材料的水化速度，但礦粉延緩了超高性能混凝土膠凝材料的水化速度。超高性能混凝土具有均勻致密的微觀結構。超高性能混凝土的抗拉、抗彎、抗剪、粘結強度、峰值應變等均遠大于普通混凝土，摻入鋼纖維可顯著增大超高性能混凝土的韌性。超高性能混凝土的抗凍性和抗銹蝕性能均優于普通混凝土。自從中國2005年第一次將超高性能混凝土應用于工程中，超高性能混凝土已經廣泛應用于電纜槽蓋板、高速鐵路、地鐵、橋梁、掛檐板和人行道蓋板中。

超高性能混凝土； 水化過程； 力學性能； 耐久性； 應用

1　引　言

超高性能混凝土(UHPC)由Rhodia、Lafarge和Bouygues、VSL專利公司開發，并被注冊專利為Ductal[1]，與傳統混凝土相比，超高性能混凝土有很多優點：超高性能混凝土的抗壓強度高于150MPa，約是傳統混凝土的3倍以上。超高性能混凝土具有優異的韌性和斷裂能，和高性能混凝土相比，超高性能混凝土的韌性提高了300倍以上，和一些金屬相當，使得混凝土結構在超載環境下或地震中具有更優異的結構可靠性[2-4]。超高性能混凝土具有優異的耐久性能，可大幅度提高混凝土結構的使用壽命，減小混凝土結構的維修費用。超高性能混凝土幾乎是不滲透性的，幾乎無碳化，氯離子滲透和硫酸鹽滲透也幾乎為零。超高性能混凝土優異的耐磨性能延長了橋梁的使用壽命[3]，而超高性能混凝土的抗腐蝕性能為混凝土結構在惡劣環境下提供了保護[5]。在開裂情形下，由于超高性能混凝土存在大量未水化水泥顆粒，使得混凝土具有自修復功能[3]。超高性能混凝土結構自重約是傳統混凝土結構的1/3或1/2，顯著降低了靜荷載。自重的減少有利于制造更細長的建筑結構，降低了混凝土結構的厚度，節省了材料和成本[6], 降低工程總造價[1-3]。超高性能混凝土可減少預應力鋼筋，為建筑結構提供了更大的自由[2-4]。

盡管超高性能混凝土擁有很多顯著的優點，但也存在一些缺陷，比如：超高性能混凝土的水泥用量高達800～1000kg/m3，增大了水化熱，產生收縮[6]。制備超高性能混凝土的原材料通常為水泥、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維和超塑化劑等，生產成本是普通混凝土的數倍。為了提高超高性能混凝土中輔助性膠凝材料的活性，生產超高性能混凝土時往往采用蒸汽或蒸壓養護，復雜的生產工藝限制了超高性能混凝土在實際工程中的應用。由于水膠比很低、超細顆粒用量高、超塑化劑摻量大，超高性能混凝土表現出粘性大和坍落度損失大的缺點，不利于超高性能混凝土的澆筑。由于超高性能混凝土中含有大量未水化的水泥顆粒，這些未水化的水泥顆粒在混凝土結構使用過程中可能會繼續水化，可能會影響混凝土結構的尺寸穩定性。在大多數工程中，傳統混凝土可滿足性能要求，而超高性能混凝土價格昂貴，難以取代傳統混凝土[3]。

自超高性能混凝土問世以來，關于超高性能混凝土的原材料、生產工藝、養護方式、力學性能、耐久性能、水化微觀結構等進行了許多的研究，在實際工程中也得到了應用。雖然中國對超高性能混凝土的研究有些晚，但也已成為研究的熱點，本文綜述超高性能混凝土在中國的研究和應用。

2　原材料

傳統上，為了增大輔助性膠凝材料的火山灰活性，提高超高性能混凝土的強度，往往對超高性能混凝土進行熱養護。謝友均等[7]用水泥、硅灰和超細粉煤灰以1∶0.25(0.3～0.4)的膠凝材料比例，通過100 ℃的熱水養護制備了超高性能混凝土，不摻鋼纖維時的混凝土抗壓強度達到200MPa，摻入3%的鋼纖維后混凝土的抗壓強度接近250MPa。胡曙光等[8]用水泥、硅灰、超細粉煤灰和鋼渣粉做膠凝材料，用細河砂取代石英砂，摻入2%的鋼纖維制備了超高性能混凝土，經90 ℃熱水養護的超高性能混凝土抗壓強度達到了152MPa。國愛麗等[9]用30%粉煤灰取代水泥，用50%礦渣取代石英粉，摻入2%的鋼纖維，采用最大粒徑為600μm的石英砂制備了超高性能混凝土，經60 ℃熱養護3d后的超高性能混凝土抗壓強度為160.1MPa。楊春梅等[10]用鐵礦尾砂取代石英砂制備了超高性能混凝土，經95 ℃熱水養護后，超高性能混凝土的抗壓強度達到了155.3MPa。劉娟紅等[11]用水泥、硅灰和粉煤灰做膠凝材料，用磨細標準砂做骨料，摻入鋼纖維制備了超高性能混凝土，經90 ℃熱水養護的超高性能混凝土抗壓強度達到了155.4MPa。由上可見，超高性能混凝土的傳統制備工藝往往需要熱養護，使得超高性能混凝土的應用局限于預制構件，大大限制了超高性能混凝土的應用。為了克服這個缺點，近些年，人們采用標準養護條件制備超高性能混凝土。劉斯鳳等[12]用60%復合超細輔助性膠凝材料取代水泥和硅灰，并采用天然黃砂作為骨料，采用三種養護制度(標準養護、蒸汽養護和蒸壓養護)，成功制備出了抗壓強度大于200MPa的超高性能混凝土。Shi等[13]等通過三元正交設計，用水泥、硅灰和礦粉做膠凝材料，用天然河砂作骨料，采用飽和氫氧化鈣溶液養護，研究了水泥-硅灰-礦粉三元膠凝體系下超高性能混凝土的相關性能。Wang等[14]大量使用礦物摻合料，并摻入最大粒徑為20mm的粗骨料，采用常規攪拌、成型、養護工藝配制出了超高性能混凝土。當采用水膠比為0.16，膠凝材料總量為900kg/m3(50%水泥，10%硅灰，20%磨細礦粉，20%石灰石粉)，合適摻入減水劑和緩凝劑時，混凝土最大坍落度為268mm，90d抗壓強度為175.8MPa，365d抗壓強度為182.9MPa。為了減少環境污染，將鐵礦石殘渣回收利用，Zhao等[15]用鐵礦石殘渣作為骨料，研究了兩種不同養護制度下超高性能混凝土的性能，研究結果表明，用鐵礦石殘渣100%取代天然骨料顯著降低了混凝土的工作性和抗壓強度。然而，當鐵礦石摻量不超過40%時，對于標養90d的試件，摻鐵礦石的試件強度和不摻鐵礦石的試件強度相當；對于蒸汽養護2d的試件，和不摻鐵礦石的試件相比，摻鐵礦石的試件抗壓強度減小了11%，抗折強度增大了8%。佘偉等[16]大量摻入輔助性膠凝材料，采用普通工藝，在標準養護制度下，制備出了抗壓強度為220MPa、抗折強度為70MPa的超高性能混凝土。為了將超高性能混凝土更好的應用于工程中，鄧宗才等[17]剔除了硅灰，制備了超細水泥超高性能混凝土。當礦粉摻量為30%，粉煤灰摻量為10%，用超細水泥制備的超高性能混凝土抗壓強度最大，流動度最高，超高性能混凝土的生產成本較低。當水膠比小于0.18，砂膠比為0.9左右，骨料為0.16～0.63mm粒徑范圍時，超高性能混凝土的抗壓強度較高。

3　生產工藝

在以往的生產工藝中，為了提高輔助性膠凝材料的反應活性，往往采用蒸汽養護或蒸壓養護超高性能混凝土，如文獻[7-11]所述。熱養護可促進超高性能混凝土輔助性膠凝材料的水化，C-S-H分布更均勻更密實，且C-S-H的Ca/Si比從1.41減小到了1.2。熱養護降低了超高性能混凝土的孔隙率，孔隙分布也得到了明顯的改善[18]。然而，當制備超高性能混凝土采用熱養護，雖然可提高混凝土的密實度，增大混凝土的抗壓強度，但這種生產工藝只能制作超高性能混凝土的預制構件，限制了超高性能混凝土在實際工程的應用。為了推廣超高性能混凝土在實際工程中的應用，需要對超高性能混凝土的生產工藝進行簡化。如文獻[12-17]所述，在標準養護下，采用普通工藝也可以制備出性能滿足要求的超高性能混凝土。馬洪坤等[19]用拋填骨料工藝制備了超高性能混凝土，當拋填骨料的取代率為20%時，可大幅度提高超高性能混凝土的強度、彈性模量和抗氯離子滲透能力。而且，通過拋填骨料工藝可提高超高性能混凝土的密實度。

4　水化過程和微觀結構

關于超高性能混凝土膠凝材料的水化過程，國內也有一些研究，主要集中在標準養護制度下超高性能混凝土膠凝材料的水化過程。Shi等[13]研究了三元正交設計下水泥-硅灰-礦粉膠凝體系下超高性能混凝土膠凝材料的水化過程。研究結果表明，在標準養護制度下，硅灰改變水化的誘導期，減小了加速期出現的時間。硅灰用量為15%的混合物放熱速率超過了不摻硅灰和礦粉的混合物，當硅灰用量從0%增大到15%時，加速期從7.23h降低到了4.77h。然而，當硅灰用量增大到30%，水化放熱速率變慢，加速期增大到了6.37h。礦粉主要延緩了潛伏期和加速期，摻入礦粉的混合物放熱峰比純水泥體系混合物出現的晚，當礦粉用量分別為25%和50%時，加速期分別為9.95和9.8h。Rong等[20]研究了納米二氧化硅對超高性能混凝土水化過程和微觀結構組成的影響。研究結果表明，摻入納米二氧化硅改變了超高性能混凝土膠凝材料的水化過程，由于納米二氧化硅的火山灰效應和成核效應，隨著納米二氧化硅摻量的增大，水泥水化的加速期和減速期都提前了。摻入納米二氧化硅，也優化了超高性能混凝土的孔結構。隨著納米二氧化硅的摻入，超高性能混凝土的孔隙率和平均孔徑減小。和不摻納米二氧化硅的超高性能混凝土相比，摻入納米二氧化硅超高性能混凝土的微觀結構更均勻致密。然而，當納米二氧化硅用量5%時，由于納米二氧化硅的結團效應，不利于超高性能混凝土的微觀結構形成。Zhao等[21]采用納米壓痕技術，研究了超高性能混凝土的微觀性能。研究結果表明，占據一半漿體體積的水化產物是由高硬度的水化相，大量未水化的水泥和粉煤灰比水化產物具有更高的力學性能，可作為微骨料填充混凝土的孔隙，提高超高性能混凝土的強度。而且，臨近骨料或纖維表面的漿體力學性能和漿體性能相近，表明超高性能混凝土具有緊密的界面過渡區。超高性能混凝土的水化產物主要為Ⅲ型C-S-H，氫氧化鈣含量低，沒有鈣礬石[22]。超高性能混凝土的孔隙率約為5%，主要為微小孔，孔徑分布均勻(10nm左右)[23]。借助微觀結構的掃描電子顯微鏡技術，可以觀測到超高性能混凝土的結構相當致密，基體結構幾乎沒有可以讓有害氣體、水和侵蝕性溶液滲入的毛細孔道。超高性能混凝土的水泥石和界面過渡區結構見圖1、2。從掃描電鏡圖像上看，超高性能混凝土在180d齡期時，水泥石結構非常致密，只有一些空氣孔洞，這是由于水泥水化及硅灰和磨細礦粉的火山灰效應造成的。主要水化產物為均勻的C-S-H，沒有氫氧化鈣和鈣礬石。超高性能混凝土界面過渡區結構非常緊密，沒發現明顯孔隙[14]。

圖1　UHPC水泥石的SEM照片[14]Fig.1　SEM image of paste of UHPC

圖2　UHPC界面過渡區的SEM照片[14]Fig.2　SEM image of ITZ of UHPC

5　力學性能

5.1抗壓強度

超高性能混凝土的水泥石和骨料存在強烈的協同作用。當超高性能混凝土的水泥石和骨料性能匹配時，超高性能混凝土具有最佳的性能。超高性能混凝土的抗壓強度和動彈模量具有良好的線性關系[24]。摻入鋼纖維可提高超高性能混凝土的抗壓強度，然而，摻入聚丙烯纖維降低了超高性能混凝土的抗壓強度[25]。

5.2抗拉性能

超高性能混凝土具有良好的裂縫控制能力，其極限拉應變可達到3%以上。超高性能混凝土對缺口不敏感，甚至當縫高比為0.5時，超高性能混凝土也表現出優異的裂縫無害化分散能力[26]。

5.3抗彎性能

在受彎過程中，超高性能混凝土梁分為彈性、裂縫擴展、纖維增強和破壞四個階段。摻入鋼纖維抑制了裂縫的擴展，提高了超高性能混凝土梁的抗裂性能[27]。超高性能混凝土試驗梁在三分點加載試驗中，純彎曲段開裂應變為750×10-6，是普通混凝土試驗梁的七倍[28]。和普通混凝土梁相比，超高性能混凝土梁的初裂彎曲強度和極限彎曲強度都有大幅度提高。隨著超高性能梁厚度的增大，超高性能混凝土梁的彎曲極限荷載也增大，最大時為普通混凝土梁的3.79倍。在彎曲荷載下，普通混凝土梁發生破壞時的平均撓度0.11mm，而超高性能混凝土復合梁發生破壞時的平均撓度為5.23mm[29]。在正常使用情況下，超高性能混凝土梁的裂縫寬度始終保持在0.05mm以內。和鋼筋混凝土梁相比，超高性能混凝土可提高構件的承載力和延性，并延緩鋼筋的屈服[30]。然而，若超高性能混凝土未摻入鋼纖維，超高性能混凝土表現出較大的脆性，當超高性能混凝土達到彎曲極限荷載時，超高性能混凝土組合梁的承載力驟降，在荷載達到0.9倍峰值荷載前，超高性能混凝土的應力應變呈線性關系[31]。

5.4抗剪性能

增大腹板厚度和減小剪跨比可提高超高性能混凝土梁的斜截面開裂荷載，摻入鋼骨、增大腹板厚度、減小箍筋間距和減小剪跨比可提高超高性能混凝土梁的受剪承載力，摻入鋼骨、增大腹板厚度、減小箍筋間距和增大剪跨比可提高超高性能混凝土梁的剪切延性[32]。隨著剪跨比的增大，超高性能混凝土的剪切破壞形態依次分別呈斜壓、剪壓和斜拉破壞。當使用箍筋時，隨著配箍率的增大，超高性能混凝土的抗剪承載力不斷增大[33]。斜拉破壞發生于無腹筋梁中，配筋率為0.327%時的梁呈剪壓破壞，配筋率為0.545%時的梁呈斜壓破壞。在一定范圍內，增大縱筋率也可提高超高性能混凝土的抗剪性能[34]。箍筋也提高了超高性能混凝土的臨界斜裂縫荷載值。超高性能混凝土開裂前，超高性能混凝土的箍筋應力很小，然而，當超高性能混凝土開裂后，超高性能混凝土的箍筋應力顯著增大，并抵抗混凝土的剪切破壞[35]。

5.5粘結性能

隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土和鋼筋的極限粘結強度不斷增大。當鋼纖維摻量從0.5%增大到2.0%時，超高性能混凝土的極限粘結強度增大了42.53%，超高性能混凝土的極限粘結強度和鋼纖維摻量呈線性關系[36]。和普通混凝土及環氧砂相比，超高性能混凝土對碳纖維增強復合材料(CFRP)筋的錨固性能最好。對于直徑為10mm的表面壓紋CFRP筋(抗拉強度保證值為2550MPa)，在超高性能混凝土中的錨固長度為25d時，可充分發揮CFRP筋的強度。因此，超高性能混凝土可為CFRP筋提供有效錨固[37]。

5.6軸壓應力-應變曲線

隨著超高性能混凝土抗壓強度的提高，超高性能混凝土的軸壓強度和峰值應變不斷增大，其軸壓強度/抗壓強度比為0.85，峰值應變可高達2500×10-6。隨著超高性能混凝土抗壓強度的提高，其應力-應變曲線上升段從拋物線轉為直線[38]。超高性能混凝土圓柱體在28d受壓時峰值應變為0.015，是普通混凝土的7倍。超高性能混凝土的極限壓應變為0.034，是普通混凝土的10倍。超高性能混凝土的7d軸壓應力-應變曲線在峰值后緩慢下降，說明超高性能混凝土的壓縮韌性較大[39]。圓鋼管超高性能混凝土的應力-應變曲線的彈性階段是極限應力的90%～95%。圓鋼管超高性能混凝土的受壓過程分為彈性階段、彈塑性階段、承載力下降階段和強化階段[40]。和單軸受壓相比，雙軸受壓作用下，超高性能混凝土的極限抗壓強度和主壓向峰值應變都有所增大，線性段也有所提高[41]。

5.7韌性

當不摻鋼纖維時，隨著超高性能混凝土強度的增大，其拉壓比和折壓比小于普通混凝土和高強混凝土。受壓時，超高性能混凝土的應力應變關系呈直線，到達峰值時突然破壞，說明超高性能混凝土的脆性比普通混凝土和高強混凝土大[42]。摻入鋼纖維可提高混凝土的拉壓比和折壓比。和不摻鋼纖維相比，當鋼纖維摻量為0.75%時，超高性能混凝土的拉壓比提高了38%，折壓比提高了43%[43]。摻入鋼纖維顯著增大了超高性能混凝土的韌性，和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入1.0%的鋼纖維顯著提高了超高性能混凝土的初始裂縫強度、韌性指數和抗折強度[44]。楊久俊等[43]的研究也表明，和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入鋼纖維的韌性增大了1倍，斷裂能增大了34倍。纖維形狀對超高性能混凝土的韌性也有顯著影響。和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入2.0%鋼筋端鉤纖維的超高性能混凝土梁韌性增大了5.1倍，摻2.0%鋼筋啞鈴纖維的超高性能混凝土梁韌性增大了3.9倍，而混摻鋼筋端鉤纖維和鋼筋啞鈴纖維的超高性能混凝土梁韌性均優于單摻纖維的超高性能混凝土梁[45]。混摻鋼纖維和聚烯烴纖維或聚乙烯醇纖維可改善超高性能混凝土的韌性，其荷載-位移曲線有二次硬化特征。和單摻鋼纖維相比，混摻1%的鋼纖維和9kg/m3聚烯烴纖維的超高性能混凝土韌性增大了70%左右[46]。鋼管約束也可顯著提高超高性能混凝土的韌性，含鋼率越高，對超高性能混凝土韌性的改善越明顯[47,48]。在超高性能混凝土中裝入結構鋼可顯著提高超高性能混凝土的韌性，和預應力超高性能混凝土梁相比，裝入結構鋼的預應力超高性能混凝土梁具有更高的殘余剪切應力、后開裂硬度和剪切韌性[49]。

5.8抗斷裂性能

未摻鋼纖維的超高性能混凝土脆性大，斷裂能低，蒸養條件下脆性更大。摻入鋼纖維后，蒸壓增大了超高性能混凝土的抗斷裂性能，其斷裂能是標準養護下超高性能混凝土的二倍[50]。鋼纖維顯著提高了超高性能混凝土的斷裂韌度，其斷裂能可增大11倍。聚丙烯纖維也可增大超高性能混凝土斷裂韌度，但增幅不大。和單摻鋼纖維相比，混摻1%鋼纖維和0.1%聚丙烯纖維對超高性能混凝土的斷裂韌度增強效果更佳[51,52]。

5.9抗沖擊性能

Zhang等[53]采用復合礦物摻合料、天然細骨料、短細纖維制備了抗壓強度大于200MPa的綠色超高性能混凝土。研究了三種養護制度(標準養護、蒸汽養護和蒸壓養護)下，超高性能混凝土的力學性能(強度、斷裂能和鋼纖維界面粘結強度)。研究結果表明，由40%波特蘭水泥、25%超細礦渣、25%超細粉煤灰、10%硅灰和4%鋼纖維制備超高性能混凝土的強度最高，其抗壓強度、抗折強度、斷裂能和纖維-砂漿界面粘結強度分別為200MPa、60MPa、30000J/m2和14MPa。通過霍普金森桿研究超高性能混凝土的抗拉強度，研究結果表明，應變率對超高性能混凝土抗拉強度有顯著影響。當應變率增大時，超高性能混凝土抗拉應力-時間曲線的峰值應力急劇增大。在高應變率下，超高性能混凝土具有明顯的應變率僵化效應。為了研究超高性能混凝土在國防工程中的抗壓強度，Rong等[54]用大摻量硅灰、粉煤灰和礦渣取代水泥，制備了抗壓強度為200MPa的超高性能混凝土。采用霍普金森壓桿研究不同纖維摻量下超高性能混凝土的抗壓強度。研究結果表明，超高性能混凝土的抗沖擊性能隨著纖維摻量的增大而增大，也隨著應變率的增大而增大。采用有限元模擬超高性能混凝土的整個沖擊過程時，數值模擬表明，JohnsonHolmquist混凝土材料模型可用來模擬超高性能混凝土的力學性能，試驗值和模擬值較吻合。王立聞等[55]研究了高溫后超高性能混凝土的抗沖擊性能，經過600和800 ℃后，超高性能混凝土的強度分別減小了25%和65%，但增大了超高性能混凝土的峰值應變。和不摻鋼纖維的超高性能混凝土相比，摻入1%鋼纖維的超高性能混凝土在600和800 ℃后的強度分別提高了28.1%和35.1%。超高性能混凝土的強度、破碎程度和吸收能存在著應變率效應[56]。

5.10抗疲勞性能

隨著循環壽命比的增大，超高性能混凝土疲勞后剩余抗壓強度的衰減率減小，衰減速率增大[57]。摻入鋼纖維可顯著提高超高性能混凝土梁的抗疲勞性能，當鋼纖維摻量為3%時，當超高性能混凝土的主拉應力小于其抗拉強度的一半時，不會發生疲勞破壞[58]。超高性能混凝土可將橋面板上部面板和U形肋連接的應力減小51%～90%，大幅度降低超高性能混凝土組合橋面板的疲勞破壞。在9.8～24.3MPa的疲勞荷載下，經310萬次疲勞試驗，超高性能混凝土組合橋面板未出現裂縫，遠大于虎門大橋的抗彎疲勞性能要求[59]。

6　耐久性能

6.1抗氯離子滲透性

超高性能混凝土的氯離子擴散系數很低，僅為10-9cm2/S數量級[23]。

6.2抗碳化性能

在標準碳化箱里，當水泥用量大于300kg/m3時，超高性能混凝土的28d碳化深度仍為0mm。而水泥用量為200kg/m3和100kg/m3時，超高性能混凝土的28d碳化深度也分別為2mm和4mm[23]。

6.3抗凍性能

經過300次凍融循環后，超高性能混凝土的質量損失小于1%，動彈性模量損失小于5%。當不摻引氣劑時，超高性能混凝土的質量損失和動彈性模量損失和含氣量為4.7%的引氣混凝土相當。和普通混凝土及鋼纖維混凝土相比，經過300次凍融循環后，超高性能混凝土的彎曲抗拉強度減小了27%，其他混凝土的彎曲抗拉強度幾乎為零。經過300次凍融循環后，尺寸為100mm×100mm×400mm的超高性能混凝土梁跨中位移為4.5mm，在不摻引氣劑的情況下，超高性能混凝土仍能滿足寒冷地區對混凝土抗凍性的要求[60]。

6.4抗銹蝕性能

超高性能混凝土可有效抑制鋼筋銹蝕，提高混凝土的使用壽命。在加速銹蝕條件下，當使用普通混凝土做保護層時，通電160h后普通混凝土的裂縫寬度大于100μm。采用15mm厚的超高性能混凝土做保護層時，通電160h后混凝土的裂縫寬度小于50μm。采用50mm厚的超高性能混凝土做保護層時，通電160h后的超高性能混凝土梁未出現裂縫。采用15mm厚的超高性能混凝土做保護層時，通電190h后，混凝土的屈服荷載和極限荷載約降低了15%。采用50mm厚的超高性能混凝土做保護層時，通電190h后，混凝土的屈服荷載和極限荷載僅降低了5%～7%。當采用50mm厚的超高性能混凝土做保護層時，超高性能混凝土在屈服荷載前的彎曲裂縫寬度小于70μm[61]。當超高性能混凝土浸泡于飽和硫酸鈉溶液和飽和氯化鈉溶液中，在90 ℃恒溫箱干濕循環30次后，超高性能混凝土質量損失很低，銹蝕僅出現在混凝土表面[23]。

7　超高性能混凝土在中國的應用

國外將超高性能混凝土成功應用于橋梁[62]、地鐵、大壩、樓梯、陽臺[63]等工程中。2005年，沈陽用超高性能混凝土(C140)預制了工業廠房的梁板，是超高性能混凝土在中國的第一次應用[64]。歐維姆公司用超高性能混凝土替代鑄鐵或鑄鋼件，熱養護的超高性能混凝土抗壓強度分別為325MPa，自然養護混凝土的抗壓強度為187MPa[65]。

中鐵十九局成功將超高性能混凝土應用于石武客專的電纜槽蓋板中。該工程用水泥、礦渣粉、硅灰、石英砂、鋼纖維制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度139.9MPa[66]。

超高性能混凝土在京石客運專線蓋板工程中也得到了成功應用，用水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土坍落擴展度為550mm，含氣量為2.2%，抗壓強度為142.9MPa，抗折強度為19.6MPa[67]。

哈齊客運專線用水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度為175.8MPa，抗折強度為24.7MPa，氯離子滲透量為13C，經500次凍融循環后混凝土質量無損失[68]。

哈大客運專線用水泥、摻合料、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度141MPa，抗折強度19MPa[70]。

在鄭開城際鐵路HNCJS-3標橋梁工程中的電纜槽蓋板成功應用了超高性能混凝土。工程用水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、鋼纖維制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土滿足工程的要求[70]。

在遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程中, 首次采用超高性能混凝土制作多孔預應力簡支T形梁。用水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土28d抗壓強度128.7MPa，抗折強度22.8MPa[71]。

為徹底消除掛檐板松脫隱患等問題，超高性能混凝土掛檐板在北京四惠立交東向北匝道橋掛檐板更換施工中得到了成功應用。用水泥、摻合料、石英砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超性能混凝土抗壓強度為149MPa，抗折強度為21.5MPa，彈性模量為51GPa，500次凍融循環后的質量損失率為0.9%，相對動態彈性模量為90%[72]。

為了節約成本，保護環境，采用生態型超高性能混凝土生產人行道蓋板，用水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂、鋼纖維等制備了超高性能混凝土，采用蒸汽養護，制備的超高性能混凝土抗壓強度為150.3MPa，抗折強度為19.6MPa，彈性模量為50.6GPa，氯離子滲透量為33.2C，抗凍性>F500[73]。

8　結　論

自超高性能混凝土出現后，國內外對超高性能混凝土進行了大量的研究，國內關于超高性能混凝土主要集中在如下幾個方面：

(1)采用輔助性膠凝材料取代水泥和硅灰，用天然河砂或鐵礦石殘渣取代石英砂和石英粉，摻入最大粒徑為20mm的粗骨料，也可制備出抗壓強度大于200MPa的超高性能混凝土。在標準養護下，采用普通工藝也可以制備出性能滿足要求的超高性能混凝土；

(2)硅灰減小了超高性能混凝土膠凝材料加速期出現的時間，而礦粉延緩了潛伏期和加速期。納米二氧化硅減小了水泥水化的加速期和減速期的出現時間。納米二氧化硅優化了超高性能混凝土的孔結構，隨著納米二氧化硅的摻入，超高性能混凝土的孔隙率和平均孔徑減小。超高性能混凝土的結構相當致密，基體結構幾乎沒有可以讓有害氣體、水和侵蝕性溶液滲入的毛細孔道；

(3)超高性能混凝土具有良好的裂縫控制能力。和普通混凝土梁相比，超高性能混凝土梁的初裂彎曲強度和極限彎曲強度都有大幅度提高。摻入鋼骨、增大腹板厚度、減小箍筋間距和增大剪跨比可提高超高性能混凝土梁的剪切延性。隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土和鋼筋的極限粘結強度不斷增大。隨著超高性能混凝土抗壓強度的提高，應力-應變曲線上升段從拋物線轉為直線，在峰值后緩慢下降，說表現出較大的韌性。鋼纖維的摻入顯著增大了超高性能混凝土的韌性，纖維形狀對超高性能混凝土的韌性也有顯著影響。超高性能混凝土的抗沖擊性能隨著纖維摻量的增大而增大，也隨著應變率的增大而增大；

(4)在凍融循環下，超高性能混凝土的質量損失和動彈性模量損失都很小。超高性能混凝土可有效抑制鋼筋銹蝕，提高混凝土的使用壽命；

(5)自從中國2005年第一次將超高性能混凝土應用于工程中，超高性能混凝土已經廣泛應用于電纜槽蓋板、高速鐵路、地鐵、橋梁、掛檐板和人行道蓋板中。

[1]RebentrostM,CavillB.Reactivepowderconcretebridges[C].In:Austroads6thbridgeconference:bridgingthegap.Perth,WesternAustralia,Australia; 2006： 1-11.

[2]BlaisPY,CoutureM.Precast,prestressedpedestrianbridge-world’sfirstreactivepowderconcretestructure[J].PCI J, 1999;44(55):60-71.

[3]DauriacC.Specialconcretemaygivesteelstiffcompetition[J].The Seattle Daily Journal of Commerce,1997.

[4]DowdW.Reactivepowderconcrete:ultra-highperformancecementbasedcomposite[C].UnitedStates:ConstructionInnovationForum; 1999.

[5]JiWY,AnMZ,YanGP,etal.Studyonreactivepowderconcreteusedinthesidewalksystemoftheqinghai-tibetrailwaybridge[M].SchmitzReadyMixInc.2008.

[6]YaziciH,YardimciMY,AydinS,etal.Mechanicalpropertiesofreactivepowderconcretecontainingmineraladmixturesunderdifferentcuringregimes[J].Constr Build Mater,2009,23(3):1223-31.

[7] 謝友均，劉寶舉，龍廣成.摻超細粉煤灰活性粉末混凝土的研究[J].建筑材料學報，2001，4(3):280-284.

[8] 胡曙光，彭艷周，陳凱,等.摻鋼渣活性粉末混凝土的制備及其變形性能[J].武漢理工大學學報，2009，31，(1): 26-30.

[9] 國愛麗，趙福君，巴恒靜,等.活性粉末混凝土配比優化及收縮性能研究[J]. 武漢理工大學學報，2009，31，(2): 20-24.

[10] 楊春梅，賴建中，徐升.用固體廢棄物制備生態型活性粉末混凝土研究[J].武漢理工大學學報，2012，34，(2): 9-12.

[11] 劉娟紅，宋少民，梅世剛.RPC高性能水泥基復合材料的配制與性能研究[J].武漢理工大學學報，2001，23，(1):4-18.

[12] 劉斯鳳, 孫偉, 林瑋,等.摻天然超細混合材高性能混凝土的制備及其耐久性研究[J].硅酸鹽學報,2003,31(11),1080-1085.

[13]ShiCJ,WangDH,WuLM,etal.Thehydrationandmicrostructureofultra-high-strengthconcretewithcement-silicafume-slagbinder[J].Cement & Concrete Composites, 61 (2015) 44-52.

[14]WangC,YangCH,LiuF,etal.Preparationofultra-highperformanceconcretewithcommontechnologyandmaterials[J].Cement & Concrete Composites, 34 (2012): 538-544.

[15]ZhaoSJ,FanJJ,SunW.Utilizationofironoretailingsasfineaggregateinultra-highperformanceconcrete[J].Construction and Building Materials, 50 (2014): 540-548.

[16] 佘偉，張云升，張文華,等.較好韌性的超高強混凝土的制備及性能[J].建筑材料學報，2010，13，(3)：310-314.

[17] 鄧宗才，肖銳，申臣良.超細水泥活性粉末混凝土的配合比設計[J].建筑材料學報，2014，17，(4)：659-665.

[18] 劉娟紅，王棟民.養護對礦物細粉活性粉末混凝土性能的影響[J]. 武漢理工大學學報，2009，31，(7):100-103.

[19] 馬洪坤，譚昱，沈衛國,等.拋填骨料工藝超高強混凝土的制備研究[J].武漢理工大學學報，2012，34(1)：24-28.

[20]RongZD,SunW,XiaoHJ,etal.Effectsofnano-SiO2particlesonthemechanicalandmicrostructuralpropertiesofultra-highperformancecementitiouscomposites[J].Cement & Concrete Composites, 2015,56: 25-31.

[21]ZhaoSJ,SunW.Nano-mechanicalbehaviorofagreenultra-highperformanceconcrete[J].Construction and Building Materials,2014,63 :150-160.

[22] 劉娟紅，宋少民.顆粒分布對活性粉末混凝土性能及微觀結構影響[J].武漢理工大學學報，2007，29(1): 26-29.

[23] 劉娟紅,王棟民,宋少民,等.大摻量礦粉活性粉末混凝土性能與微結構研究[J].武漢理工大學學報，2008，301(1):54-58.

[24] 龍廣成，謝友均，蔣正武,等.集料對活性粉末混凝土力學性能的影響[J].建筑材料學報，2004，7(3): 269-273.

[25] 鐘世云，王亞妹，高漢青.纖維對自密實活性粉末混凝土強度的影響[J].建筑材料學報，2008，11(5): 522-527.

[26] 徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復合材料直接拉伸試驗研究[J].土木工程學報，2009，42(9)：32-41.

[27] 曹霞，彭金成，金凌志.預應力活性粉末混凝土簡支梁受力性能試驗研究[J].武漢理工大學學報，2014，36(1): 116-122.

[28] 鄭文忠，盧姍姍，李莉.GFRP筋活性粉末混凝土梁受力性能試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32(6): 115-124.

[29] 徐世烺，王楠，李慶華.超高韌性水泥基復合材料增強普通混凝土復合梁彎曲性能試驗研究[J].土木工程學報，2010，43(5)：17-22.

[30] 李慶華，徐世烺.鋼筋增強超高韌性水泥基復合材料彎曲性能計算分析與試驗研究[J].建筑結構學報，2010，31(3)：51-61.

[31] 賈金青，孟剛，朱偉慶.預應力型鋼超高強混凝土組合梁受彎性能試驗研究及承載能力分析[J].建筑結構學報，2014，35(9)：1-10.

[32] 賈金青，姚大立，余芳.集中荷載作用下預應力鋼骨超高強混凝土梁受剪性能試驗研究[J].建筑結構學報，2013，341(2)：112-120.

[33] 徐海賓，鄧宗才，陳春生,等.超高性能纖維混凝土梁抗剪性能試驗研究[J].土木工程學報，2014，47(12)：91-97.

[34] 金凌志，祁凱能，曹霞. 高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁受剪性能試驗研究[J]. 武漢理工大學學報，2013，35(8):108-113.

[35] 李立仁，支運芳，陳永慶,等.集中荷載下超高強混凝土有腹筋約束梁抗剪強度的試驗研究[J].建筑結構學報，2001，22(5)：32-36.

[36] 賈方方，安明結，張鴻儒,等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土與鋼筋黏結性能的影響[J].建筑材料學報，2012，15(6):847-851.

[37] 方志，梁棟，蔣田勇.不同粘結介質中CFRP筋錨固性能的試驗研究[J].土木工程學報，2006,39(6):47-51.

[38] 王勇威，蒲心誠，王志軍.單軸壓力下56.3-164.9MPa混凝土的應力-應變關系[J].建筑結構學報.2005，26(1)：97-102.

[39] 胡春紅，高艷娥，丁萬聰.超高韌性水泥基復合材料受壓性能試驗研究[J].建筑結構學報，2013,34(12): 128-154.

[40] 林震宇，吳炎海，沈祖炎.圓鋼管活性粉末混凝土軸壓力學性能研究[J].建筑結構學報，2005，26(4): 52-57.

[41] 余自若，安明喆，王志建.雙軸壓下活性粉末混凝土的力學性能[J].建筑材料學報，2011，14(3): 305-309.

[42] 蒲心誠，王志軍，王沖,等.超高強高性能混凝土的力學性能研究[J].建筑結構學報，2002，23(6): 49-55.

[43] 楊久俊，劉俊霞，韓靜宜,等.大流動度超高強鋼纖維混凝土力學性能研究[J].建筑材料學報，2010，13(1):1-6.

[44] 王沖，LizaOMoore. 超高強微鋼纖維增韌混凝土的制備及其力學性能研究[J].土木工程學報.2009，42(6):1-7.

[45] 楊松霖，刁波，葉英華.鋼筋超高性能混合纖維混凝土梁力學性能試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32(2)：17-23.

[46] 鄧宗才，DAUDJumbeR. 混摻纖維RPC增韌特性試驗研究[J]. 建筑材料學報，2015，18(2):202-207.

[47] 譚克鋒，蒲心誠，蔡紹懷.鋼管超高強混凝土的性能與極限承載能力的研究[J].建筑結構學報，20(1)：10-15.

[48] 譚克鋒，蒲心誠.鋼管超高強混凝土力學性能的研究[J].東南大學學報，1999，29(4)：127-131.

[49]YaoDL,JiaJQ,WuF,etal.Shearperformanceofprestressedultrahighstrengthconcreteencasedsteelbeams[J]. Construction and Building Materials,2014,52:194-201.

[50] 張倩倩，魏亞，張景碩，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土斷裂性能的影響[J].建筑材料學報，2014，17(1):24-29.

[51] 姚志雄，周健，周瑞忠. 活性粉末混凝土斷裂性能的試驗研究[J].建筑材料學報，2006，9(6): 654-659.

[52] 姚志雄，周健.纖維增強活性粉末混凝土(RPC)斷裂能的研究[J].建筑材料學報，2005，8(4): 356-360.

[53]ZhangYS,SunW,LiuSF,etal.PreparationofC200greenreactivepowderconcreteanditsstatic-dynamicbehaviors[J].Cement & Concrete Composites,2008, 30 : 831-838.

[54]RongZD,SunW,ZhangYS.Dynamiccompressionbehaviorofultra-highperformancecementbasedcomposites[J].International Journal of ImpactEngineering,2010,37 2010:515-520.

[55] 王立聞，龐寶君，楊震琦,等.鋼纖維活性粉末混凝土高溫后動力學特性研究[J].建筑材料學報，2010，13(5): 620-625.

[56] 龐寶君，王立聞，陳勇,等.高溫后活性粉末混凝土SHPB試驗研究[J].建筑材料學報，2012，15(3): 317-321.

[57] 余自若，安明喆，鄭帥泉.活性粉末混凝土疲勞后剩余抗壓強度試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32(1): 82-87.

[58] 方志，向宇，劉傳樂.配置碳纖維預應力筋的鋼纖維活性粉末混凝土無腹筋梁疲勞性能試驗研究[J].建筑結構學報，2013，34(1): 101-107.

[59] 丁楠，邵旭東.輕型組合橋面板的疲勞性能研究[J].土木工程學報，2015，48(1)：74-81.

[60] 徐世烺，蔡新華，李賀東.超高韌性水泥基復合材料抗凍耐久性能試驗研究[J].土木工程學報，2009，42(9)：42-46.

[61] 徐世烺，蔡新華.超高韌性水泥基復合材料取代保護層混凝土梁抗銹蝕性能研究[J].土木工程學報，2011，44(5)：79-85.

[62]FehlingE,BunjeK,SchreiberW.DesignofthefirsthybridUHPC-SteelbridgeacrosstheriverFuldainKassel[C].Germany.ProceedingoftheSecondInternationalSymposiumonUHPC,Kassel,Germany,March2008,581-588.

[63]ArupB.CRC-StructuralapplicationofUltraHighPerformanceFiberReinforcedconcrete[C].ProceedingofSecondInternationalSymposiumonUltraHighPerformanceConcrete,March,Kassel,Germany,831-837.

[64] 敖長江.工業廠房擴建工程RPC構件預制施工技術[J].山西建筑，2005,31(09):127-128.

[65] 周紅梅.超高性能混凝土(UHPC)試驗及應用研究[J].預應力技術，2009,(6):26-29.

[66] 石磊.RPC130活性粉末混凝土在石武客專鐵路工程蓋板生產中的應用研究[J].鐵道建筑,2011,(5):134-135.

[67] 李元，王冬，於定新.早強型聚羧酸減水劑在客運專線RPC(活性粉末混凝土)蓋板工程中的應用[J].商品混凝土，2011,(5):62-63.

[68] 常青.嚴寒地區高速鐵路RPC-130 活性粉末混凝土材料應用[J].水泥與混凝土:38-40.

[69] 馮永德,江秀明.鋼纖維RPC130 配合比試驗[J].遼寧建材,2010,(8):39-40.

[70] 付靜宇.RPC130活性粉末混凝土在鄭開城際鐵路工程蓋板生產中的應用研究[J].建筑知識:336-337.

[71] 曹萬會,高淑平.RPC混凝土在鐵路預應力T形梁中的應用試驗[J].橋梁,2009,(7):105-108.

[72] 范磊,李東,盧士軍,等.活性粉末混凝土(RPC)掛檐板的研制及工程應用[J].混凝土與水泥制品,20144(4):44-46.

[73] 陳惠蘇，孫偉，趙國堂,等.人行道蓋板生態纖維增強混凝土技術研究[J].鐵道建筑，2010，(9):127-131.

ResearchandApplicationsofUltra-HighPerformanceConcrete(UHPC)inChina

WANG De-hui,SHI Cai-jun,WU Lin-mei

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Asanewcement-basedmaterials,UHPChasacharacterofhighstrengthandsuperiordurability.Inthispaper,researchesandapplicationsofUHPCinChinawerereviewed.Usingconventionalsupplementarycementitiousmaterialstoreplacecementandsilicafume,UHPCwhichsatisfiedengineeringrequirementcouldalsobepreparedbyordinaryprocess.Silicafumeandnano-SiO2acceleratedthehydrationofcementitiousmaterialsofUHPC,butslagslowedthehydrationofcementitiousmaterialsofUHPC.ThemicrostructureofUHPCwasuniformanddense.Thetensile,flexural,shear,bondstrengthandpeakstrainofUHPCwerefarlargerthanthatofordinaryconcrete.IncorporationofsteelfibercouldsignificantlyincreasethetoughnessofUHPC.ThefreezingandthawingresistanceandreinforcementcorrosionresistanceofUHPCwerebetterthanthatofordinaryconcrete.SincethefirstapplicationofUHPCin2005,ithasbeenwidelyusedascablecoversalonghighspeedrailwaysandsubways,bridgebeams,wallpanelsandsidewalkpanelsinChina.

UHPC;hydrationprocess;mechanicalproperty;durability;application

國家自然科學基金(51378196,U1305243)

王德輝(1983-)，男，博士.主要從事結構工程方面的研究.

史才軍，博士，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0141-09