我國超高性能混凝土（UHPC）的研究與應用進展

鄒勇

（重慶市武隆區建設工程質量檢測有限公司，重慶 408500）

鄒勇.我國超高性能混凝土（UHPC）的研究與應用進展[J].重慶建筑，2019（7）：34-36.

0 引言

1993年法國Bouygues公司率先研發出了一種超高強、高韌性、高耐久性的水泥基復合材料，名為活性粉末混凝土（RPC）[1]。由于RPC是一種專利產品，為避免產權糾紛，法國Larrard DF等隨后又提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念[2]。UHPC是以RPC制備原理為基礎發展而來的，只是前者所涉及的材料范圍更廣。自UHPC問世以來，國外對UHPC的制備技術、材料及結構性能等進行了大量的研究，并開展了規模化應用。1998年，UHPC經清華大學覃維祖教授首次引入國內，隨即成為土木工程領域的研究熱點。2000年以后，除清華大學外，湖南大學、東南大學、福州大學、武漢理工大學、同濟大學等高校先后開展了UHPC材料組成與結構性能的研究，并在工程應用方面取得了諸多成果。雖然中國對UHPC的研究有些晚，但在結構自身和社會可持續發展對高性能土木工程材料要求的雙重壓力下，UHPC在中國的受關注度持續升溫。在此背景下，本文將淺述UHPC在中國的研究和應用現狀，并對其發展前景加以展望。

1 我國超高性能混凝土的研究現狀

1.1 原材料及制備技術

如同其他水泥基材料研究一樣，UHPC研究也是從材料制備開始入手的。各國研究者結合當地的材料開展了大量的配合比設計，中國也開展了許多的研究。在我國UHPC發展的早期，其制備技術主要遵循了RPC制備原理，包括剔除粗骨料和優化細骨料級配，摻加超細活性礦物摻合料，并通過加壓和熱養護及添加高強鋼纖維等，以達到減小孔隙率、優化孔結構、提高密實度和改善材料延性等目的。

針對國內原材料的實際情況，湖南大學何峰和黃政宇[3]較早地開展了原材料品質及配合比對UHPC強度影響的試驗研究，認為配制UHPC宜優先選用52.5級水泥、顆粒粒徑在0.35mm以下的標準砂、硅灰、細石英粉、高效減水劑和13mm微細鋼纖維（長徑比74）；在不摻鋼纖維時，通過高溫熱養護工藝可以制備出抗壓強度高達229MPa的UHPC；在摻加3%鋼纖維和200OC高溫養護下，UHPC抗壓強度可接近300MPa。但由于早期配比中硅灰、石英粉、石英砂等高成本原材料的占比較大，熱養護溫度過高，導致UHPC的制備成本高、生產能耗大。為此，不少國內學者開始嘗試利用常規、廉價的大宗材料和傳統養護手段來制備UHPC。武漢理工大學胡曙光等[4]摻入占膠凝材料總量48%的鋼渣粉、超細粉粉煤灰和硅灰，采用普通細河砂替代石英砂，再通過90OC熱水養護72h，在0.18的水膠比下制備出了抗壓強度達152MPa和抗折強度達27.9MPa的UHPC。東南大學孫偉院士課題組在制備UHPC時，也不斷改進設計理念和制備路線，如采用超細工業廢渣取代磨細石英粉和硅灰，利用天然砂替代磨細石英砂，采用標準養護或熱水養護，通過優選外加劑使拌合物具有自流平自密實的特征，最終成功研制出200MPa級的UHPC材料并用于實際工程[5]。魯亞等[6]采用銅尾礦原礦取代50%細砂或采用磨細銅尾礦粉取代部分水泥和粉煤灰，摻入2.5%鋼纖維，制備出了抗壓強度超過160MPa的銅尾礦UHPC，有效降低了制備成本；相比基準UHPC，銅尾礦UHPC的抗彎、抗拉性能均有所提升。近年來，免熱養護及含粗集料的UHPC也不斷被研制出來。總體而言，綠色生態化和低成本化是目前國內UHPC制備的主要研究方向之一。

1.2 力學性能

強度等力學性能是混凝土材料最重要的性能之一，主要包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、韌性和延性等，其中抗壓強度和抗拉強度是最基本的力學性能。視具體情況的不同，UHPC的抗壓、抗彎和拉伸強度分別可以在120～800MPa，20～150MPa，6～100MPa的范圍內波動。

與普通混凝土一樣，UHPC也存在較為明顯的尺寸效應。國內學者常采用邊長為40～150mm的立方體試件來測試UHPC的抗壓強度。總體而言，試件尺寸較小時測得的強度要大于試件尺寸較大時的，但各尺寸試件所測強度之間至今仍未形成確切的比值關系。根據國內檢測機構和實驗室的測試條件，不少文獻建議采用邊長為100mm的立方體試塊作為標準測試試件[7]。UHPC抗拉強度的測試方法也基本沿用了普通混凝土的常用方法，包括軸心抗拉試驗、抗折試驗和劈裂抗拉試驗。有文獻[8]對比研究了3種不同試驗方法下的UHPC抗拉強度。結果表明，在相同的鋼纖維摻量下，UHPC的抗折強度和劈裂抗拉強度大致相近，并遠大于軸心抗拉強度；UHPC軸拉強度和抗折強度之間的比值與普通混凝土的抗拉強度之間的比值較為接近。文獻[8]還建議以抗折強度試驗作為工程實踐中UHPC抗拉強度的間接測試方法。

UHPC的力學性能還受養護方式、材料組成和纖維等的影響。張勝等[9]研究了標準養護、蒸汽養護和熱水養護條件對UHPC強度的影響規律，研究結果表明：相比標準養護，濕熱養護能有效改善水泥基體與鋼纖維的界面粘結，熱養護下UHPC不同齡期的抗壓強度和抗折強度均明顯高于標養后的。因此，為了增大超細礦物摻合料的火山灰反應程度、提高UHPC的強度，高溫、加壓養護制度是非常重要的手段。萬朝均等研究了不同水膠比、鋼纖維摻量對UHPC抗壓強度、抗折強度和拉伸性能的影響[10]。結果表明，在UHPC尚未達到最大密實度時，隨著水膠比由0.12增大至0.22，UHPC的7d和28d抗壓和抗折強度均表現為先升高后降低的趨勢，當水膠比為0.18時，可獲得最佳抗壓強度；此外，摻入鋼纖維可以顯著提高UHPC的抗壓強度和抗折強度，但纖維摻量過大（超過3%）也會導致施工性能、力學性能下降。朋改非等[11]通過直接拉伸試驗和三點彎曲試驗研究了鋼纖維摻量和類型對UHPC增強增韌效果的影響，發現異形鋼纖維能大幅提升UHPC的抗拉強度、斷裂能和裂后承載能力，且提高幅度隨其摻量增加而增大；相比于端鉤型鋼纖維，波紋型鋼纖維的增強增韌作用更佳。UHPC的抗拉強度還與纖維的分散與取向特征有關，與隨機分布相比，鋼纖維沿拉應力方向有序分布時更有利于UHPC的增強增韌。王強通過改變鋼纖維在UHPC拌合物中的排列取向，發現拉伸斷面上鋼纖維取向角系數與抗拉強度有明顯的線性關系；其中，順拉伸方向澆筑的UHPC抗拉強度達到12.4MPa，比隨機分布澆筑和垂直拉伸方向澆筑分別高20%和51%[12]。

1.3 耐久性能

耐久性是評價UHPC性能的一項重要指標。已有大量文獻表明，低水膠比低和高度致密的內部結構使得UHPC具有極低滲透性、較高的抗有害介質侵蝕和良好耐磨性。劉斯鳳等[13]通過對UHPC耐久性進行研究，發現高壓養護的UHPC浸水90d后抗壓強度僅下降0.5%，標準養護和熱水養護的UHPC抗壓強度不降反升，此外UHPC還表現出優異的抗碳化性能、很高的抗凍融性能和耐鹵水腐蝕能力，認為UHPC耐久性遠優于其他水泥基材料。文獻[14]采用透水法研究了不同裂縫形態下UHPC的水滲透性能，認為UHPC所具有的微裂縫、多點開裂模式使其在含裂縫狀態下仍具有很好的水滲透性能。近期，北京交通大學安明喆教授團隊[15-16]系統研究了海洋環境下海水侵蝕、凍融循環和干濕循環等單一因素及耦合因素作用對UHPC力學性能的影響規律，發現UHPC耐硫酸鹽、氯鹽，在氯鹽凍融循環與侵蝕耦合作用下仍具有良好耐久性。也正是由于UHPC具有超高的力學性能和優異的耐久性能，因而非常適合作為惡劣環境下混凝土結構的主體或防護材料。

2 我國超高性能混凝土的應用進展

UHPC自問世以來不斷被應用于實際工程。在國外，UHPC已在建筑、橋梁、核電、市政和海洋等眾多領域得到廣泛應用，著名工程案例有如1997年建成的加拿大魁北克省布魯克（Sherbrooke）人行橋、2012年建成的韓國Super BrigdeⅠ斜拉橋和LEGO公路斜拉橋等。中國在UHPC提出后不久，其應用領域也逐漸開始推廣。從2003年起，UHPC被用于溝蓋板、橋梁、人行天橋、高速公路橋面和維修等領域。

2005年，在沈陽西科硅有限公司工業廠房擴建工程中，采用C140級UHPC制作了329件預制構件，其中梁84片、樓板245件，均為預應力大體積構件。這次擴建工程中的UHPC預制構件被認為是UHPC在我國工業建筑上的首次規模化應用，并標志著UHPC在我國開始由試驗研制階段向生產應用階段轉化。

鐵路工程中的電纜槽蓋板是我國UHPC最大的用途之一，為此原鐵道部科學技術司還專門發布了 《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術條件》。2011年，中鐵十九局在石武客專河南段的電纜槽蓋板中大量使用了UHPC，該工程蓋板制品生產任務達6600塊/日，UHPC蓋板的設計性能指標為抗壓強度≥130MPa、抗折強度≥18MPa、彈性模量≥48GPa和抗凍標號＞F500等[17]。此外，UHPC也成功地應用于京石客運專線蓋板工程中，利用42.5級水泥、0～1mm石英砂、硅灰、I級粉煤灰、鋼纖維和早強型聚羧酸高效減水劑等原材料，通過蒸汽養護，制備的UHPC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[18]。據不完全統計，截至2015年，在高速鐵路工程中應用的UHPC蓋板面積約21.4×106m2，折合混凝土量約535×103m3。

近年來，我國在UHPC的應用上還取得了許多新的突破。2016年1月，湖南長沙建成了世界首座全預制拼裝UHPC橋梁，該橋梁全長70.8m（主跨達36.8m）、寬6.5m，全橋僅有兩個橋墩。對此，中國工程院院士陳政清教授評價道，“這座橋的竣工，在中國超高性能混凝土工程應用領域是一個飛躍。”2018年6月，武漢華新長山口環保工廠采用華新UHPC產品 “Ductal”澆筑了168根24.54m跨度的預應力預制大梁用于替代傳統鋼結構梁，系全國乃至全世界范圍內最大的UHPC預制梁應用。

除用于制作預制構件外，UHPC現場澆筑應用也在不斷發展，其中最為活躍的應用是鋼橋中的鋼-UHPC組合橋面板。湖南大學邵旭東教授團隊自主研發的正交異性鋼板-超高韌性混凝土（STC）輕型組合橋面結構，可徹底解決正交異性鋼橋面鋪裝層易破損和鋼結構疲勞開裂的世界性難題[19]。STC是一種經過改性、強化的UHPC，具有優異的抗裂性和極低的收縮性，可視作不開裂的結構層。2011年，鋼-STC輕型組合橋面結構首次在廣東肇慶馬房大橋上應用，至2018年，該組合橋面結構已經應用于國內17座橋梁。此外，中鐵大橋科學研究院基于UHPC開發的UHPC組合橋面技術也成功應用于鐵路橋、公路橋和城市橋中，如2018年5月12日完成的蒙華鐵路洞庭湖特大橋鋼－UHPC組合橋面鋪裝工程，現場總鋪裝面積為12000m2，系世界范圍內首次將UHPC組合橋面技術應用于鐵路橋梁。

此外，UHPC在橋梁聲屏、建筑物外墻掛板、鐵路軌枕、商業家具等領域也有應用，如深圳深業上城中心使用了總面積達20000的UHPC外墻掛板，掛板采用Ductal有機纖維，無需熱養護，并配有鋼筋。

3 結語與展望

UHPC從首次被介紹到國內到現在已有20年的歷史，國內研究人員緊跟國際學術前沿，開展了大量的UHPC研究。目前UHPC的配合比及制備技術已然不再是秘密，其優異的材料及結構性能也已得到大量研究結果的證實。在國內眾多學者及工程技術人員的不懈努力下，UHPC在工程應用上也取得了許多突破。但與國外相比，我國UHPC總體的應用規模仍較小，且仍以工廠預制和現場拼裝為主。總體而言，材料價格高昂、缺乏相關的技術標準、UHPC研究較為分散是目前制約UHPC在國內工程中普及的幾個重要原因。因此，為進一步推動UHPC的規模化應用，仍須在諸多方面進行努力，如：

（1）著重開展經濟性研究。一方面，UHPC的制備成本較高，應著重研究利用常規材料和簡單工藝，制備出滿足更多要求的UHPC；另一方面，由于UHPC性能大幅提升，能一定程度減少結構本身材料的使用量、減輕結構自重和提高服役年限，但需進行定量化研究，提高說服力；

（2）加快制定標準或規范。在國內工程建設的大背景下，UHPC很難在沒有標準或規范指導的情況下實現規模化應用。近年來，UHPC應用在中國不斷升溫，部分地方、團體和行業標準已經發布，而更多的標準、規程正在不斷制訂和更新之中，如《超高性能混凝土結構技術規程》《超高性能混凝土 （UHPC）技術要求》等。隨著標準的制訂，UHPC應用將會得到較快和長遠的發展；

（3）加強系統性研究和項目合作。目前國內對UHPC的研究較為分散，不利于形成系統性、指導性的研究成果，一定程度上延緩了其在工程領域的應用。隨著研究投入的加大和研究人員的不斷增加，研究的廣度、深度與系統性也不斷提高，將為UHPC應用和推廣奠定堅實基礎。

目前，中國仍處于大規模建設時期，對節能減排、可持續發展日益重視，對混凝土性能的要求也不斷提高。隨著UHPC逐步向超高強、超高韌性、高耐久、低成本、綠色生態和可持續化方向發展，未來UHPC必將展現出更為廣闊的應用前景。