超高性能混凝土的研究和應用綜述

鄭倩 ZHENG Qian；李世華 LI Shi-hua；梁麗敏 LIANG Li-min；田帥 TIAN Shuai

（①云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，昆明650501；②云南省高性能混凝土工程研究中心，昆明650501）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，建筑物和構筑物的高度、跨度不斷增加，結構的復雜化對土木工程材料提出了更高的要求。超高性能混凝土（UHPC）是一種超高強度、高耐久性的工程材料，其抗壓強度一般大于120MPa，并且通過大量使用不連續（鋼）纖維實現開裂后硬化行為[1]。UHPC 的主要特點是高填充密度和低水膠比（w/b）。高填充密度是通過去除粗骨料和使用其他具有高細度的細骨料和輔助膠凝材料來實現的。UHPC 因其優異力學性能，能大幅降低承重結構自重，延長建筑物和構筑物使用壽命等優點。具有在大跨徑橋梁、抗爆結構、薄壁結構、抗震結構、超高建筑以及高腐蝕環境中的應用與發展前景。

但UHPC 具有水膠比低，膠凝材料用量大且不加入粗骨料等特點，使得UHPC 的粘度增大，流動性降低[2]，導致超高性能混凝土拌合物在泵送過程和施工過程中難度增大、早期收縮量大[3]。因此全面分析UHPC 工作性能和早期收縮的影響因素，探求原材料對UHPC 工作性能的影響規律，采取有效措施實現UHPC 良好的工作性能并保證UHPC 工作性能的穩定性，抑制UHPC 的早期收縮使其體積穩定，是現階段推動UHPC 規模化生產和工程應用的重中之重。本文將從原材料、工作性、早期收縮性幾方面闡述目前UHPC 的研究現狀，以期給工程實際應用帶來一定的參考。

1 超高性能混凝土的研究現狀

1.1 原材料

經過幾十年的發展，配制UHPC 最常用的方法之一是：水泥+輔助膠凝材料+低水膠比（w/b）+細骨料+外加劑+鋼（或有機）纖維。其關鍵原則是提高拌合物的均勻性和堆積密度。通過去除粗骨料可以提高拌合物的均勻性，使得在載荷作用下產生的應力分布更均勻。通過優化原材料的粒度分布，使小粒徑的顆粒填充在較大顆粒之間的空隙，以達到提高拌合物的堆積密度的效果。由于低水膠比和輔助膠凝材料的火山灰效應，UHPC 可以獲得更加致密的微觀結構，從而獲得優異的性能。添加鋼纖維則有助于提高拉伸強度和UHPC 的延展性。

1.1.1 膠凝材料

UHPC 所用水泥的選取應考慮需水量、水化熱、與高效減水劑相容性等問題。降低水泥中C3A 的含量、以及選取適合的水泥細度[4]，控制水泥的比表面積，以保證水泥具有較小的需水量。減少鈣礬石的形成，降低水泥水化熱[5]。并且現階段膠凝材料的研究正朝著低成本、低能耗的方向發展。胡曙光等[6]摻入質量比48%的鋼渣粉，在0.18 水膠比下經90℃熱水養護制備出UHPC，其抗壓強度可達152MPa。張吉松[7]摻入30%的稻殼取代水泥制備UHPC，可以基本保持與對比試件（未摻稻殼）相同的抗壓和抗折強度。采用工業廢渣銅礦尾粉作為輔助膠凝材料，其摻量大于15%時，可提高試樣后期的抗壓強度[8]Chan[9]研究表明，硅灰的最佳配比在20~30%時，可以降低UHPC 中氫氧化鈣的含量，改善纖維-基體的結合，并增加UHPC 的抗壓和抗彎強度[10]，但也有研究使用10%的硅灰使UHPC 的28d 抗壓強度超過150MPa。事實上，最佳硅灰配比高度依賴于水膠比，水膠比越低，則硅灰配比越低[11][12]。較高的硅粉含量會導致粘度增加和材料成本增加。

1.1.2 細骨料

為了解決制備UHPC 所產生的的環保和成本問題，使UHPC 朝著經濟型和生態型發展，提出了采用機制砂或工業礦尾渣等代替天然砂。銅渣具有優良的力學性能、良好的耐磨性和良好的穩定性，Khalifa S[13]等人建議使用質量比高達40-50%的銅渣取代部分細骨料，以獲得具有良好強度和耐久性要求的混凝土。當把鐵尾礦砂用作細骨料時，標準養護條件下制備出的UHPC，抗壓強度最高能達到138.0MPa[14]。但如果骨料太細，其比表面積就越大，水泥漿能包裹的骨料就越少，拌合物的粘度增大導致流動性降低。J.Ma[15]等人采用粒度為2-5mm 的玄武巖制備UHPC，其抗壓強度達到了與最大骨料尺寸小于1.0mm 的UHPC相同的數量級。

1.1.3 外加劑

超高性能混凝土拌合物需要相對高劑量的化學外加劑，最常用的是高效減水劑（HRWR）。減水劑摻量為3%時，得到的UHPC 強度最高，減水劑摻量為4%所制備的UHPC 工作性能最優[16]。王毅等[17]采用馬來酸酐（MAH），二乙二醇單丁醚，甲基丙烯酸-聚乙二醇單甲醚酯大單體（MPEGnMA）為主要聚合單體，合成了具有降粘效果的聚羧酸減水劑。采用添加膨脹劑和減縮劑來改善由于低水膠比、去除粗骨料而造成的早期收縮大、易開裂問題[18]。鄧宗才[19]等人發現UHPC 摻質量比6.0%的HP-CSA 膨脹劑時抑制自收縮效果最佳，28d 減縮率達93. 6%；減縮劑SBT-SRA（I）質量比為1.5%時減縮效果最佳，28d 減縮率為43.0%；但膨脹劑與減縮劑雙摻時未產生協同效應。

1.1.4 纖維

UHPC 優異的抗拉性能和彎曲韌性主要源于纖維的摻入。S-T.Kang[20]等發現鋼纖維體積摻量在0%~5%范圍內，UHPC 的抗拉強度隨纖維摻量的增加呈線性增長。但鋼纖維過多的加入會在UHPC 攪拌過程中發生纖維結團，導致UHPC 的工作性能降低，最終影響UHPC 的力學性能[21]。為了平衡纖維摻量與UHPC 力學性能的關系，對纖維的摻量、組合及排布方向做了大量的研究。SH Park[22]等探究了混合纖維對UHPC 拉伸行為的影響。粗纖維的體積摻量保持在1.0%，而微纖維的體積摻量從0.0%到1.5%不等。盡管添加微纖維有利于應變硬化和多重開裂行為，但UHPC 的拉伸應力-應變曲線的整體形狀主要取決于粗纖維的類型。摻有扭曲幾何形狀粗纖維的UHPC 在開裂后強度、應變能力和多重微裂紋行為方面具有最佳性能，而摻有長而光滑粗纖維的UHPC 表現出最差的性能[22]。與主拉伸應力方向相對應的纖維排列可以大大提高UHPC 的力學性能，尤其是彎曲和拉伸性能。與具有隨機纖維取向的UHPC 相比，具有纖維排列的UHPC 的準靜態彎曲強度、韌性和拉伸強度可分別提高10%~80%、20%~100%和30%~90%[23]。

1.2 工作性

超高性能混凝土由于其特殊的原材料體系和配合比參數設計，在保證力學性能和耐久性能等滿足設計要求的同時，具有良好的工作性能是實現工程應用的一個重要環節。影響超高性能混凝土工作性的主要因素包括水膠比、膠砂比、鋼纖維、外加劑及膠凝材料的性能等。

沈銳[24]等人系統研究了不同水膠比、細骨料級配以及粗骨料取代細骨料的比例對UHPC 工作性能的影響。研究表明通過改變骨料的級配來降低骨料比表面積、提高水膠比可提高UHPC 的流動性，但會降低UHPC 的抗壓強度。當細骨料部分被粗骨料取代時，UHPC 的工作性能得到改善。盧喆[25]等人分別分析了材料的組成（水膠比、硅灰、粉煤灰、鋼纖維、減水劑）對UHPC 的工作性能的影響。結果表明，水膠比對UHPC 工作性的影響最顯著，水膠比越大，UHPC 的流動性越好；鋼纖維對UHPC 工作性的影響最小。程寶軍[26]等探究了砂膠比、水膠比對自密實UHPC 流動性的影響，試驗發現，粗骨料在一定范圍內取代細骨料時（取代率為20%~40%），隨粗骨料摻入量的增加，骨料比表面積呈下降趨勢，表面漿體厚度提高，從而導致UHPC的流動性提高。李歡歡[27]采用最緊密堆積理論進行UHPC配合比設計，并對減水劑與水泥的適應性進行了試驗研究。結果表明：合理的細骨料顆粒級配能夠改善UHPC 拌合物的自密實性，有利于其硬化后的力學性能；UHPC 的工作性能表現規律與所加減水劑的適應性檢驗的結果相吻合。提前進行減水劑與膠凝材料的適應性檢驗，可以正確指導減水劑的選擇。

纖維在超高性能混凝土中除了增強增韌之外，鋼-聚乙烯混雜纖維、純鋼纖維等不同種類、纖維的形狀和長徑比、纖維摻量等也會對UHPC 的工作性能產生極大影響。UHPC 坍落擴展度隨鋼纖維摻量增加呈直線下降。鋼纖維摻量越高，UHPC 的流動性越差，其主要原因是鋼纖維的摻入增加了纖維之間、纖維與骨料之間的摩擦力，使混凝土內部摩擦力顯著增大，從而導致UHPC 的工作性變差。黃政宇[28]等人研究了不同長度（13、16、20mm）的弓形纖維對UHPC 工作性的影響。實驗發現單摻定量纖維，UHPC的流動性隨長徑比增大而遞減。異形纖維對其流動性的降低幅度比等摻量圓直形纖維提高了約10%~22%[29][30]。纖維端部形狀越曲折，流動性越小[31]。綜合來看，隨著纖維摻量的增加，混凝土的工作性降低趨勢越明顯，隨著纖維長徑比的增大，纖維對UHPC 流動性的影響增大，而纖維形狀對工作性的影響較小，影響UHPC 工作性最主要的因素為纖維摻量[32][33]。此外，原材料組成對超高性能混凝土流動性、強度性能以及自收縮、干燥收縮等變形性能具有較大的影響。由于硅灰與高效減水劑共同使用時表現出來的復合減水效果，隨著硅灰摻量的增加，UHPC 的流動性呈現逐漸增大的趨勢。由于石英粉顆粒外形粗糙且不規則，所以UHPC 拌合物的流動性隨著其摻量的增加而減小。砂膠比的增加意味著細集料的增多，隨著細集料比表面積的增加，能夠包裹集料的漿體相對減少，導致UHPC 拌合物流動性逐漸降低。關于減水劑對拌合物工作性的改善，減水劑摻量存在一個最佳臨界點，當超過最佳摻量時對流動性的改善效果并不明顯[34]。

綜合目前關于UHPC 工作性能的影響因素研究，主要集中在配合比參數，如水膠比、鋼纖維摻量等，忽略了UHPC 的原材料對工作性能的影響。在水泥、輔助膠凝材料、外加劑、骨料等方面，膠凝材料的標準稠度用水量、需水量比、骨料的種類和級配及外加劑的復配等均對工作性能有較大的影響。此外，UHPC 的工程應用環境對拌合物工作性能具有較高的要求，特別是在涉及到高溫等特殊氣候環境的工程應用，對UHPC 的工作性和工作性保持能力要求較高，一方面需要滿足澆筑施工的要求，另一方面，保證拌合物具有良好的填充能力，使硬化成型后的混凝土結構具有良好的密實性。因此開展UHPC 特定材料和在特定環境的研究就尤為重要。

1.3 早期收縮性能

超高性能混凝土由于其膠凝材料用量大、水膠比低的特點，在早期極易由于失水、水化反應和放熱速率過快引起早期自收縮量較大、體積穩定性差的問題。關于超高性能混凝土的早期收縮性能的問題，國內外學者已經做了大量的試驗研究。

關于如何抑制UHPC 的早期收縮量以及體積穩定性不良等問題。一般從以下兩個方面進行考慮：①減小UHPC 的早期水化反應引起的化學收縮、自收縮及干燥收縮等，并提高UHPC 的早期強度以抵抗收縮引起的開裂應力；②降低UHPC 表面的水分蒸發速率，使得UHPC 內外水分移動平衡，減緩干燥速率。對于抑制UHPC 的早期塑性收縮開裂的具體措施，以降低收縮和補償收縮為出發點。在優化配比以降低其早期收縮的方法上，吳林妹[35]、馮浩[36]等人分析了礦粉、粉煤灰、水膠比、鋼纖維摻量及外部環境溫濕度等因素對UHPC 的早期塑性收縮的影響，研究表明為降低UHPC 早期塑性收縮，可以選用早期強度相對較高、干燥收縮小的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。硅灰與粉煤灰是UHPC 必要的組成成分，但應嚴格控制其摻入量。UHPC 的早期塑性收縮值隨硅灰的摻入量增加而增大；而粉煤灰在一定范圍內摻入量越大，其越有利于抵抗早期塑性收縮。

其次在補償收縮的方法上，可以考慮外加劑的應用，利用膨脹劑制成超高性能收縮補償混凝土，也能夠很好的解決UHPC 的早期收縮大的問題。黃政宇[28]等開展了不同水膠比與鋼纖維摻量下摻入HCSA 和UEA 的UHPC 的性能研究，結果表明：當UHPC 的水膠比為0.18 時，8%~10%摻量的HCSA 能有效解決UHPC 常溫養護收縮大的問題；HCSA 與鋼纖維共同作用能夠有效降低UHPC 的收縮；相比UEA，HCSA 膨脹效果與穩定性更好[37]。可見，對于UHPC，HCSA 膨脹劑可能是補償收縮的有效技術手段之一[38]。但當HCSA 膨脹劑摻量大于8%時，會出現UHPC 的強度降低和體積不安定問題，劉路明[39]等人研究了膨脹劑單摻、內養劑單摻、兩者復摻對 UHPC 的流動性、凝結時間和自收縮的影響。結果表明：加入內養劑可以提高摻膨脹劑UHPC 的流動性并延長凝結時間，能進一步改善摻膨脹劑摻量大時UHPC 的體積安定性。因此膨脹劑與內養劑復摻是一種降低UHPC 自收縮的方法。潘家錚院士曾指出MgO 的膨脹作用原本屬于可能危害混凝土體積穩定性的因素，但一定量的MgO 可以用來補償混凝土溫降收縮和自收縮以達到大體積結構抗裂的目的。徐真才[40]采用摻氧化鎂膨脹劑，對UHPC 收縮性能進行調控，對比在不同養護溫度（20℃，38℃）下不同活性氧化鎂膨脹劑對UHPC 收縮性能的影響，發現20℃和38℃養護溫度下，高活性氧化鎂膨脹劑對UHPC 自收縮有較好的補償效果，且隨著摻量的增加，補償效果越好。同時，相比于常溫養護溫度，高溫養護下高活性氧化鎂膨脹劑對UHPC 的補償收縮效果更好。不同活性氧化鎂膨脹劑均會導致UHPC 的28d 抗壓強度降低，且隨著摻量越大，抗壓強度降低的幅度越大。

上述研究結果表明，UHPC 的水膠比相較于普通混凝土更低，水化反應造成毛細管中水分不飽和，形成毛細孔負壓，導致自收縮的產生。目前比較成熟的做法為采用補償收縮特性來降低收縮。但是市面上的混凝土膨脹劑種類繁多，且各膨脹劑存在各自的優缺點，另外關于采用膨脹劑降低超高性能混凝土早期收縮并調控其工作性能、力學性能是需要解決的問題。

2 超高性能混凝土工程應用技術研究

在國外，UHPC 已被廣泛應用于在建筑、橋梁、核電、市政和海洋等眾多領域，UHPC 應用的突破包括 1997 年建成的加拿大魁北克省布魯克（Sherbrooke）人行橋[41]，在法國Cattenom 和Civaux 核冷卻塔的侵蝕性環境中更換腐蝕鋼梁[42]和法國的 Bourg-les-Valence 橋[43]。UHPC 先進的力學性能和耐久性使人們重新考慮許多常見橋梁部件的傳統設計方法。對超高性能混凝土構件的優化設計進行了許多調查，導致世界各地都在開發和建造超高性能混凝土橋梁。2002 年，韓國仙游人行天橋采用UHPC 建造，主跨120m[44]，成為世界上使用UHPC 建造的最長跨橋，其施工所需材料量僅為傳統混凝土施工中所用材料的一半左右，但仍能提供相當的強度性能[45]。還有2012 年建成的韓國Super Brigde Ⅰ斜拉橋[46]和 LEGO 公路斜拉橋[47]等。大多數UHPC 結構只需要傳統鋼筋的一半截面深度，這將其重量減輕了約70%，并且實施簡單，耐久性更好[48]。

從2003 年起，UHPC 在中國被用于人行天橋、橋梁、高速公路橋面和維修等領域，并在應用上取得了許多新的突破。2018 年6 月，武漢華新長山口環保工廠采用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。除用于制作預制構件外，UHPC現場澆筑應用也在不斷發展，湖南大學邵旭東教授團隊為解決正交異性鋼橋面鋪裝層易破損和鋼結構疲勞開裂的難題，研發了鋼板-UHPC 輕型組合橋面結構，在之后成為了現場澆筑中應用較多的結構[49]。2011 年，鋼-UHPC 輕型組合橋面結構首次在廣東肇慶馬房大橋上應用[50]。2018 年5 月12 日完成了采用鋼-UHPC 組合橋面結構的蒙華鐵路洞庭湖特大橋鋪裝工程[51]，系世界范圍內首次將鋼-UHPC組合橋面技術應用于鐵路橋梁。2017 年，雙高速東豐至雙遼段（東雙高速）S102 分離立交橋采用UHPC 在橋面鋪裝。UHPC 在橋面鋪裝中的施工工藝主要包括超高性能混凝土的澆筑、振搗、抹面、覆膜、灑水養生、拉毛、加鋪瀝青面層。[52]

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。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 發展的重要原因，所以亟須根據不同地區或特定材料來發展UHPC 的本土化應用。UHPC 的應用和發展，還需要多方共同的努力。

3 結論

超高性能混凝土（UHPC）原材料的選擇非常關鍵，混凝土的工作性和早期收縮特性很大程度上就受原材料的影響。在實際工程應用中要結合施工環境和泵送高度等實際問題合理選擇原材料及調整配合比，且在配合比設計時考慮收縮帶來的負面影響，使用膨脹劑達到補償收縮的效果，減小開裂的可能性。UHPC 的工作性和收縮開裂問題、復雜氣候環境下UHPC 的配合比設計等仍有較大研究空間，形成UHPC 系統的研究和應用指導方案。