超高性能混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀及工程應(yīng)用介紹

吳子通，王林彬，高 寒，易碧良，李庚英

（1、廣州北環(huán)智能交通科技有限公司 廣州 510030；2、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 廣州 510642）

0 引言

混凝土是一種由膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料、水和外加劑組成，經(jīng)過攪拌混合和凝結(jié)硬化后具有一定強(qiáng)度的人造建筑材料。與其他建筑材料相比，混凝土的原料來源豐富，生產(chǎn)制作簡便，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，耐久性和適用性。

在歷史的長河里，以色列人的加利利城，古埃及人的階梯金字塔，古羅馬的萬神廟和斗獸場，都留下了利用火山灰和石灰制作的“幼年混凝土”的身影，古羅馬萬神廟更是第一次將混凝土由黏結(jié)材料變作主體建筑材料。1756年三埃迪斯通燈塔的建造通常被看做是現(xiàn)代混凝土的起點(diǎn)，1909 年建造的富蘭克林25 號公寓是現(xiàn)代建筑歷史中第一幢明確展現(xiàn)框架的鋼筋混凝土建筑。在20 世紀(jì)20 年代、50 年代和70 年代，混凝土的平均抗壓強(qiáng)度可分別達(dá)到20、30、40 MPa［1］。隨著混凝土的應(yīng)用逐漸廣泛，社會經(jīng)濟(jì)的日益增長，人類社會對混凝土性能的需求也越來越高，強(qiáng)度為30 MPa 以下的混凝土已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代建筑工業(yè)的需求，水灰比等學(xué)說的發(fā)展使高強(qiáng)度混凝土的制備成為可能［2］。事實(shí)上，20世紀(jì)70年代末，在減水劑和高活性摻合料的作用下，強(qiáng)度在60 MPa以上的高強(qiáng)混凝土（High Strength Concrete，HSC）已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

從人類社會發(fā)展進(jìn)程來看，在接下來很長一段時(shí)間內(nèi)，混凝土都將會是使用量最大，應(yīng)用面最廣的建筑材料。但混凝土的自重大，脆性明顯，抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)限制了混凝土材料的應(yīng)用范圍，而為了滿足工程實(shí)例中對混凝土越來越高的強(qiáng)度需求，普通混凝土需要更多的用量從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的資源損耗和環(huán)境污染，甚至無法滿足建筑的需求。因此，人們又提出了將HSC 包含在內(nèi)的高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）的概念。所謂高性能，指的便是高強(qiáng)度，高耐久性，高流動性等［3］。

然而，單純地通過減低水膠比和提高混凝土粉體密實(shí)度來提高混凝土抗壓強(qiáng)度，并不能改變混凝土自身脆性大，抗拉強(qiáng)度小的缺點(diǎn)，人們在混凝土中加入纖維材料則可以混凝土的延性和抗拉強(qiáng)度，于是形成了纖維增強(qiáng)混凝土（Fiber Reinforced Concrete，F(xiàn)RC），當(dāng)采用的纖維為鋼纖維時(shí)，稱為鋼纖維增強(qiáng)混凝土（SFRC）。

一般來說，HSC 是指抗壓強(qiáng)度達(dá)到50～120 MPa的混凝土，而HPC 在這個基礎(chǔ)上改善了耐久性，提高了混凝土的綜合性能，不過高標(biāo)號的混凝土往往延性更差，容易發(fā)生脆性破壞，在混凝土中加入纖維材料從而獲得更高的抗拉強(qiáng)度和更好的延性，即為FRC。

隨著人們對HPC和FRC的研究更加深入，HPC和FRC 在實(shí)際工程中的應(yīng)用也變得廣泛，混凝土初步滿足了人們在工程實(shí)際中的強(qiáng)度和延性需求，但人們并沒有放棄對更高性能混凝土的追求。

20 世紀(jì)60 年代，美國的POWERS 便對水泥凈漿進(jìn)行了一系列系統(tǒng)的研究，分別從物理結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)對水泥凈漿硬化后的性能進(jìn)行分析，初步開始研究密實(shí)度與水泥凈漿強(qiáng)度的關(guān)系，為超高性能混凝土的研究奠定了基礎(chǔ)。學(xué)者們在20 世紀(jì)70 年代初就通過試驗(yàn)研究證實(shí)，提高水泥凈漿的密實(shí)度，可以有效提高混凝土強(qiáng)度。丹麥的BACHE 教授在自身試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了DSP（Densified System with Ultra-Fine Particles）理論，即：用充分分散的超細(xì)顆粒（硅灰）填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中，實(shí)現(xiàn)顆粒堆積致密化，從而使粉體顆粒整體密實(shí)度提高，也稱為致密化體系。在這之后不久，丹麥的Aalborg Portland公司便注冊了Densit 商標(biāo)，這是第一個被注冊的UHPC 配合比。此時(shí)期也出現(xiàn)了許多其他的配制高強(qiáng)度混凝土的方法，包括BIRCHALL 配制出的無宏觀缺陷水泥基材料（MDF，Macro Defect-Free Cement），LANCARD 制備的注漿纖維混凝土（SIFCON），NAAMAN提出的纖維增強(qiáng)混凝土（HPFRCC），BACHE 等將DSP混凝土基體與鋼筋結(jié)合，開發(fā)了CRC（Compact Reinforced Composite，密實(shí)增強(qiáng)復(fù)合材料）等，為UHPC 的完善和發(fā)展打下了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

在DSP 體系的基礎(chǔ)上，通過高效減水劑的作用將混凝土粉體均勻分散開，用更小的水膠比就可以實(shí)現(xiàn)更密實(shí)化的混凝土，從而得到更高抗壓強(qiáng)度的混凝土，稱為超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC），因?yàn)橐话阈钃饺脘摾w維，也被稱作超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，UHPFRC）。但UHPC 并不是簡單的對HPC和FRP的增強(qiáng)，而是有明確的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，可以施工制備的新型水泥基建筑材料。LARRARD 和SEDRAN 在1994 年 首次 提 出UHPC 的名稱，在這之前一段時(shí)間內(nèi)，BONNEAU 在DSP理論基礎(chǔ)下，結(jié)合MDF 和FRC 的基礎(chǔ)上配制出的活性粉末混凝土（RPC，Reaetive Powder Conerete），一段時(shí)間內(nèi)甚至作為超高性能混凝土的代名詞使用。進(jìn)入新世紀(jì)以來，世界各國對UHPC的研究的開始重視起來。

目前，UHPC的工程應(yīng)用研究尚處于起步階段，但已成為土木工程領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的新型建筑材料。各國在UHPC的組成材料和配比、制作、養(yǎng)護(hù)以及其物理力學(xué)性能方面的研究較多，但對UHPC 實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、設(shè)計(jì)計(jì)算理論等方面的研究卻較少。

1 超高性能混凝土的技術(shù)指標(biāo)

1.1 UHPC的力學(xué)性能

UHPC 是一種現(xiàn)代新型的建筑材料，不同國家之間暫時(shí)沒有形成統(tǒng)一的定義標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有比較通用的是法國和日本的UHPFRC 規(guī)范，兩者對UHPC 的定義稍有不同，但均要求UHPC 抗壓強(qiáng)度能達(dá)到150 MPa［4］。而我國的標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土：GB∕T 31387—2015》對UHPC的技術(shù)指標(biāo)則要比150 MPa低，R100的UHPC抗壓強(qiáng)度要求為100 MPa，抗折強(qiáng)度在120 MPa以上。

1.2 UHPC的耐久性性能

UHPC 的密實(shí)度和均勻性都比普通混凝土要好，水膠比也比普通混凝土要低，所以UHPC 內(nèi)部的孔隙和缺陷要比普通混凝土小很多。此外，通過熱養(yǎng)護(hù)UHPC 能獲得很好的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得良好的耐久性能［5］。關(guān)于UHPC 的耐久性能研究，一般包括抗凍融循環(huán)性能，抗氯離子滲透性能，抗碳化性能和滲水性等耐久性研究，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)，碳化深度和吸水孔隙率等指標(biāo)均要遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。

1.3 UHPC的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)價(jià)值

使用UHPC 能減少二氧化碳的產(chǎn)生。在實(shí)際工程中，在相同的運(yùn)用環(huán)境下，UHPC的構(gòu)件截面要比普通混凝土的小得多，也就是說使用UHPC 代替普通混凝土可以減少在生產(chǎn)水泥過程中產(chǎn)生的CO2含量。同時(shí)運(yùn)用粉煤灰，硅灰等礦物粉料替代骨料，也可以減少由于過度開采天然石料所引起的環(huán)境問題。雖然UHPC 的單位造價(jià)要比普通混凝土（NC）的高，但在相同工作環(huán)境下UHPC 的用量更少，考慮到UHPC 優(yōu)異的耐久性能，還可以節(jié)約大部分的維護(hù)成本。

2 超高性能混凝土的不足之處

UHPC 具有許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域能有極好的前景，不僅可以突破傳統(tǒng)混凝土材料的強(qiáng)度限制，大大提高混凝土的運(yùn)用范圍，同時(shí)可以減少碳排放量，提高建筑行業(yè)的綠色化程度［6］。但是UHPC 的配合比成分復(fù)雜，各組分對混凝土的性能都會產(chǎn)生影響，不可避免的會存在不足之處，限制了UHPC 在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

2.1 整體造價(jià)較高

UHPC 的整體造價(jià)相較普通混凝土更高，尤其是應(yīng)用在纖維材料，膠凝材料和高效減水劑的高額成本，使得UHPC 的造價(jià)大概是普通混凝土的10～20倍，一些施工單位會以此為判斷依據(jù)，從而棄用UHPC 而選用更廉價(jià)的普通混凝土，限制了UHPC 在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

其實(shí)在許多工程實(shí)例中我們發(fā)現(xiàn)，雖然UHPC 的單位造價(jià)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土，但是采用UHPC 依然能夠?qū)崿F(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)收益。這是因?yàn)殡m然高強(qiáng)度混凝土的造價(jià)要比低強(qiáng)度混凝土的高，但這個差價(jià)可以被構(gòu)件減少的截面尺寸所節(jié)約的成本所補(bǔ)償。在美國，從30 MPa起混凝土每提高10 MPa，每m3混凝土拌合物的成本提高20美元，60 MPa的混凝土相應(yīng)造價(jià)為120 美元，120 MPa 的混凝土相應(yīng)造價(jià)為240 美元，當(dāng)用120 MPa 混凝土代替60 MPa 混凝土?xí)r運(yùn)用在高層建筑柱子結(jié)構(gòu)時(shí)，力學(xué)性能提高了一倍，造價(jià)提高一倍，兩者基本相抵，但同時(shí)，生產(chǎn)、運(yùn)輸以及施工過程上產(chǎn)生的能耗也會大大降低，后期混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)成本也由于UHPC 的高耐久性而降低。越來越多的UHPC 研究機(jī)構(gòu)的成立，各國政府對UHPC 的支持力度不斷加大，UHPC的整體造價(jià)還在不斷下降，包括選用更低成本的配合比成分替代品，優(yōu)化施工工藝等。因此，隨著UHPC 在土木工程領(lǐng)域的推廣運(yùn)用，UHPC的整體造價(jià)過高的缺點(diǎn)，將會被整體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益更高的優(yōu)點(diǎn)所補(bǔ)償［7-8］。

2.2 膠凝材料用量較高，需要高溫養(yǎng)護(hù)

UHPC 的配合比膠凝材料含量很高，大約是普通混凝土的3～4倍，如果不能充分發(fā)生水化反應(yīng)，則UHPC 早期的收縮會非常大，導(dǎo)致UHPC 的開裂，在工程中應(yīng)用也會存在安全隱患［9-10］。同時(shí)UHPC 極低的水膠比也增加了膠凝材料充分水化反應(yīng)的難度。所以不可避免地，在UHPC 的制作過程需要進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)，使得膠凝材料可以充分進(jìn)行水化反應(yīng)，但這也限制了UHPC 在工程中的應(yīng)用，大部分的實(shí)際工程并沒有高溫養(yǎng)護(hù)的施工條件，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場澆筑，所以UHPC更多應(yīng)用在使用預(yù)制構(gòu)件的工程之中。高溫養(yǎng)護(hù)同時(shí)也會提高UHPC使用過程的能耗成本。

2.3 鋼纖維分散困難

在UHPC 中加入鋼纖維是一個非常顯著的特征，但鋼纖維在添加過程中會出現(xiàn)較明顯的成團(tuán)現(xiàn)象，鋼纖維成團(tuán)后內(nèi)部也許會產(chǎn)生較大的孔洞，導(dǎo)致UHPC具有一定的缺陷，暫時(shí)來說沒有較好的分散鋼纖維的方法，只能在施工過程中緩慢加入鋼纖維，大大提高了UHPC的施工難度。

3 研究展望和成果介紹

由于UHPC 的配合比通常會加入鋼纖維增強(qiáng)韌性，通常UHPC 都會具有較好的韌性，其斷裂模式與普通混凝土?xí)忻黠@的區(qū)別，所以有必要通過細(xì)觀力學(xué)對UHPC 的斷裂性能進(jìn)行深入，但現(xiàn)有的國內(nèi)關(guān)于UHPC 的性能研究多集中在力學(xué)性能、干縮性能和水化過程的研究，對于UHPC 斷裂性能的研究較少，在接下來的科研工作中，可以結(jié)合分形理論和斷裂力學(xué)，在普通混凝土的基礎(chǔ)上開展對UHPC 的研究，從而獲得更符合UHPC試驗(yàn)的損傷本構(gòu)模型。

本公司在UHPC 的研究基礎(chǔ)上，依托廣州北環(huán)高速沙貝立交擴(kuò)建工程F 匝道橋加寬橋工程［11］，既解決了橋梁加寬凈空不足的現(xiàn)場現(xiàn)實(shí)問題，同時(shí)對16 m工字型UHPC 預(yù)制簡支梁進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析、橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算理論研究、橋梁抗彎抗剪承載能力試驗(yàn)研究、橋梁舒適度研究，項(xiàng)目的研究成果具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。主要創(chuàng)新點(diǎn)包括：①在國內(nèi)首次提出UHPC 無普通鋼筋預(yù)制橋梁設(shè)計(jì)理念，提出相應(yīng)設(shè)計(jì)理論；②通過足尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證橋梁承載能力；③通過預(yù)埋傳感器，建立16 m 工字型UHPC 預(yù)制簡支梁長期監(jiān)測系統(tǒng)；④通過成橋動載試驗(yàn)參數(shù)分析，研究UHPC橋梁行車舒適性。

本項(xiàng)目2018 年6 月完成需求調(diào)研、立項(xiàng)工作，2018年8月前完成材料和工藝試驗(yàn)。2018年9月完成完成現(xiàn)場使用，系統(tǒng)優(yōu)化，2018 年9 月～2019 年3 月對該材料和技術(shù)進(jìn)行連續(xù)跟蹤研究，2019年上半年提取研究成果并申請專利。