超高性能混凝土研究及工程应用现状与前景展望.docx

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1、超高性能混凝土研究及工程应用现状与前景展望引言随着社会经济和科技水平的快速发展，混凝土材料作为一种复合建材产品广泛应用于楼房建筑、公路铁路的桥梁和隧道等工程建设中，特别是高层建筑、大跨度建筑的不断涌现，迫使混凝土材料朝着更高强度、更高耐久性和更高可靠性的方向发展。20世纪90年代，法国BoUyUeS公司开发了一种活性粉末混凝土（ReaCtiVePOWderCOnCrete,RPC）,这是超高性能混凝土的雏形，相比普通的混凝土材料，其具有更高的耐久性能、更优异的力学性能等。国外研究人员于1994年提出了“超高性能混凝土（Ultra-highPerformanceConcrete,简称UHPe）的

2、概念，当时主要用来指代RPC,并非现在意义上的UHPC,随后UHPC开始逐渐成为世界各国学者和工业界研究的焦点。相关研究报道主要集中在UHPC的制备、力学性能、耐久性能等方面，但由于其相较普通混凝土的制备工艺更加复杂，原材料要求及生产成本更高，造成UHPC在实际工程应用中的占比非常小。基于此，本文对UHPC的设计原理、物理性能指标、低碳性能、工程应用案例、国内外相关标准等方面进行详细介绍，分析UHPC在应用中存在的不足，并提出其未来发展的方向和趋势，以期为UHPC的发展提供一定的参考和建议。1 UHPC的设计原理对混凝土来说，想要获得更高的强度，需要尽可能地增大原材料的堆积密度。因此学者们先后

3、提出不同的堆积密度模型，包括线性堆积密度、可压缩堆积、悬浮固体等模型。在影响UHPC强度方面，最主要的因素有两个，一是孔隙率，获得低孔隙率的关键是原材料具有高堆积密度；二是微裂纹，如何减少微裂纹的产生和发展决定了UHPe的强度。因此，在保证最大堆积密度和最少裂纹的基础上，提出了UHPC的设计原理：（1）基体堆积密实度最大化。确定UHPC原材料的最佳颗粒级配，实现原材料的最大堆积密度；确定减水剂类型及最优掺量，提高拌合物的工作性能，大幅降低UHPC配制的水灰比。（2）提升基体均质性。去除或减少粗骨料的使用，增加胶凝材料的使用，从而减少骨料的内部缺陷，降低界面缺陷带来的强度减小风险；掺入高活性粉体

4、，例如硅灰或球型粉燥灰，不仅能起到填充和火山灰反应作用，而且能提供浆体颗粒之间的润滑作用，减少浆体中的孔隙；采用高速强制搅拌制浆的方法，并配合振捣灌注成型使浆体变得更加密实。（3）减少微裂纹的产生。在新拌混合物内掺入高强度纤维，如超细钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，用于增加材料的韧性和延性，减少微裂纹的产生；通过给浆体加压，排出浆体中未参与水化的拌合水，从而降低UHPC在硬化过程中产生微裂缝的风险。（4）保持基体体积稳定性。通过添加化学试剂并控制掺量，可以有效控制基体的自收缩；初凝后，采取热养护方式，可促进氢氧化钙与二氧化硅发生反应，优化水化产物分布和形貌，使UHPC在后期服役过程中体

5、积保持稳定。（5）纳米技术改性。近年来，已有大量研究将纳米碳管、超细粉煤灰、超细矿粉、纳米二氧化硅、超细水泥、以及稻壳灰等纳米级材料掺入制备UHPC的原材料中进行改性。研究表明，掺入的纳米颗粒主要起到填充效应、表面效应和小尺寸效应，使UHPC的强度和耐久性能得到显著提高。虽然UHPC的配合比设计有众多理论模型的指导，但是在使用一种或者多种模型对其进行指导时，往往存在一定的偏差，同时由于UHPC成分复杂多样，而且相同成分不同批次之间也存在一定差异,并且随着纳米材料的使用,现有模型已无法满足UHPC材料的配合比设计。因此，根据新时代UHPC的发展要求和现场施工需求，优化现有理论模型，发展新的理论模

6、型，结合实际经验，形成模糊设计模型，从而实现UHPC配合比设计的科学性、定量性、适应性以及可应用性，是UHPC配合比设计理论的发展方向。2 UHPC的性能特点分析（1）UHPC的超高强度。UHPC的抗压强度、抗弯强度、延伸性能及吸能性能等是普通混凝土和高性能混凝土（HighPerfomanCeConCrete）的数倍。UHPC的优异性能除了在原材料选择方面，也很大程度上得益于高温养护工艺，这主要是由于UHPC的水胶比一般不超过0.22,因此其内部存在大量水泥发挥物理填充作用，高温养护工艺不仅可以提高原材料中的高活性粉体火山灰效应，而且可以加速水泥的水化反应程度，使UHPC在微观上更加紧密，强度

7、更高。此外，UHPC存在显著的尺寸效应，虽然尺寸与强度之间尚未形成明确的比值关系，但是国内研究者采用边长40150mm立方体试件测量的强度值高于边长100mm立方体试件测量的强度值数十兆帕。（2） UHPC的优良韧性。混凝土最大的缺陷是脆性大，所以在设计UHPC配合比时可掺入微细钢纤维，大幅提高其断裂能，与普通混凝土相比，其断裂能高两个数量级以上。（3） UHPC的优异耐久性。UHPC无论是在空气渗透系数、氯离子渗透系数还是碳化、冻融等方面的耐久性均优于高强混凝土和普通混凝土。刘斯凤等对UHPC的耐久性进行研究，发现采用高压养护的UHPC置于水中浸泡90d后，其抗压强度仅下降0.5%,而采用标

8、准养护和热水养护的UHPC,其抗压强度不降反增；此外，UHPC的抗碳化性能、抗冻融性能和耐卤水腐蚀能力均表现优异，证明UHPC的耐久性远高于其他水泥基材料。朱猛和王月系统研究了海洋环境下海水侵蚀、冻融循环、干湿循环等单因素及耦合因素作用对UHPC力学性能的影响规律，发现UHPC具有优异的耐久性。UHPC优异的耐久性得益于低水灰比，使其具有高致密度、低孔隙率、纳米级的孔径结构，掺入多种不同粒径的活性掺合料和级配细骨料优化颗粒级配，使混凝土内部缺陷（孔隙与微裂缝）减少，从而提高了UHPC的抗渗性，毛细水和有害离子难以进入混凝土内部。（4） UHPC的低收缩与徐变。UHPC由于自干燥效应导致内部相对

9、湿度较低，发生自收缩效应，使UHPC内部产生微小裂纹，从而影响混凝土结构的使用寿命。采用预制UHPC构件可以避免微裂纹产生，除了在热养护期间UHPC会产生收缩外，在热养护结束后，UHPC基本无收缩现象。此外，掺入钢纤维可以分散毛细管的收缩应力，避免局部应力集中，可有效抑制UHPC的收缩，从而减少混凝土内部微裂纹的产生和扩展，及UHPC裂缝的产生。（5） UHPC的抗高温爆裂性。通常认为混凝土在高温爆裂中的影响具体表现为：混凝土的质量快速流失，使得混凝土内部也处于高温环境中；混凝土的表层碎片化，且碎块四处飞溅；混凝土受力截面的显著减少，引起承载力的下降；在高温环境中，钢筋容易软化，使构件的承载力

10、快速下降，甚至完全破坏。UHPC在制备过程中会掺加大量的有机纤维或者钢纤维，对于其抗高温爆裂性能具有抑制作用。有机纤维会在UHPC中呈现三维乱向分布，并且在温度升高时融化，形成水蒸气逃逸的孔道，使UHPC在高温后仍然有较高的残余抗压强度，同时研究还发现随着温度的升高，残余抗压强度呈现先增加后降低的趋势。UHPC中的钢纤维在高温时，由于其快速导热效应可很好地平衡UHPC内部因为热量传递产生的温度梯度，消除热应力，避免其开裂和碎片化；有研究表明，UHPC经过高温后，其残余抗压强度随着钢纤维掺量的增加呈现先增加后降低的趋势。（6） UHPC的裂缝自愈合性。尽管UHPC具有优异的性能，但长期在严酷复杂

11、的环境中也容易受外部因素的诱导，形成微缝，甚至在持续承受荷载的过程中，微缝也会扩展演化成为有危害的宏观裂缝。UHPC基体结构的致密性和纤维的增韧效应也使其裂缝常以多重微缝的形式存在，同时，UHPC与普通混凝土相比，不仅胶凝材料用量更大，而且水胶比更低，所以有大量未完全水化的水泥熟料和辅助胶凝材料存在于UHPC内部，在遇到水时，会发生火山灰的二次水化反应，生产的水化产物可以有效封闭UHPC的微裂纹，从而使UHPC具有良好的裂缝自愈合性能。（7） UHPC的低碳环保性能。UHPC可实现工程结构轻量化、节约原材料、减少碳排放，拥有免维护的超长服役寿命，是一种低碳环保型材料。在构件设计时，由于UHPC

12、强度高，可以使用比普通混凝土更小的截面尺寸，设计更复杂和更有创新性的截面形状，实现相同的承重能力、跨越能力，最终达到节约材料的效果。所以在同一工程中，采用UHPC时需要更少的水泥量，意味着可以减少水泥的生产量，从而降低能量消耗，减少C02和其他有害气体的排放，对实现建筑行业的节能减排、绿色低碳具有非常重要的意义。同时，UHPC的耐久性能十分优异，设计寿命是普通混凝土的23倍，节约了重复拆除和建造构筑物的人力和物力资源。3 UHPC的相关标准3.1 国外标准国外关于UHPC的标准最早出现在2001年，以下是比较具有代表性的标准和指南39：2001年，法国土木工程协会(AFGC)与土木结构设计管理

13、局(SETRA)率先颁布了UHPC暂行设计指南超高性能纤维混凝土一临时建议，成为最早的相对完善的UHPC结构设计依据；经过10年的应用，根据最新研究进展和工程应用经验进行修订和完善，于2013年颁布了该指南的修订版。2014年，瑞士工程及建筑师学会(SIA)制定并颁布了关于超高性能纤维混凝土(UHPFRC)的SIA2052技术规范超高性能纤维混凝土指南一材料、设计及应用。2015年，加拿大编写了与UHPC相关的标准，分别为CSAA23.1附件U材料和施工方法和SAS6附件A8.1钢纤维混凝土桥梁的结构设计。2016年，法国正式颁布了两份与UHPC相关的标准和规范，一份是UHPC的设计规范对欧洲

14、规范2的补充一一混凝土结构设计：超高性能纤维增强混凝土的具体规则(NFPI8-710),另一份是UHPC的材料技术标准超高性能纤维增强混凝土：规格、性能、生产和一致性(NFPI8-470),对UHPC分类、组分要求、配比要求、测试方法、生产控制以及检验验收等诸多方面做了系统详细的规定。2017年，美国材料与试验协会发布ASTMeI8591856M17超高性能混凝土试件的制造和试验的标准实施规程。此外，还有一些国家如日本、韩国、德国、西班牙、澳大利亚等也都在加紧编制UHPC相关的指南和标准。3.2 国内标准我国关于UHPC的标准最早出现在2006年，以下是比较具有代表性的标准：2006年，中华人

15、民共和国铁道部科学技术司发布了客运专线活性粉末混凝土(RPe)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件。2015年，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准管理委员会联合发布了GB/T31387-2015活性粉末混凝土。2017年，中国电力企业联合会布了T/CEC143-2017超高性能混凝土电杆。2018年，中国建筑材料联合会和中国混凝土与水泥制品协会发布UHPC系列标准，包括T/CBMF37-201gT/CCPA7-2018超高性能混凝土基本性能与试验方法、T/CBMF96-2020/T/CCPA20-2020超高性能混凝土预混料、T/CBMF127T/CCPA222021超高性能混凝

16、土预制构件生产技术规程和T/CBMF128/T/CCPA23-2021超高性能混凝土现场浇筑施工技术规程等。2020年，中国工程建设标准化协会颁布了T/CECS10107-2020超高性能混凝土(UHPC)技术要求，并开展了一系列有关UHPC的规程研究和制订工作。4 UHPC的工程应用在国外，UHPC材料已在市政、桥梁、核电、建筑等众多工程领域得到应用，著名的工程如：1997年加拿大建成了世界上第一座UHPC人行桥；2001年法国建成了世界上最早的UHPC跨线桥；2002年日本建造完成了UHPC人行桥；2002年韩国建成了一座主跨12Om的UHPC拱桥;2007年德国建成了第一座多跨UHPC桥;2010年奥地利建成世界上第一座UHPC公路拱桥。在国内，2005年，在沈阳西科硅有限公司工业厂房扩建工程中，首次采用C140级UHPC制作预应力大体积构件，这是UHPC在我国工业建筑上的首次规模化应用；2006年，我