河北建筑工程学院 河北张家口 075000
摘要：混凝土是当代应用最为广泛的人造材料，2017年世界水泥产量约为41.38亿吨，合算为混凝土用量为165.52亿m3。混凝土用量越多对环境和资源的负担越重，所以如何减少混凝土用量是现在我们越来越关注的问题。提高混凝土自身性能减少资源用量、节约资源、绿色环保已经成为混凝土科学发展的方向。混凝土技术从普通混凝土向高性能混凝土、超高性能混凝土方向发展。
关键词：混凝土；高性能；超高性能混凝土
0 引言
混凝土是当代应用最为广泛的人造材料，2017年世界水泥产量约为41.38亿吨，合算为混凝土用量为165.52亿m3，所以我们关心的是如何提高资源的转换率的问题，即如何用最少的材料创造出可以应用广泛的混凝土，这也是我国大力推广高性能混凝土作为建设的工程复合材料的原因，它本身具有高强度和较为优异的性能可以应用在多领域的工程建设中。在1999年覃维祖教授发表了一篇名为《一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土（RPC）》的文章，自此我国的超高性能混凝土研究拉开了序幕。
1.超高性能混凝土的起源
混凝土科学起源是在1824年英国的阿斯普丁发明了波特兰水泥，从此之后混凝土科学开始了飞速的发展。随着人们对于建筑使用功能的要求，研制出了一种高强度混凝土。由于混凝土本身是脆性材料，所以对于只提高其强度的混凝土而言，其破坏时的脆性更加明显，对于混凝土的可靠度和耐久性有很大的影响。在后来的研究中，很多学者提出应该让其存在一定的延性，其中在混凝土中添加纤维材料，可明显有效地提升混凝土的力学性能。在接下来的研究中混凝土科学的研究者制造出了高性能混凝土（HPC），它具有高流动性、高耐久性、高强度的特点。随着建筑业的发展，大型结构和超高层建筑物的建造，对混凝土的强度和耐久性提出了更高的要求，于是一种超高性能混凝土（UHPC）被成功研制出来。
UHPC也叫纤维增强的活性粉末混凝土，在我国最早介绍这种混凝土的人是覃维祖教授。超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论。它一般具有以下特点：它是水泥基复合材料且其颗粒级配达到了最佳、W/C小于0.25，含有较高掺合量的钢纤维、抗压强度不低于150MPa、具有受拉状态时的韧性，开裂后它的抗拉强度仍然不低于5MPa（法国要求7MPa）、内部具有不连通的孔隙，其抗气、液体浸入的能力。与现有的其他混凝土相比，它的耐久性能更加优异。
2.UHPC的制备与高性能的原理
自混凝土科学开始以来人们都是基于固体力学的理论，控制脆性材料的强度最有效的办法就是掺入一些延性材料，而基于此思路很多科研人员采用加压振捣、掺外加剂、掺活性掺合料、纤维复合等研究技术，将混凝土材料不断向高强度、高性能和绿色化的研究和应用的方向发展，而UHPC则是基于加压振捣、掺活性掺合料和纤维复合这三项增强技术研制出来的。UHPC是以极小的细砂和水泥浆组成，属于均质材料，当受应力作用时，可以有效的传递力使受力面积增大，从而减少裂缝，利用界面粘滞力提升整体强度。
它采用细砂来提高整体的均质性；采用高细度硅灰填充孔隙使颗粒级配最佳化从而达到减少混凝土孔隙，减少应力集中、减少潜变干缩现象并提高流动性；凝结前施加压力来减少内部孔隙提高整体的致密性使各骨料之间的接触面积增大从而提高整体的性能；添加钢纤维使结构整体有一定的延性，添加钢纤维的混凝土在破坏后仍然可以在开裂面上传递应力从而可以达到提高混凝土的抗拉、抗弯折性能。
3.UHPC的物理特性
3.1UHPC的流动性质
过去研究结果发现，影响UHPC流动性的因素分别是配合比、外加剂、钢纤维掺和比例、硅灰量与石英粉量等因素，其中水灰比是影响流动性最主要的因素，水灰比和流动性成正比关系；强塑剂量约1.5％一1.8％左右时，流动性最佳；添加钢纤维可提升UHPC整体的强度和韧性，但是会造成流动性下降；硅灰与石英粉量掺和量越高，它的流动性就越差，相较两者掺和量，石英粉掺量对流动性影响较大，原因是石英粉的粒径较大，约为硅灰的十倍，粒径对于流动性影响可以忽略。
3.2渗透率
渗透率是影响结构物耐久性的一个重要因素，当混凝土受到氯离子侵蚀时，大部分侵蚀是由水携带氯离子渗入混凝土，导致混凝土中的钢材被腐蚀从而使混凝土的耐久性降低。
4.UHPC力学性质
UHPC相较于现有的其他的类别的混凝土而言，有较高的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度，在图1中可以明显观察到UHPC的抗压强度可达到180MPa，其抗拉强度可达到30MPa。
一般来说混凝土可以提供抗压强度，而UHPC通过添加钢纤维使其有一定延性，在混凝土开裂时钢纤维约束裂缝的开展使其还可以继续工作，而在正常使用状态下UHPC紧紧包裹着钢纤维延长了它的握裹寿命，从而提高UHPC的抗拉强度。
图1 UHPC与传统混凝土抗拉压强度对比
UHPC因含有钢纤维具有高韧性的特色，可吸收外界的冲击能量，同时能保有相当的脆性。
5.UHPC在工程中的应用
UHPC在美国典型的应用是西雅图市的双联广场。该建设工程的建筑共有58层，高达230.15m，此工程采用了UHPC的钢管混凝土柱子，抗压强度高达135MPa。整个工程因采用超高强度混凝土降低了结构造价约30％。
UHPC在我国工程应用方面，较典型的有香港城市广场工程设计强度为C100，对现场钻芯取样测试表明：其平均强度已达115MPa；北京财税大楼设计强度等级C110，实际强度达124～131MPa。
对于许多处于严酷恶劣环境中的工程而言，UHPC凭借其超高力学性能和耐久性能既提高了工程的使用寿命，又降低了工程的维修加固成本。我国的武汉军山长江大桥于2018年10月22日上午10点至晚24点，武汉军山长江公路大桥超高性能混凝土（UHPC）组合桥面改造工程试验段浇筑施工顺利完成。
6.UHPC的现状
UHPC在实际工程应用中有很大的潜力同时它也有一定的使用风险，从诞生到今天，UHPC已经经历了38年的发展，我们对于它应用的研究才刚刚开始，现如今我们发现它可以在梁板柱结构、薄壁结构、薄壳结构、维修加固、等中，这显示出它高强、耐久、降重、低维护成本等优越性，改变了混凝土结构的面貌。由混凝土的发展历程可以看到，UHPC的发展需要集我们的智慧、发挥想象力去探索UHPC的潜力与价值。通过现在的UHPC应用可以肯定它还有很多潜在价值等待着我们发掘。对我国而言，我们需要建立一个完善的材料的本构关系、结构设计规范从而提高我们队UHPC的认识从而达到更好的利用这种材料。
7.结语
UHPC要进一步发展，应该要满足以下两点：
（1）经济化也是一项重要的影响因素，由于硅灰的使用成本过高，所以是否可以选取其它低成本的和绿色环保的材料是我们需要研究的重点。
（2）施工工艺简便化是推广的重要影响因素。现有的UHPC都是需要对其有特殊的处理，如高温高压养护，因此在不影响其性能的前提下，利用常规的制备工艺和养护条件就可以制备出UHPC是我们的研究方向。
参考文献
[1]赵筠，超高性能混凝土（UHPC）的性能和应用简述[C]，“第六届全国特种混凝土技术”交流会，2015：19-26.
论文作者:杜政阳,张思卿,韩晓敏,李阳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/5/28
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