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摘要：超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）具有极高的力学性能和耐久性能，作为一种新型材料引起了国内外众多学者的关注，纷纷开展了关于UHPC的研究，包括UHPC材料组成与结构性能的研究，发现其力学性能优异可有效地减轻结构自重，材料致密能提高结构耐久性，由于上述众多优点，UHPC已经在桥梁工程、建筑工程等工程中被逐渐应用。
引言
20世纪以来，随着社会经济的发展，工程结构朝更高、更长、更深方向发展，这对混凝土的强度提出了新的要求。为满足这种要求，随着科技的进步，混凝土的强度得到了不断的提高。在20世纪20年代、50年代和70年代，混凝土的平均抗压强度可分别达到20、30、40MPa。20世纪70年代末，由于减水剂和高活性掺合料的开发和应用，强度超过60MPa的高强混凝土（High Strength Concrete，HSC）应运而生，此后在土木工程中得到越来越广泛的应用[1-4]。
然而，单纯提高混凝土抗压强度，并不能改变其脆性大、抗拉强度低的不足。采用纤维增强的方法，产生了纤维增强混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）[4]，其所用纤维按材料性质可划分为金属纤维、无机纤维和有机纤维等，最常用的是金属纤维中的钢纤维。随着社会的发展，许多特殊工程，如近海和海岸工程、海上石油钻井平台、海底隧道、地下空间、核废料容器、核反应堆防护罩等，对混凝土的耐腐蚀性、耐久性和抵抗各种恶劣环境的能力等也提出了更高的要求。因此，人们又提出了将HSC包含在内的高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）的概念。
1 UHPC材料研究与发展
1994年，Larrard和 Sedran首次提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念；同年，法国的Richard报道了最具代表性的超高性能混凝土—活性粉末混凝土（RPC）[5]。此后，国内外学者纷纷开展关于UHPC的研究，在UHPC材料的配制技术和物理、力学性能等方面取得了广泛的成果。2002年美国交通部在多个州资助了UHPC研究和桥梁建造项目，2005年德国开展了一个经费达1200万欧元的UHPC研究项目，旨在为制定全面的UHPC技术标准获取详尽的基本信息，使UHPC成为可靠、常用、经济可行的材料[6]。
国内方面，多个高校、科研机构先后开展了UHPC材料组成与结构性能的研究。北京市建筑工程研究院承担的863计划“超高性能结构混凝土材料工程化应用基础研究”以土木工程中超高性能结构混凝土材料工程化应用为目标，进行了低成本材料、制品成型工艺与装备、低能耗养护工艺等研究[7]。
姚燕等人[8]详细总结了2000年以来，中国在高性能混凝土和混凝土耐久性方面研究和工程应用的进展，内容涉及混凝土早期收缩开裂研究、自密实高性能混凝土规程编制、工程中碱-集料反应和抗钢筋锈蚀性能的预防、中等强度等级高性能混凝土和新型胶凝材料的研究和应用、化学外加剂和高性能预制混凝土构件的快速发展等方面，在此基础上还提出了混凝土耐久性研究的方向。
邓宗才等人[9]研究了满足实际工程需要，不掺硅粉的新型超高性能混凝土，即超细水泥活性粉末混凝土。针对工程需要筛分出粒径范围合适的普通河砂制备RPC，并给出掺入钢纤维后材料抗压强度的计算方法。
2015年10月，由中国硅酸盐学会和中国建筑材料科学研究总院主办的第十四届国际水泥化学大会在北京国际会议中心举行，充分体现我国在研究高性能水泥基材料方面的长足进步。会议就水泥熟料化学、水泥水化等主题是基于如何进一步发挥水泥组分作用，促进结构与性能的协调发展；可替代胶凝材料等主题则是开展研究新型低碳的胶凝材料，研发有别于传统硅酸盐体系的低碳型胶凝材料；混凝土外加剂、耐久性以及标准测试方法等多方面进行了研讨。
超高性能混凝土作为一种新型水泥基材料，具有强度高，耐久性优异的优点。使用常规辅助性胶凝材料取代水泥和硅灰，在普通工艺下，也可制备出满足性能要求的超高性能混凝土。硅灰和纳米二氧化硅可加速超高性能混凝土胶凝材料的水化速度，但矿粉延缓了超高性能混凝土胶凝材料的水化速度。超高性能混凝土具有均匀致密的微观结构。超高性能混凝土的抗拉、抗弯、抗剪、粘结强度、峰值应变等均远大于普通混凝土，掺入钢纤维可显著增大超高性能混凝土的韧性。超高性能混凝土的抗冻性和抗锈蚀性能均优于普通混凝土[10]。
进行广泛调研后可以发现UHPC具有以下几个特点[11，12]：
1）力学性能优异、有效地减轻结构自重；
2）材料致密、大幅度地提高混凝土的耐久性；
3）自流性好、提高施工现场的工作性。
总结UHPC材料的研究，许多问题目前仍处于探索阶段，存在的主要问题如下：
UHPC的材料性能对原材料自身质量和配比敏感性较强，即使采用相同的配合比，水泥成分和粒径差异、硅灰粒径和配比差异、细集料性质及颗粒级配差异、减水剂种类及分子结构差异、钢纤维种类和几何特征差异等均对UHPC的性能有较大影响，这主要是由于对UHPC基体结构的形成机制和演化规律认识不足。
2.UHPC材料工程应用
2.1 UHPC在桥梁工程中的应用
湖南大学邵旭东等[13]利用了UHPC材料的超高性能，在实验室配置的UHPC成型72h后，采用80℃以上的热水养护48h，测得的UHPC的抗压强度为135.9MPa；抗折强度为29.2MPa；抗压弹性模量为42.6GPa。
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UHPC材料优良的力学性能和耐久性使得桥梁结构可以做到跨径更长、构件尺寸更小、施工更方便、工期更短、对环境的不良影响更小，其卓越的耐久性更是可以大幅减小后期维护保养成本，有效延长桥梁的使用寿命。正是由于UHPC优异的力学性能和耐久性能，UHPC自研发成功以来，逐渐在高层建筑、大跨桥梁等领域获得应用。据文献统计，世界范围内已超过100座桥梁采用了UHPC材料，目前使用UHPC材料的桥梁列举见
1997年加拿大魁北克Sherbrooke建造了世界上第一座UHPC人行桥；2001年法国年建成了世界上最早的UHPC公路桥；2004年澳大利亚建造了Shepherds Gully Creek公路桥；2005年法国建造了跨径为47.4m的UHPC箱型梁公路桥：PS34跨线桥；2006年在爱荷华州建成美国第1座UHPC公路桥；2009年，纽约州2座公路桥的预制传统混凝土桥面板采用现浇UHPC连接，这种桥面板连接方法后来在越来越多桥梁上应用。
2.2 UHPC在建筑工程中的应用
在建筑中，特别是高层建筑结构中，UHPC既可在混凝土结构体系中取代部分钢筋混凝土柱，以解决高层建筑底部的柱截面过大的问题和高强钢筋混凝土柱的脆性破坏问题；也可在刚结构体系中取代钢柱，以减少钢材用量和减轻风致振动等问题。
在北京交通大学的指导下，沈阳一工业厂房扩建工程的楼板、梁和柱使用了140MPa级的UHPC预制构件[14]，其中梁84片，楼板245块，混凝土量327m3。在日本东京、横滨等地，采用HPC、UHPC建造了近10栋超高层住宅楼，由原来混凝土C60～C80发展为C150的UHPC，钢筋混凝土底层柱截面减小，梁的跨度增大，有效利用的空间增多。
3.结语
将超高性能混凝土材料应用于工程结构具有诸多优点：
（1）新颖的UHPC薄壁结构必然使结构自重获得极大的减轻，而且免除了在截面中配筋的复杂工艺，方便了施工；
（2）UHPC材料高韧性及高断裂性能使得结构吸收更多地震能量，抗震能力将获得很大提高；
（3）UHPC材料收缩徐变很小，它们引起附加内力和变形几乎可以忽略不计，对结构的长期受力性能非常有利；
（4）UHPC材料孔隙率十分低，对于结构的耐久性，耐腐蚀性都有很大帮助；
（5）UHPC构件适合工场预制，现场拼装加快施工进度。
参考文献：
[1]吴中伟，廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京：中国铁道出版社，1999.
[2]冯乃谦. 高性能混凝土结构[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
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[4]J S C，YＬ M. High-performance Construction Materials-Science and Applications[M]. Washington DC：World Scientific Publishing Company，2008.
[5]G. R H，A. G B. Ultra-High Performance Concrete：A State-of-the-Art Report for the Bridge Community[R]. Washington，D.C.：Report No. FHWA-HRT-13-060，Federal Highway Administration，2013.
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[8]姚燕，王玲，吴浩. 中国高性能混凝土及混凝土耐久性的研究和应用：中国土木工程学会2006混凝土工程耐久性研究和应用研讨会，成都，2006[C].
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[11]赵筠，廉慧珍，金建昌. 钢-混凝土复合的新模式——超高性能混凝土（UHPC/UHPFRC）之三：收缩与裂缝，耐高温性能，渗透性与耐久性，设计指南[J]. 混凝土世界，2013（12）：60-71.
[12]赵筠，廉慧珍，金建昌. 钢-混凝土复合的新模式——超高性能混凝土（UHPC/UHPFRC）之四：工程与产品应用，价值、潜力与可持续发展[J]. 混凝土世界，2014（01）：48-64.
[13]邵旭东，詹豪，雷薇，等. 超大跨径单向预应力UHPC连续箱梁桥概念设计与初步实验[J]. 土木工程学报，2013（08）：83-89.
[14]敖长江，工业厂房扩建工程RPC构件预制施工技术[J]. 山西建筑，2005.3（118）：131-122.
论文作者:程俊,余文科,王晓莹
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第7期
论文发表时间:2019/5/6
标签：混凝土论文; 材料论文; 耐久性论文; 结构论文; 高性能混凝土论文; 性能论文; 工程论文; 《建筑模拟》2019年第7期论文;