超高性能混凝土发展现状分析

Analysis of the Development Status of Ultra-High Performance Concrete

摘要: UHPC (Ultra-High Performance Concrete)，是一种新兴材料，拥有出色的力学性能，被称为超高性能混凝土。UHPC通常由水泥、硅酸盐、石英粉、钛白粉、矿物质掺合料、化学添加剂等材料制成。超高性能混凝土表现出卓越的强度和耐久性，通常可以达到超过150 MPa的极高强度。UHPC具备出色的耐久性能和尺寸稳定性，适用于需要高强度和长久耐久性的工程项目。它能够抵抗多种力学和环境影响，如冻融、碳化和氯盐侵蚀等。UHPC的制备需要经过精密的控制和特殊的加工工艺，因此其生产成本较高。但是，由于其特殊而突出的性能，UHPC逐渐成为建筑、桥梁、隧道、航空等领域的理想材料。随着国家标准体系改革的不断推进，标准在UHPC领域正发挥着越来越重要的作用。

Abstract: Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a new type of high-performance material with good mechanical properties. UHPC is usually made of cement, silicate, quartz powder, titanium dioxide, mineral admixtures, chemical additives and other materials. Ultra-high performance concrete has high strength and durability, usually reaching more than 150 MPa; At the same time, UHPC also has excellent durability and excellent dimensional stability, suitable for projects requiring high strength and durability, and can resist a variety of mechanical and environmental effects, such as freeze-thaw, carbonization, chloride salt erosion, etc. The preparation of UHPC requires precise control and special processing technology, so its production cost is high. However, due to its special and outstanding performance, UHPC has gradually become an ideal material for construction, bridges, tunnels, aviation and other fields. With the continuous advancement of the reform of the national standard system, standards are playing an increasingly important role in the field of UHPC.

1. 引言

混凝土是由水泥、砂子、碎石、水和掺合料等材料按照一定比例掺和而成的一种人工石料。它是目前建筑领域最为广泛使用的建筑材料之一，多用于房屋、桥梁、水利工程等建筑结构的基础和承重部分[1]。与其他建筑材料相比，混凝土的原料易得且来源丰富，可以有效降低成本，生产制作简便，适用于各种建筑项目，同时，混凝土具有良好的经济性、耐火性，耐久性和适用性。

混凝土可以追溯到古老的年代，1756年建成的三埃迪斯通灯塔通常被认为是现代混凝土技术发展的开端，而1909年建成的富兰克林25号公寓则标志着历史上首座以钢筋混凝土框架结构为显著特征的现代建筑[2]。20世纪20年代、50年代及70年代，人们对于混凝土的研究又得到了进一步的发展，此时混凝土的平均抗压强度在原有基础上，分别提升至20 MPa、30 MPa和40 MPa。随着时间的推移，社会经济得到了不断的发展，人们的生活水平和质量得到了提高，人们对混凝土的性能要求也在不断提高，30 MPa以下的混凝土已不再满足现代建筑行业的标准。20世纪初，有人发表了水灰比等学说，初步奠定了混凝土强度的理论基础[3]。此后，水灰比理论的进步使得高强度混凝土的制备成为现实。实际上，到了20世纪70年代末，广泛应用减水剂和高活性掺合料，制造出了抗压强度超过60 MPa的高强度混凝土(High Strength Concrete, HSC)，这使得混凝土的发展得到进一步提升，此后这种高强度混凝土被广泛使用于各种建筑物中[4]。

在人类社会的发展历程中，预计在未来相当长的时间里，混凝土仍将保持其作为最常用、最广泛应用的建筑材料地位。尽管如此，混凝土的重量大、脆性高和抗拉强度低等固有缺陷，限制了其在某些领域的应用[5]。为了应对工程实践中对混凝土强度日益增长的需求，传统混凝土的大量使用带来了资源消耗和环境污染问题，甚至有时候无法满足建筑的基本要求。因此，高性能混凝土(High Performance Concrete, HPC)的概念应运而生，这类混凝土以高强度、高耐久性和高流动性等特性为标志[6]。

然而，仅仅通过降低水胶比和增加混凝土粉体的密实度来提升抗压强度，并不能克服混凝土的脆性和低抗拉强度问题。为了改善这些性能，研究人员在混凝土中添加了纤维材料，制造出了纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete, FRC) [7]，其中在混凝土中加入钢纤维的被称为钢纤维增强混凝土(SFRC)。通常[8]，高性能混凝土(HSC)指的是抗压强度在50~120 MPa之间的混凝土，而HPC的性能更好，它在HSC的基础上进一步提升了耐久性和综合性能。但是，高强度混凝土易于发生脆性破坏。为了解决这个问题，研究人员在混凝土中添加纤维材料，发现这样可以增强其抗拉强度和延性，于是就形成了FRC。

随着人们对HPC和FRC的研究更加深入，这两种混凝土在工程领域的运用也越来越广泛。虽然普通混凝土已基本满足了工程实践对强度和延展性的要求，但人们仍在对更高性能的混凝土进行探索。

在20世纪60年代，美国学者POWERS仔细研究了水泥净浆，他从物理和微观结构的角度分析了水泥净浆硬化后的特性，并首次探讨了密实度与水泥净浆强度之间的联系，这为超高性能混凝土的研究打下了重要的基础。丹麦的BACHE教授在自身试验研究的基础上，提出了DSP (Densified System with Ultra-Fine Particles)理论。在DSP体系的基础上，通过高效减水剂的作用将混凝土粉体均匀分散开，用更小的水胶比就可以实现更密实化的混凝土，从而得到更高抗压强度的混凝土，称为超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC) [9]。其与其他混凝土抗压强度对比如表1。

Table 1. Compressive strength of different concrete

表1. 不同混凝土抗压强度

名称	混凝土	高强度混凝土	高性能混凝土
抗压强度(MPa)	30	60	80

目前，UHPC的工程应用研究尚处于起步阶段，但已成为土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料。各国在UHPC的组成材料和配比、制作、养护以及其物理力学性能方面的研究较多，但对UHPC实际桥梁结构的力学性能、设计计算理论等方面的研究却较少[10]。

2. UHPC的力学性能

超高性能混凝土，英文简称UHPC (Ultra-High Performance Concrete)，是一种新型的高性能混凝土材料，具有高强度、高耐久性、高抗冲击和耐磨性能，同时还具有高的耐久性和适用于多种工程应用的优点。它的强度通常比传统混凝土高得多，抗压强度可达到150 MPa以上，比一般混凝土的60~80 MPa要高出许多[11]。超高性能混凝土具有细密、致密、均匀的微观结构，因此它的耐久性和抗冲击能力都很强。此外，它可以制成各种形状的构件，具有良好的施工性能和成型性，广泛应用于建筑、桥梁、高速公路、机场跑道等许多工程领域[12]。

UHPC同样具有优异的抗弯强度。其弯曲时的应变行为明显，伸长能力很小，后极限抗弯强度也很高，因此不同于普通混凝土，“粘土贯穿效应”有力保证其不破坏而脆塑转化为延性[13]。超高性能混凝土的抗弯强度通常非常高，一般可达到50 MPa以上。超高性能混凝土的抗弯强度主要受到其材料成分、配合比、加工工艺等诸多因素的影响。由于超高性能混凝土中的材料种类和比例非常讲究，它在施工前需要经过严密的试验和调整，才能确保其机械性能和施工性能符合设计要求[14]。此外，超高性能混凝土的加工过程也非常重要，如果操作不当，有可能会影响混凝土的抗弯强度和整体性能。总之，超高性能混凝土的抗弯强度非常高，这使得它在多种领域中具有非常广泛的应用前景[15]。

UHPC的抗裂性能极佳，由于其内部微观结构的特殊设计，可以有效降低裂缝产生的风险，并保持整个结构的完整稳定性。超高性能混凝土的抗裂性能非常好，其主要原因是它的微观结构非常致密[16]。与传统混凝土相比，超高性能混凝土的配合比和材料成分更为科学，可以使其干缩和收缩极小，从而能够有效地抵御内部和外部应力的影响，减轻裂缝产生的可能性，提高混凝土的抗裂性能。此外，超高性能混凝土也可以通过添加合适的纤维增强材料，进一步增强其抗裂性能，增加其拉伸强度和韧性。需要注意的是，虽然超高性能混凝土的抗裂性能相对较好，但仍然需要合理的施工和使用保护措施，以避免外部冲击和局部过度载荷等因素导致的混凝土裂缝损伤，影响其使用寿命和性能表现[17]。

UHPC的耐久性也是其优良性能的重要组成部分。超高性能混凝土的耐久性一般也非常好，可以达到50年以上。它的耐久性主要来源于其高密实性和化学稳定性。在受到较为严酷的温度、湿度、酸碱、盐等外界环境影响时，超高性能混凝土不容易发生裂缝、龟裂、脱落等损伤[18]。另外，超高性能混凝土一般采用高性能水泥、硅酸盐、粉煤灰、硅灰、纳米材料等多种高质量材料，这些材料不仅能够提高混凝土的密实性和化学稳定性，还能抑制混凝土中的气孔和裂缝的形成，使其更加抗老化和耐久。此外，超高性能混凝土的梁、柱等结构件也可以通过表面处理、防水浸渍等方法做到防水、防腐、防火等要求，提高其使用寿命和应用范围。但是，超高性能混凝土的耐久性很大程度上取决于其设计、配合比、加工质量和施工环境等因素，需要在使用过程中进行实际检验和维护，以确保其完好程度和正常使用寿命[19]。经过各种试验和数值模拟，研究人员发现UHPC具有较好的抗氯离子侵蚀、碳化、冻融循环和火灾等能力，可以有效延长建筑物的使用寿命。

总的来说，UHPC具有多方面的优异力学性能，这也是为什么它能在建筑、交通等领域得到广泛应用的主要原因。值得一提的是，这里提到的各种性能指标是为方便描述而单独展开的，实际上这些力学性能之间还是存在相互影响和相互作用的[20]。

3. 超高性能混凝土的工程应用

超高性能混凝土(UHPC)由于具有高强度、高耐久性、高稳定性、高抗裂性等特点，因此有着广泛的工程应用[21]。结合UHPC的特点总结了UHPC的应用主要集中在以下方面：① UHPC强度高，可用于跨度更长、净空更大的桥梁工程；② 结构加固，现场抢修；③ 建筑外立面，轻量化楼梯等；④ UHPC抗拉强度高，耐腐蚀，可用作输送管道；⑤ UHPC抗渗性好，适用于地下管廊工程等；⑥ 抗压强度与韧性高，可用于对抗撞击要求高的工程中[22]。

UHPC在桥梁工程应用中最常见。钢-UHPC复合桥面是我国主要的UHPC应用之一，如今已进入了规模化、可持续发展阶段[23]。UHPC可以使用在桥墩柱、连续梁、主跨梁、桥面块、飞边梁板等桥梁结构中，使用UHPC代替钢筋混凝土，能够有效地提高桥梁的强度和耐久性，延长桥梁的使用寿命。2016建成的长沙北辰三角洲横四路跨街天桥是国际上第一次采用全预制拼装工艺建成的UHPC车行箱梁桥。长沙北辰三角洲跨街天桥总跨度为70.8 m，为世界首座超高性能混凝土桥。使用全预制装备结构，使得桥梁上部结构重量减轻了近1/3，相比较普通的混凝土所需要的桥墩，减少到只需2个桥墩。以UHPC作为钢桥面进行铺装，运用到大跨径桥梁上优势显著，因为其自重轻，有利于降低断面以及桥梁上部结构的自重。金恩等[24]以超高性能混凝土(UHPC)梁为研究对象，通过耐久性对比试验得出UHPC梁较普通混凝土梁，其抗氯离子侵蚀能力更强。蒋欣等[25]调研了UHPC在主梁结构、桥面结构、桥梁接缝中的应用，总结出UHPC用于主梁结构，其自身良好的力学性能，能有效减轻结构自重，同时改善混凝土的开裂。

UHPC在隧道结构中也挺常见。因为UHPC的强度和稳定性非常好，所以可以用来制造隧道衬砌、隧道口等一系列隧道结构部件，提升隧道的结构强度和延长使用寿命[26]。UHPC之所以可以用于制作隧道衬砌，是因为其高强度和耐久性可以有效抵抗地下水压力、化学侵蚀和冻融循环等不利环境因素的影响。例如，在某些地下交通隧道中，使用UHPC制作的预制衬砌板可以减少施工时间，提高施工效率。在隧道结构中，接缝和连接件是容易出现问题的部位。UHPC的高性能可以用于制作耐久的接缝材料和连接件，提高整个隧道结构的完整性和耐久性。美国联邦公路调查局曾进行试验，将UHPC材料置于1~8 t循环活载下实验，900万次循坏未出现渗漏，从而得出结论，UHPC超高的水密性和耐渗透性使其特别适用于加固桥梁和隧道工程[27]。由此可见，应用UHPC，可以修复加固结构，强大的抗压、抗弯、抗冲磨性能使UHPC可作为维修加固的填充物质。潘岳等[28]为解决隧道二次衬砌裂损整治中面临的净空限制等问题，提出采用超高性能混凝土(UHPC)代替普通混凝土作为衬砌补强材料，总结出对于承载力损失不超过40%的衬砌，可采用UHPC进行加固；对于承载力损失不超过15%的衬砌，UHPC的使用可将加固层的厚度减小到10 cm左右。

同时，UHPC在高层建筑、独特的外墙构件、屋顶和凸突部位、内部结构墙、楼梯、水池和水族馆等建筑构件中，使用UHPC将使这些结构更加强健和美观[29]。

4. 超高性能混凝土的发展前景

伴随我国国民经济的快速发展，城市化建设进程的步伐逐年加快，国家基础设施的建设更是突飞猛进。在近二十年来，我国已建成桥梁多达80多万座。目前，人们对桥梁建造的认识更加标准化、规范化、合理化，对桥梁质量要求更苛刻，对桥梁的耐久性能要求也越来越高[30]。实践表明，过去结构简单、功能单一的传统混凝土桥梁存在大量的病害问题，严重缩短了桥梁寿命。由此，催生出了超高性能混凝土材料。超高性能混凝土是一种新型的水泥复合基工程材料，其优异的力学性能与耐久性能，使其近年来在国内外得到快速发展[31]。

超高性能混凝土是一种具有非常广泛应用前景的新型建筑材料。目前，它已经被应用于建筑、桥梁、高速公路、机场跑道、海上钻井平台等工程领域，取得了很好的成效并得到了广泛认可[32]。未来，预计超高性能混凝土的应用领域将越来越广泛，主要表现在以下几个方面：

超高性能混凝土在建筑结构领域具有很高的创新和应用潜力，可以用于制作钢筋混凝土构件、大跨度拱桥、高层建筑支撑柱等结构，提高建筑的稳定性、承载力和安全性[33]。

超高性能混凝土可用于制作硬化路面、隧道壁板、防撞护栏和交通指示牌等设施，也能用于缓冲隔离带，提高道路交通的安全性和流畅度[34]。

超高性能混凝土在海底钻井平台基础、海上风电塔基础、船舶、超深海钻井设备等领域中具有广泛的应用前景。

总之，随着科学技术的发展和工业化生产水平的提高，人们对智能、可持续、高效的建筑材料不断提高的追求，超高性能混凝土将有望成为一种绿色、环保、高效、多功能的未来建筑材料。

5. 结论

综上所述，UHPC作为新型材料，突破了传统混凝土耐久性、抗压能力的缺陷，为如今飞速发展的建筑需求提供了充足的想象空间。对于有着比较特殊功能的建筑，比如海上石油钻井平台、海底隧道、地下空间、核废料容器、核反应堆防护罩等，UHPC的耐腐蚀性及耐久性在此方面发挥着重大的作用。如今，UHPC材料的优势已逐渐被社会所认知，我相信其今后的发展势必会达到更高的层面。