UHPC是否能成为建筑材料的“全能王”？

混凝土是目前应用最普遍的工程建设材料之一，与其他建筑材料相比，混凝土原材料来源丰富、成本低廉、施工简便，可以满足各种建设工程的需要。但是，如今的建筑与土木工程结构日益朝着轻量化、高层化、大跨化、重载化、耐久化等诸多方面发展，普通混凝土存在自重大、脆性大等缺陷，鉴于此，提高混凝土使用年限、减少混凝土结构修补以节约资源和能源、符合现代工程要求的超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，以下简称UHPC）成为近三十年的研究热点。

UHPC是由水泥、掺合料、骨料、纤维、外加剂、水等原材料制成的具有高韧性、优异的结构可靠性、高耐久性以及超高强度的新型水泥基复合材料。UHPC的力学性能优异，通过加入钢纤维增韧来改善混凝土的脆性特征，使UHPC的延性和能量吸收性能通常超过高性能混凝土的300倍，将其应用于基础设施建筑中，可有效提高其抗震性能，且使用过程中几乎不渗漏、无碳化、抗氯离子和抗硫酸盐侵蚀性能好，从而提高了资源和能源的利用率，符合可持续发展战略。

●UHPC的制备与性能优化

 UHPC的制备

混凝土的性能与胶凝材料硬化而成的水泥石及界面的组成和结构直接相关，UHPC的超高性能主要是通过改善水泥石及水泥石与骨料之间的交界面结构和性能而获得，主要措施如下：

      （1）限制骨料的最大粒径，改善UHPC的均匀性，减少其内部缺陷。

      （2）优化颗粒级配，采用多级粒径分布，提高UHPC的堆积密度。

      （3）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料，通过微集料效应以及火山灰效应增加UHPC的密实度，从而提高强度，降低孔隙率。

      （4）进行高温、加压养护，加速水泥水化反应的过程和火山灰效应的发挥。

      （5）根据实际工程需要，掺入钢纤维或其他种类纤维，提高UHPC的延性和强度。

 配合比对UHPC性能的影响

李锋等采用最紧密堆积理论进行了UHPC的配合比设计，并在此基础上通过正交试验探究了砂胶比、硅灰、粉煤灰和石英粉掺量对UHPC强度和流动性的影响，结果表明，试验得到的UHPC最佳水胶比为0.15、砂胶比为1.1、钢纤维体积掺量为3%。王军等经过试验研究，得出当微珠掺量为22%，硅灰掺量为8%时，复合粉体的堆积密实度最大，当胶凝材料用量在650~750 kg/m3范围内时，UHPC的工作性和抗压强度较优，当掺入4%的沸石粉时明显降低了UHPC的自收缩，但会略微降低抗压强度。李双欣等研究纳米材料对UHPC性能的影响，结果表明，纳米材料的掺入可以使UHPC内部结构更致密，从而提高UHPC的强度与耐磨性。黄政宇等研究了不锈钢纤维对UHPC力学性能的影响，结果表明，不锈钢纤维对UHPC的弯拉韧性、抗压强度有显著的改善作用，直径为0.2 mm、长度为13~20 mm不锈钢纤维的最佳体积掺量为2%，但成本相对更高。 

●UHPC的生产工艺对其性能的影响

 UHPC常规制备工艺及投料次序

UHPC常规制备工艺是：先将骨料和胶凝材料倒入搅拌机进行搅拌，搅拌均匀后逐渐加入水和减水剂，当拌和物由颗粒状转变为胶体状态后，再加入钢纤维继续搅拌，待钢纤维分散均匀后进行浇筑，振动成型、养护。

      现有研究表明，混合料投料顺序不同会影响UHPC的工作性。为了保证UHPC各组分特别是钢纤维在拌和物中的均匀性，刘娟红等认为，投料时应先将石英砂与钢纤维投入搅拌机，再加入水泥、矿物掺合料，最后加入水和减水剂搅拌至均匀，原因在于这种投料顺序能使钢纤维分散更均匀，防止钢纤维出现团聚现象。何雁斌等研究不同投料顺序对UHPC强度和工作性的影响，结果表明，不同投料顺序对UHPC的强度有一定的影响，但对流动性的影响最大。

 UHPC的养护工艺

在通常情况下，高温养护的UHPC 早期强度比常温养护明显提高。高温、加压养护能让更多硅灰参加反应，内部结构相对就越密实。DALLAIRE等研究表明，UHPC试件在400 ℃、50 MPa条件下养护48 h，抗压强度能达500 MPa。詹国良等试验结果表明，在其他条件相同的情况下，采用热养护、特别是200 ℃加热养护的UHPC早期抗压和抗折强度比标准养护28 d强度有大幅提高，分别提升了97%与86%。

 使用常规工艺制备经济型UHPC

在UHPC生产工艺中，为了提高胶凝材料的反应活性和堆积密度，往往会掺入矿物掺合料和采用蒸压养护，复杂的工艺和高昂的成本限制了UHPC在实际工程中的应用。如何采用常规工艺生产经济型UHPC成为研究者关注的重点。

      鲁亚等利用铜尾矿原矿替代天然河砂，磨细铜尾矿粉替代水泥或矿物掺合料，参考材料最大堆积密度，以常规工艺制备出经济型UHPC，其性能可与普通UHPC相当。丁沙等通过降低钢纤维掺量采用常规工艺条件也制备出了经济型UHPC。黄政宇等利用稻壳灰和硼泥酸性浸渣取代部分硅灰制备出经济型UHPC，所制备的UHPC早期自收缩减少、凝结时间短、抗压强度高。

●UHPC的主要性能与普通混凝土对比

UHPC除了具有超高的抗压强度外，其他性能也十分优异，钢纤维的掺入使UHPC具有良好的韧性，断裂能比普通混凝土高出100%。闫高峰等将UHPC的力学性能与普通混凝土对比，发现UHPC的抗拉强度是普通混凝土的2~4倍，弹性模量约为普通混凝土的2倍。周尚猛等研究了钢桥面铺装层UHPC的力学性能，结果表明，UHPC与正交异性钢桥面板形成组合结构后，组合结构的开裂应力达到10.79 MPa，极限荷载约为设计荷载的14倍，在0~0.875 MPa轮压荷载循环加载500万次后，UHPC铺装层未发现裂缝，结构受力状态良好。贾方方等研究发现，随着钢纤维掺量的增加，UHPC与钢筋的极限黏结强度增大，当钢纤维掺量从0.5%增加到2.0%时，UHPC的极限黏结强度增加了42.53%。

UHPC内部结构非常致密，孔隙率低，因而具有很强的抗渗透、抗冻融循环、抗腐蚀能力。杨医博等对比研究了UHPC和普通混凝土的抗污水腐蚀性能，发现普通混凝土在有机酸溶液中侵泡6个月抗压强度几乎丧失，而UHPC还能保持70%的抗压强度。徐世烺等研究发现，UHPC经过300次冻融循环后质量损失不到1%，动弹性模量损失不超过5%，其应变硬化能力仍能保持较高的水平，在不掺引气剂的情况下，UHPC也能满足寒冷地区工程对混凝土抗冻性的要求。何晓雁等对UHPC进行了电通量试验，结果表明，在一定掺量范围内，掺入纤维可有效改善UHPC的抗氯离子渗透性能，且单掺聚丙烯纤维的UHPC性能优于单掺玄武岩纤维。

邵旭东等对比了UHPC与普通混凝土的主要力学和耐久性能指标，见下表。

      由表可知，UHPC的各项力学性能以及耐久性能明显优于普通混凝土。将UHPC应用于工程中，工程结构具有较长的使用寿命，满足结构全寿命周期的使用要求。

●UHPC的应用

桥梁工程

UHPC具有良好的力学性能与耐久性能，应用于桥梁构件可以缩小构件尺寸、减少自重及结构受拉疲劳破坏，在桥梁工程领域具有广阔的应用前景。田启贤等提出了一种钢-UHPC正交异性板组合桥面体系，在设计荷载作用下，组合桥面体系UHPC 层能够满足工程抗裂性的要求，且具备较大的静力承载能力富余度。武汉军山大桥改造工程采用此钢-UHPC组合桥面体系来处理正交异性钢桥面板裂缝，利用工程车辆进行了移动车辆加载试验，结果表明，钢-UHPC组合桥面能大幅降低桥面板的应力幅，提高正交异性钢桥面板的疲劳寿命。

针对现有装配式桥梁结构存在的梁体自重大、梁体连接节点易损坏的问题，邵旭东等基于UHPC研发了高性能装配式桥梁结构。结果表明，装配式UHPC桥梁结构自重可降至传统结构的40%～50%，实现了现场零焊接，减少了作业量，降低了节点开裂、渗漏的风险，结构的抗腐蚀、抗冻、防渗漏性能优良，基本实现了结构设计寿命周期内免维护。将UHPC应用于装配式桥梁结构的湿接缝，能够减小接缝宽度、简化接缝配筋，减轻现场施工量和施工难度，相较于普通混凝土，其轴拉性能与极限荷载有大幅提升。

利用UHPC优异的力学性能能解决桥面钢-混组合梁桥面板易开裂的问题。刘新华等采用UHPC代替传统桥面连续钢-混组合梁负弯矩区的普通混凝土，通过转角加载的方式进行全过程静力加载试验，结果表明，钢-UHPC连续组合梁的开裂强度在20 MPa以上，远高于普通钢-混组合梁的开裂强度，UHPC能提高负弯矩区组合梁的开裂荷载，可明显抑制混凝土裂缝的发展。赵明等以麻浦停车区跨线桥工程为背景，将钢-UHPC组合梁和常规钢板组合梁方案进行对比分析，结果表明，钢-UHPC组合梁方案构造简单，具有良好的受力性能，在施工性和耐久性方面具有显著优势，且主要材料单价与常规钢-混凝土组合梁相比减少了约4.3%。

水工结构

水工结构长期受水流冲刷，并经水中砂石反复冲磨，磨蚀现象非常严重。UHPC强度较高，可以在一定程度上抵抗水流冲刷。刘福财采用水下钢球法研究了UHPC的抗冲磨性能，结果表明，UHPC的抗冲磨性能优异，其抗冲磨强度是C50抗冲磨钢纤维混凝土的19倍以上、是C50高性能混凝土的24倍以上，将水胶比0.158，水泥25%、掺合料20%、石英砂55%、钢纤维2%的UHPC应用于水电站工程，未出现开裂、脱空、剥离以及磨损现象，应用效果良好。UHPC凭借耐腐蚀性好的优点还可以应用于市政工程排水管，可显著提高管子的耐久性、降低成本。杨医博等使用UHPC制备内径为400 mm，壁厚约30 mm的薄壁排水管，在满足规范要求的前提下，相比于普通混凝土，壁厚减少了25%，初裂、破坏荷载显著提高。

建筑及市政工程

UHPC在满足结构承载力的要求下，减少了结构横截面的尺寸，可做到轻质薄壁，让建筑设计师可以突破材料束缚，设计出轻盈优美的结构外形，用于建筑外墙装饰包括镂空幕墙、外挂墙板等。UHPC用作预制复合夹心外挂墙板，有效提升了其弯剪性能，增强了其抗疲劳、抗冲击和耐久性能，使围护结构具有较好的抗震耗能能力。陈惠苏等针对普通混凝土盖板抗折强度低、自重大等问题，制备出生态型UHPC盖板并应用于实际工程，经过试验测试，此生态型UHPC盖板性能满足使用要求，可推广应用于高速铁路人行道和电缆槽盖板。

●结语

UHPC发展至今，在理论研究和工程应用方面都取得了长足的进步。轻质、高强、高耐久使UHPC广泛应用于轻巧结构中，如人行桥、雕塑、柱、外墙挂板；良好的抗渗性和抗腐蚀性能让UHPC也可应用于海工、水利和污水结构；大跨径桥梁结构采用UHPC可实现结构轻盈、耐久和全寿命经济性；相较于普通混凝土，UHPC具有优异的抗冲击和抗爆性能，在军工领域也有着巨大的应用潜力。

UHPC虽然具有多种优异性能，但UHPC在应用中仍然存在许多问题。如：原材料和配合比对UHPC的性能影响较大，有较高的工艺要求；市场对其优势认识不足，且价格是普通混凝土的几十倍，需要开展低成本UHPC的研究；虽然UHPC已在众多工程中得到应用，但相关的设计、施工和检测规范还需要完善。由此可见，UHPC仍然处于发展阶段，距离UHPC的大规模应用还需要一定时间。相信在不久的将来，符合绿色发展理念的UHPC必将在基础建设领域有着广阔的应用前景。