超高性能混凝土（UHPC）的性能和应用简述

1、超高性能混凝土（UHPC）定义与发展历程

　

超高性能混凝土（Ultra-HighPerformance Concrete，简称UHPC），因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-HighPerformance Fibre Reinforced Concrete，简称UHPFRC）。UHPC不同于传统的高强混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC），也不是传统意义“高性能混凝土（HPC）”的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。1999年清华大学覃维祖教授等发表文章《一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土》最早介绍了UHPC，至今在中国仍然较多地使用“活性粉末混凝土（简称RPC）”名称。RPC是法国一个公司的专利产品名称，宣传介绍较多而广为人知。1994年法国学者DeLarrard等将这类新材料称作UHPC，由于UHPC或UHPFRC名称没有商业色彩，且能更好表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能，逐步被广泛接受和采用。

　　UHPC较有代表性的定义或需要具备的特性如下：

　　· 是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料；

　　· 水胶比小于0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料；

　　· 抗压强度不低于150MPa；具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa（法国要求7MPa）；

　　· 内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体浸入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅度提高。

　　UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。使用UHPC可以建造轻质高强和高韧性的结构，彻底改变混凝土结构“肥梁胖柱”状态；其结构所拥有的耐久性和工作寿命，远远超越钢、铝、塑料等其它所有结构材料。

　　UHPC在上世纪七十年代末起源于丹麦，八、九十年代在欧洲进行了比较系统深入的研究，并开始在小型工程和制品上应用。进入本世纪，在欧美、日韩等许多国家均将UHPC作为新型、未来的或战略性工程材料进行研究与发展，法国和日本率先制定了设计指南。目前，UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟，结构性能与设计规范正处于发展完善过程，工程结构与制品的应用不断取得新进展，定期举办国际UHPC／UHPFRC研讨会进行学术交流。

2、UHPC的制备与增强、增韧原理

上世纪七十年代初的一些试验研究证实，提高水泥净浆的密实度，可以有效提高强度。丹麦学者H.H. Bache教授发展的DSP（Densified System with Ultra-Fine Particles）理论，即：用充分分散的超细颗粒（硅灰）填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化，见图1。借助高效减水剂的分散作用，硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间，从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量，DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料，DSP基体混凝土的抗压强度可以达到280MPa，但脆性非常大；同时使用钢纤维增强增韧（即UHPC），抗压强度可达到400MPa（常温养护）。更进一步，法国使用高压成型和高温高压（压蒸）养护的活性粉末混凝土（RPC），最高抗压强度达到了800MPa。

图1 水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度示意图

3、UHPC的力学性能

　　单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”，并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维，可将UHPC的抗拉强度提高到30Ma，断裂能达到1,500~40,000 N/m（钢纤维体积含量2%~12%，详见表1），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m²划分为韧性材料）。现在，使用异形，特别是扭转形高强钢纤维，可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外，高强高模的聚乙烯醇（PVA）纤维也用于UHPC的增强与增韧；聚乙烯（PP）纤维用于提高UHPC的耐火能力。

表1 高强混凝土、UHPC、钢筋增强UHPC和高强韧性钢材的性能对比

图2单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力－应变特征与其它材料对比（OC/HSC－普通/高强混凝土，FRC/HSFRC－普通/高强纤维混凝土，ECC－高延性水泥基复合材料）

通过图2可以直观对比UHPC与其它水泥基工程材料的典型力学性能特征。UHPC的抗压与抗拉强度大幅度超越其它水泥基材料。在变形能力方面，UHPC可以在相对低的纤维含量水平实现拉伸“应变硬化”行为，即单轴受拉经历弹性阶段，出现多微裂缝，纤维抗拉作用启动；随后拉应力上升，进入非弹性的应变硬化阶段（类似钢材的“屈服”）；达到开裂后最大拉应力（抗拉强度），出现个别裂缝在局部扩展，之后拉应力下降，进入软化阶段。“应变硬化”是韧性材料的重要特征，体现短纤维增强增韧效果“质”的变化，目前只有ECC（高延性水泥基复合材料）和UHPC可以实现“应变硬化”。普通和高强纤维混凝土（FRC、HSFRC）开裂即软化，纤维强度未能有效发挥，故提高韧性的作用有限。

4、UHPC的耐久性与可持续发展

　　

UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。根据理论和试验研究结果，基本上可以确定：UHPC没有冻融循环、碱-骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。但UHPC不耐硝酸氨腐蚀，因为钢纤维会较快锈蚀。

UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化，绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此，水或水汽进入UHPC的裂缝，暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化；结合了外界水分的水化产物体积大于水泥熟料体积，多出来的体积能够填堵裂缝，见图3。试验和工程验证表明，UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性，同时还起“胶结”裂缝作用，可在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能。

图3 水泥熟料水化封闭了微裂缝

UHPC的耐久性能中，表面钢纤维的锈蚀一直令人关注。靠近表面的钢纤维保护层很小，还可能露出表面，在潮湿或腐蚀性环境（氯盐、酸性等环境），表面钢纤维有较快发生锈蚀的危险性。目前10~15年的试验和实际工程观察表明，只要钢纤维不露出表面，UHPC密实的基体能够非常有效地保护钢纤维不锈蚀，露出表面钢纤维的锈蚀没有扩展到内部，仅限于表面，但会影响表面美观。因此，对于有装饰功能的UHPC结构，需要采取措施防止钢纤维暴露或使用不锈蚀纤维。

　　与钢结构相比，UHPC结构的优势在于高耐久性和几乎没有维护费用，并容易达到建筑防火要求。与传统的钢筋混凝土结构相比，UHPC结构寿命可成倍提高。根据理论分析、现有的暴露试验以及实际工程检验结果，预期UHPC结构寿命，在腐蚀性自然环境中（如海洋环境）可以超过200年以上；在非腐蚀环境（如城市建筑）可以达到1000年。相对保守的日本指南认为，在正常使用环境条件下，UHPC结构的设计工作寿命为100年。耐久性中的碳化、钢纤维与钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱-骨料反应属于免检项目，但重化学腐蚀和耐火性能是需要检验的项目。

　　使用B.L.Damineli等提出的胶凝材料浓度指数bi（binderintensity ）和碳浓度指数ci（CO₂intensity ）两个水泥应用的生态效率指标进行评定，UHPC属于最高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土，同时也是最低碳的混凝土材料。通过具体工程结构的计算比较，可以量化分析UHPC的节材、节能和减排效果。例如，对比典型的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥与UHPC门型梁的梁板一体公路桥（两个桥的材质与结构不同，长度、宽度和功能完全相同），定量分析表明：UHPC桥节材体积为24%，节材重量为35%；节能54%；减少直接排放CO₂和全球变暖潜能GWP（当量CO₂排放）分别达到59%和44%。

5、UHPC的应用

· 法国的研究规模大、参与单位多，向世界展示出UHPC的价值，引领在多方面应用的发展，如桥梁、建筑结构和幕墙、结构连接、长寿命路面等，其中拉法基的Ductal?产品在世界范围推广应用，见图4；

· 瑞士的研究与应用在混凝土结构维修加固方面领先，用UHPC维修加固公路桥梁正在成为一种最佳方法而获得较多应用，见图5。

图4 法国UHPC建筑承重结构和幕墙

图5瑞士A9公路Chillon城堡高架桥面板维修加固和保护工程（UHPC用量2400m³，加固桥面面积50,000m²）

6、结语

　　

UHPC的价值和潜力体现在：

　　· 超高强度与韧性，可以建造以前不可能的或新型轻质高强结构；

　　· 耐久性大幅度超越传统的工程结构材料，使UHPC结构具有超长工作寿命和低养护维修费用，获得比传统结构低的寿命周期成本（LCC，Life Cycle Cost）；

　　· 充分发挥UHPC的性能优势，在一些场合应用，有可能降低结构或工程的综合建造成本；

　　· 应用UHPC建造的结构，具有显著的节材、节能和减排效果，有利于可持续发展。

新一代工程材料——UHPC同时蕴涵着机遇和挑战。UHPC可以制造性能更好的产品，建造轻巧优美、坚固韧性、耐久耐用的结构，但这需要科学系统深入的材料研究为基础，需要严谨扎实的结构性能试验、生产施工实践为技术支撑，需要材料工程师、结构工程师和建筑师的通力合作。期望UHPC能够得到国内广大同行的重视，在现有国际研究应用成果的基础上，自主开展系统深入的高水平研究与应用，跟上并超越国际上发展进步的步伐，开发利用UHPC的价值，进一步挖掘UHPC的潜力。

转载自赵筠：超高性能混凝土（UHPC）的性能和应用简述