重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074
摘要：UHPC作为一种新型的纤维增强水泥基材料，具有超高强度、高韧性、高耐久性。本文综述UHPC的发展历程、制备技术与原理与材料性能优点等。结果表明UHPC具有诸多优异性能，其相关研究也将逐步得到发展和重视，未来UHPC必将广泛应用于实际工程。
关键词：超高性能混凝土；耐久性；制备技术；材料性能
引言
混凝土原料来源广泛，成本低廉，生产耗能低，具有优良的力学性能以及制作工艺简单，被广泛应用于市政道路、海港码头、高层建筑等各个方面。是如今用量最大应用范围最广的人造建筑材料。但随着大跨径桥梁、超高层建筑以及海底隧道等特殊工程迅猛发展，对混凝土的强度、耐久性、耐腐蚀性和抵抗特殊环境的能力提出了更高的要求。于是超高性能混凝土应运而生。超高性能混凝土具有超高力学性能、超高耐久性、优异的韧性和耐磨性能以及微裂缝自愈合能力。
1UHPC的发展
20世纪以来科学技术不断进步，混凝土也在不断向更高、更强发展。20世纪初期混凝土抗压强度为20~40MPa，在20世纪70年代，通过掺入高效减水剂，制备出强度为60MPa的高强混凝土。20世纪80年代，英国化学工业公司Birchall通过4~10MPa压力和80~100℃下热压成型，改善了混凝土内部的孔结构从而提高强度的原理，制备出抗压强度200MPa的无宏观缺陷水泥基材料（MDF）。1982年，来自丹麦Aalborg公司的Bache研发了超细粒聚密水泥基材料（DSP），通过紧密堆积理论模型，减小了基体的孔隙率，在常规工艺下制备出强度为150~200的混凝土，DSP材料比MDF材料成型过程简单不少。
二十世纪末，法国Bouygues公司的Richard基于MDF和DSP的制备原理，剔除粗骨料掺入石英砂、短纤维和矿物掺合料，在热压条件下研发出了活性粉末混凝土（RPC）。1994年Larrard和Sedran首次提出超高性能混凝土的概念。目前UHPC无一致定义，但各国研究都认为UHPC应满足：抗压强度不低于150MPa、良好的流动性、高耐久性、高韧性、抗渗透性等优良性能。
2制备原理
混凝土作为一种多相颗粒的不均匀堆积材料，内部多孔，孔的分布结构会直接影响混凝土强度、韧性等性能。UHPC通过掺入矿物掺合料减少孔隙体积，提高材料密实度。除此之外，超高性能混凝土应尽量降低用水量保证低水胶比。制备具有优异性能的超高性能混凝土主要有以下几种措施。
（1）去除粒径大的粗骨料优化骨料级配，提高水泥基体均匀性。粗骨料与水泥浆体受外力作用界面上出现裂缝，且粒径越大裂缝越大，限制骨料粒径裂缝的产生与发展也可得到控制。选用细骨料，还可以减少因水泥浆收缩而造成的骨料与水泥浆的界面缺陷。
（2）选用最佳颗粒级配，通过多级粒径分布优化细骨料级配，优化颗粒级配提高基体的密实度。掺入超细活性粉末可以填充基体的空隙，置换出颗粒空隙中的填充的水。掺入高效减水剂会破坏水化产物结构中的水，释放出来的水被超细活性粉末所吸附，拌合物的流动性提高。
（3）掺入细短钢纤维，改善材料的延性。避免UHPC像其他普通混凝土发生脆性破坏，可通过掺入短细纤维可以提高UHPC材料的延性和韧性，还能提高UHPC的抗压强度。
（4）通过加压或者热养护，改善水泥基体微观结构，减少化学收缩产生的微裂缝，也可加速水泥、矿物掺合料的水化反应进程，进一步生成硬硅钙石，改善孔隙结构使材料内部更致密，使UHPC具有更高的强度与断裂能。
3原材料
UHPC组成材料主要有胶凝材料、掺合料、骨料、纤维、减水剂等组成。
（1）UHPC是一种新型水泥基材料，与混凝土一样需要以水泥为主要胶凝材料将骨料胶结成整体。
首先选择碱含量低的硅酸盐水泥，其次水泥中C3A水化反应会消耗大量自由水以及C3A和C4AF的水化产物对各个界面粘结性能有所影响，因此应选用C3A和C4AF含量低的水泥。同时也应当选择比表面积小的水泥，如超细水泥，水泥的需水量可大幅度降低，但超细水泥经济性不佳。硅粉粒径小可以填充颗粒间空隙减少需水量，改善空隙微观结构，集体更加密实从而提高UHPC的强度。如若大量使用硅粉成本投入会较高，因此在满足性能前提下，国内外学者为降低UHPC成本进行了大量研究。
（2）常见的矿物掺合料主要有：粉煤灰、矿渣、硅灰，石粉也可作为掺合料。超细粉煤灰、稻壳灰、石粉等替代水泥和硅粉降低成本改善材料性能，有利于环保。矿物掺合料的掺入，充分改善基体内部结构和胶凝材料组成，提高基体内部密实度从而提高UHPC的强度和耐久性。何凌侠[1]就用稻壳灰替代硅粉，在100℃养护条件下制备出强度为115MPa的UHPC。胡曙光[2]等用超细粉煤灰和矿渣替代部分水泥和硅粉，在0.18水胶比下经90℃热水养护后制备出的UHPC强度达152MPa。
（3）根据UHPC的制备原理应限制骨料粒径，不大于60μm。但之后研究发现也可用其他粒径的骨料制备UHPC。Wang等使用20mm粗骨料并掺入了大量矿物掺合料成功配制出超高性能混凝土。
（4）素UHPC和普通混凝土一样容易发生脆性破坏，掺入纤维能够提高材料的韧性和延性，抗压强度、抗拉强度和抗弯强度明显提高，且在不影响均匀性的前提下，纤维掺量越高强度提高越明显。除纤维掺量以外，短纤维的增强作用最明显，混掺效果优于单掺。
（5）采用低水胶比会降低结构孔隙率增强混凝土的密实度，混凝土的强度更高。超高性能混凝土应具有良好的流动性，高效减水剂可降低用水量。使用高效减水剂可降低用水量保证低水胶比，满足强度要求，也可保证流动性的要求。水胶比大幅度降低基体强度提高。掺入减水剂后，水泥混凝土结构更加均匀，有害孔大幅度减少，提高了混凝土的耐久性。
4拌制和养护制度
搅拌方法会影响UHPC的工作性能，搅拌过程中应避免纤维结团保证纤维匀质性。一般先添加胶凝材料和骨料搅拌均匀后，缓慢撒入钢纤维搅拌后再加入减水剂和水搅拌至粘稠的流态混凝土。
一般有常温养护、高温养护和蒸压养护。高温养护更能促进硅粉的火山灰反应和水化反应提高UHPC的强度，一般比常温养护高10%~30%左右，蒸压养护可以得到更高的强度但由于设备限制一般采用常温养护和高温养护。
5性能优点
5.1力学性能
UHPC的力学性能受养护制度、纤维掺量种类、以及原材料组成等影响。一般UHPC抗压强度为大于150MPa，若采用高温、高压养护强度会提高4~5倍。抗弯强度为20~150MPa，纤维掺入可有效提高抗拉强度以及UHPC韧性、断裂能。UHPC高温、抗爆抗冲击、粘结等性能都优于普通混凝土。
5.2耐久性
低水胶比以及高度密实的微观结构，使得UHPC耐磨性优良、抗渗透能力强。UHPC抗碳化性能、抗钢纤维锈蚀、抗冻融性能、抗氯离子渗透等性能都远优于其他水泥基材料。
6结语
UHPC具有诸多优异性能，但其成本高昂、制备技术复杂、体积收缩较大、采用湿热养护或蒸压养护、不利于浇筑等缺陷限制了UHPC在土木工程中的应用。国内外学者进行了大量研究，其相关研究也将逐步得到发展和重视，未来UHPC必将具有更为广阔的应用前景。
参考文献：
[1]何凌侠，尹健，田冬梅，刘玉莹，任海波，桑正辉.稻壳灰对活性粉末混凝土强度的影响[J].湘潭大学自然科学学报（2期）：23-28.
[2]吕林女，何永佳，丁庆军，等.利用磨细钢渣矿粉配制C60高性能混凝土的研究[J].混凝土，2004（06）：51-52+55.