吳子通，王林彬，高 寒，易碧良，李庚英

（1、廣州北環(huán)智能交通科技有限公司 廣州 510030；2、華南農業(yè)大學水利與土木工程學院 廣州 510642）

0 引言

混凝土是一種由膠凝材料、細骨料、粗骨料、水和外加劑組成，經過攪拌混合和凝結硬化后具有一定強度的人造建筑材料。與其他建筑材料相比，混凝土的原料來源豐富，生產制作簡便，具有良好的經濟性，耐久性和適用性。

在歷史的長河里，以色列人的加利利城，古埃及人的階梯金字塔，古羅馬的萬神廟和斗獸場，都留下了利用火山灰和石灰制作的“幼年混凝土”的身影，古羅馬萬神廟更是第一次將混凝土由黏結材料變作主體建筑材料。1756年三埃迪斯通燈塔的建造通常被看做是現代混凝土的起點，1909 年建造的富蘭克林25 號公寓是現代建筑歷史中第一幢明確展現框架的鋼筋混凝土建筑。在20 世紀20 年代、50 年代和70 年代，混凝土的平均抗壓強度可分別達到20、30、40 MPa［1］。隨著混凝土的應用逐漸廣泛，社會經濟的日益增長，人類社會對混凝土性能的需求也越來越高，強度為30 MPa 以下的混凝土已經無法滿足現代建筑工業(yè)的需求，水灰比等學說的發(fā)展使高強度混凝土的制備成為可能［2］。事實上，20世紀70年代末，在減水劑和高活性摻合料的作用下，強度在60 MPa以上的高強混凝土（High Strength Concrete，HSC）已經得到了廣泛應用。

從人類社會發(fā)展進程來看，在接下來很長一段時間內，混凝土都將會是使用量最大，應用面最廣的建筑材料。但混凝土的自重大，脆性明顯，抗拉強度低等缺點限制了混凝土材料的應用范圍，而為了滿足工程實例中對混凝土越來越高的強度需求，普通混凝土需要更多的用量從而導致更嚴重的資源損耗和環(huán)境污染，甚至無法滿足建筑的需求。因此，人們又提出了將HSC 包含在內的高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）的概念。所謂高性能，指的便是高強度，高耐久性，高流動性等［3］。

然而，單純地通過減低水膠比和提高混凝土粉體密實度來提高混凝土抗壓強度，并不能改變混凝土自身脆性大，抗拉強度小的缺點，人們在混凝土中加入纖維材料則可以混凝土的延性和抗拉強度，于是形成了纖維增強混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC），當采用的纖維為鋼纖維時，稱為鋼纖維增強混凝土（SFRC）。

一般來說，HSC 是指抗壓強度達到50～120 MPa的混凝土，而HPC 在這個基礎上改善了耐久性，提高了混凝土的綜合性能，不過高標號的混凝土往往延性更差，容易發(fā)生脆性破壞，在混凝土中加入纖維材料從而獲得更高的抗拉強度和更好的延性，即為FRC。

隨著人們對HPC和FRC的研究更加深入，HPC和FRC 在實際工程中的應用也變得廣泛，混凝土初步滿足了人們在工程實際中的強度和延性需求，但人們并沒有放棄對更高性能混凝土的追求。

20 世紀60 年代，美國的POWERS 便對水泥凈漿進行了一系列系統(tǒng)的研究，分別從物理結構和微觀結構對水泥凈漿硬化后的性能進行分析，初步開始研究密實度與水泥凈漿強度的關系，為超高性能混凝土的研究奠定了基礎。學者們在20 世紀70 年代初就通過試驗研究證實，提高水泥凈漿的密實度，可以有效提高混凝土強度。丹麥的BACHE 教授在自身試驗研究的基礎上，提出了DSP（Densified System with Ultra-Fine Particles）理論，即：用充分分散的超細顆粒（硅灰）填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中，實現顆粒堆積致密化，從而使粉體顆粒整體密實度提高，也稱為致密化體系。在這之后不久，丹麥的Aalborg Portland公司便注冊了Densit 商標，這是第一個被注冊的UHPC 配合比。此時期也出現了許多其他的配制高強度混凝土的方法，包括BIRCHALL 配制出的無宏觀缺陷水泥基材料（MDF，Macro Defect-Free Cement），LANCARD 制備的注漿纖維混凝土（SIFCON），NAAMAN提出的纖維增強混凝土（HPFRCC），BACHE 等將DSP混凝土基體與鋼筋結合，開發(fā)了CRC（Compact Reinforced Composite，密實增強復合材料）等，為UHPC 的完善和發(fā)展打下了試驗基礎。

在DSP 體系的基礎上，通過高效減水劑的作用將混凝土粉體均勻分散開，用更小的水膠比就可以實現更密實化的混凝土，從而得到更高抗壓強度的混凝土，稱為超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC），因為一般需摻入鋼纖維，也被稱作超高性能纖維增強混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，UHPFRC）。但UHPC 并不是簡單的對HPC和FRP的增強，而是有明確的各項力學性能指標，可以施工制備的新型水泥基建筑材料。LARRARD 和SEDRAN 在1994 年 首次 提 出UHPC 的名稱，在這之前一段時間內，BONNEAU 在DSP理論基礎下，結合MDF 和FRC 的基礎上配制出的活性粉末混凝土（RPC，Reaetive Powder Conerete），一段時間內甚至作為超高性能混凝土的代名詞使用。進入新世紀以來，世界各國對UHPC的研究的開始重視起來。

目前，UHPC的工程應用研究尚處于起步階段，但已成為土木工程領域極具應用前景的新型建筑材料。各國在UHPC的組成材料和配比、制作、養(yǎng)護以及其物理力學性能方面的研究較多，但對UHPC 實際橋梁結構的力學性能、設計計算理論等方面的研究卻較少。

1 超高性能混凝土的技術指標

1.1 UHPC的力學性能

UHPC 是一種現代新型的建筑材料，不同國家之間暫時沒有形成統(tǒng)一的定義標準?，F有比較通用的是法國和日本的UHPFRC 規(guī)范，兩者對UHPC 的定義稍有不同，但均要求UHPC 抗壓強度能達到150 MPa［4］。而我國的標準《活性粉末混凝土：GB∕T 31387—2015》對UHPC的技術指標則要比150 MPa低，R100的UHPC抗壓強度要求為100 MPa，抗折強度在120 MPa以上。

1.2 UHPC的耐久性性能

UHPC 的密實度和均勻性都比普通混凝土要好，水膠比也比普通混凝土要低，所以UHPC 內部的孔隙和缺陷要比普通混凝土小很多。此外，通過熱養(yǎng)護UHPC 能獲得很好的微觀結構，從而獲得良好的耐久性能［5］。關于UHPC 的耐久性能研究，一般包括抗凍融循環(huán)性能，抗氯離子滲透性能，抗碳化性能和滲水性等耐久性研究，其氯離子擴散系數，碳化深度和吸水孔隙率等指標均要遠優(yōu)于普通混凝土。

1.3 UHPC的環(huán)保與經濟價值

使用UHPC 能減少二氧化碳的產生。在實際工程中，在相同的運用環(huán)境下，UHPC的構件截面要比普通混凝土的小得多，也就是說使用UHPC 代替普通混凝土可以減少在生產水泥過程中產生的CO2含量。同時運用粉煤灰，硅灰等礦物粉料替代骨料，也可以減少由于過度開采天然石料所引起的環(huán)境問題。雖然UHPC 的單位造價要比普通混凝土（NC）的高，但在相同工作環(huán)境下UHPC 的用量更少，考慮到UHPC 優(yōu)異的耐久性能，還可以節(jié)約大部分的維護成本。

2 超高性能混凝土的不足之處

UHPC 具有許多優(yōu)點，應用在土木工程領域能有極好的前景，不僅可以突破傳統(tǒng)混凝土材料的強度限制，大大提高混凝土的運用范圍，同時可以減少碳排放量，提高建筑行業(yè)的綠色化程度［6］。但是UHPC 的配合比成分復雜，各組分對混凝土的性能都會產生影響，不可避免的會存在不足之處，限制了UHPC 在實際工程中的推廣應用。

2.1 整體造價較高

UHPC 的整體造價相較普通混凝土更高，尤其是應用在纖維材料，膠凝材料和高效減水劑的高額成本，使得UHPC 的造價大概是普通混凝土的10～20倍，一些施工單位會以此為判斷依據，從而棄用UHPC 而選用更廉價的普通混凝土，限制了UHPC 在實際工程中的應用。

其實在許多工程實例中我們發(fā)現，雖然UHPC 的單位造價要遠遠高于普通混凝土，但是采用UHPC 依然能夠實現更高的經濟收益。這是因為雖然高強度混凝土的造價要比低強度混凝土的高，但這個差價可以被構件減少的截面尺寸所節(jié)約的成本所補償。在美國，從30 MPa起混凝土每提高10 MPa，每m3混凝土拌合物的成本提高20美元，60 MPa的混凝土相應造價為120 美元，120 MPa 的混凝土相應造價為240 美元，當用120 MPa 混凝土代替60 MPa 混凝土時運用在高層建筑柱子結構時，力學性能提高了一倍，造價提高一倍，兩者基本相抵，但同時，生產、運輸以及施工過程上產生的能耗也會大大降低，后期混凝土結構的養(yǎng)護成本也由于UHPC 的高耐久性而降低。越來越多的UHPC 研究機構的成立，各國政府對UHPC 的支持力度不斷加大，UHPC的整體造價還在不斷下降，包括選用更低成本的配合比成分替代品，優(yōu)化施工工藝等。因此，隨著UHPC 在土木工程領域的推廣運用，UHPC的整體造價過高的缺點，將會被整體結構經濟效益更高的優(yōu)點所補償［7-8］。

2.2 膠凝材料用量較高，需要高溫養(yǎng)護

UHPC 的配合比膠凝材料含量很高，大約是普通混凝土的3～4倍，如果不能充分發(fā)生水化反應，則UHPC 早期的收縮會非常大，導致UHPC 的開裂，在工程中應用也會存在安全隱患［9-10］。同時UHPC 極低的水膠比也增加了膠凝材料充分水化反應的難度。所以不可避免地，在UHPC 的制作過程需要進行高溫養(yǎng)護，使得膠凝材料可以充分進行水化反應，但這也限制了UHPC 在工程中的應用，大部分的實際工程并沒有高溫養(yǎng)護的施工條件，無法實現現場澆筑，所以UHPC更多應用在使用預制構件的工程之中。高溫養(yǎng)護同時也會提高UHPC使用過程的能耗成本。

2.3 鋼纖維分散困難

在UHPC 中加入鋼纖維是一個非常顯著的特征，但鋼纖維在添加過程中會出現較明顯的成團現象，鋼纖維成團后內部也許會產生較大的孔洞，導致UHPC具有一定的缺陷，暫時來說沒有較好的分散鋼纖維的方法，只能在施工過程中緩慢加入鋼纖維，大大提高了UHPC的施工難度。

3 研究展望和成果介紹

由于UHPC 的配合比通常會加入鋼纖維增強韌性，通常UHPC 都會具有較好的韌性，其斷裂模式與普通混凝土會有明顯的區(qū)別，所以有必要通過細觀力學對UHPC 的斷裂性能進行深入，但現有的國內關于UHPC 的性能研究多集中在力學性能、干縮性能和水化過程的研究，對于UHPC 斷裂性能的研究較少，在接下來的科研工作中，可以結合分形理論和斷裂力學，在普通混凝土的基礎上開展對UHPC 的研究，從而獲得更符合UHPC試驗的損傷本構模型。

本公司在UHPC 的研究基礎上，依托廣州北環(huán)高速沙貝立交擴建工程F 匝道橋加寬橋工程［11］，既解決了橋梁加寬凈空不足的現場現實問題，同時對16 m工字型UHPC 預制簡支梁進行系統(tǒng)研究，進行相關設計參數優(yōu)化分析、橋梁設計計算理論研究、橋梁抗彎抗剪承載能力試驗研究、橋梁舒適度研究，項目的研究成果具有重要的工程實踐價值。主要創(chuàng)新點包括：①在國內首次提出UHPC 無普通鋼筋預制橋梁設計理念，提出相應設計理論；②通過足尺寸試驗驗證橋梁承載能力；③通過預埋傳感器，建立16 m 工字型UHPC 預制簡支梁長期監(jiān)測系統(tǒng)；④通過成橋動載試驗參數分析，研究UHPC橋梁行車舒適性。

本項目2018 年6 月完成需求調研、立項工作，2018年8月前完成材料和工藝試驗。2018年9月完成完成現場使用，系統(tǒng)優(yōu)化，2018 年9 月～2019 年3 月對該材料和技術進行連續(xù)跟蹤研究，2019年上半年提取研究成果并申請專利。