关于超高性能混凝土的问答.pdf

98 读者问答 Question and Answer CHINA CONCRETE 2016.04 NO.82 超高性能混凝土有明确的 定义吗？ 有， 且比较清晰明确， 但还没有形成国际上 统一的定义 超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete， 简称UHPC） ， 因为一般需掺入短切钢 纤维或聚合物纤维， 也被称作超高性能纤维增强 混凝土 （Ultra-High Performance 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， 较有代表性的定义和需要具备的特性如下[1,2]： ● 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。

超高性能混凝土与活性粉 末混凝土有什么差异？ 活性粉末混凝土 （Reactive Powder Concrete， 简称RPC）是UHPC中的一个产品名称 商业化生产供应的UHPC产品均为专利配 方产品， 有独自的名称或商标最早的UHPC专 利是丹麦H.H. Bache在1979年申请的， 上世纪80 年代他所在公司注册商业化产品商标为Densit®， 至今仍由Densit公司使用和营销 到上世纪90年 代， 法国出现多个UHPC产品品牌， 包括RPC、 Ductal、 BSI、 CEMTEC、 BCV等， 其中Ductal®是拉 法基公司的产品商标， RPC则是Bouygues公司产 品名称 有关RPC的研发、 性能介绍和宣传较多， 知 名度相对较高 1999年清华大学教授覃维祖等 发表文章 “一种超高性能混凝土－活性粉末混凝 土” ， 最早以 “活性粉末混凝土 （RPC） ” 名称介绍 UHPC， 并与其研究生曹峰进行试验研究， 实现了 RPC相同的力学性质[3]； 北京科技大学教授刘娟 红和北京建筑大学教授宋少民在2013出版编著的 《活性粉末混凝土》中系统介绍了国内外有关研 究成果； 2015年我国颁布了RPC的国标《活性粉 末混凝土》 （GB/T 31387-2015） 。

目前， RPC在中 编者按： 2016年1月9日， 湖南经视频道发布一条 “超高性能混凝土桥亮相长沙” 的新闻， 报道说： “一 座长70.8米、 宽6.5米的跨街天桥在北辰三角洲横四路竣工 这座看似普通的天桥， 是世界首座全预制 拼装超高性能混凝土 （一种活性纳米无机复合材料）桥梁 也就是说， 不仅它的混凝土由具有超高 强度和韧性的特殊材料制成， 而且它是先在工厂预制， 然后拖运至现场， 在10小时内拼装搭建而成 的 ” 这则电视新闻引起广大混凝土从业人员的兴趣和关注 该跨街天桥结构独特、 造型美观， 是超 高性能混凝土在中国发展应用的重大进步 ， 可喜可贺 与此同时， 新闻中对超高性能混凝土的介绍和 描述， 也引发很多疑问 本文由北京江汉科技有限公司总工程师赵筠和清华大学教授廉慧珍针对一 些共性问题进行了解答和探讨， 以飨读者 关于超高性能混凝土 （UHPC） 的问答 赵 筠 廉慧珍 99 读者问答 Question and Answer 总82期 2016.04 混凝土世界 国还与UHPC并列使用 1994年法国学者De Larrard等将这类新材料 称作UHPC（超高性能混凝土） [2]， 由于该名称没 有商业色彩， 而且能更好地表达这种水泥基材料 或混凝土的优越性能， 在国际上逐步被广泛接受 和采用。

其中， “超高性能” 表达的是混凝土 （或 水泥基复合材料）同时具备 “超高强” 、 “高韧性 “和 “高耐久性” 等优良性能特征， 与 “高性能混 凝土 （HPC） ” 内涵范围不同 因此， UHPC并不是 HPC的延伸或高强化， 而是具有新本构关系和结 构寿命的水泥基工程材料 超高性能混凝土到底是混 凝土还是砂浆？ 传统上， 混凝土和砂浆是以最大骨料粒径来 划分的 最大骨料粒径超过5mm（或4.75mm） 即 含有粗骨料， 是混凝土， 否则是砂浆 有的UHPC 使用粗骨料， 有的不使用粗骨料， 所以UHPC既可 以是混凝土， 也可以是砂浆 但是从广义上说， 我 国普遍称之为混凝土骨料的aggregate（亦译成集 料）除砂石等粗、 细骨料外， 还可以是各种纤维和 例如加气混凝土中的气泡等， 所以把砂浆叫做混 凝土， 并无可非议 最早的UHPC（丹麦Densit®）最大骨料粒径 16mm 法国研发RPC时提出， 为了提高材料的匀 质性， 不使用粗骨料， 所使用细骨料的最大粒径 小于0.6mm 但是， 使用粗骨料的UHPC在某些方 面性能更好， 如收缩小、 耐磨性好等， 而且搅拌 的均匀性也更好。

目前实际应用的UHPC， 最大骨 料粒径大多在2mm~8mm 应根据UHPC用途、 成 本或特殊性能要求， 确定UHPC适宜的最大骨料 粒径 超高性能混凝土具有什么 性能特点？ UHPC的性能特点可以用 “超高强、 高韧性和 高耐久性” 来概括 “超高强” 指UHPC可实现水泥基材料强度 （抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击等强度）跨 越式的提高， 更重要的是UHPC能够有效利用 钢纤维的强度及其与胶凝材料浆体的紧密粘接 来实现拉伸的 “应变硬化” 行为（如图1所示， 类 似钢材的 “屈服” ） ， 有较大的变形能力； 钢纤维 体积掺量1%~2%的UHPC就能跨入韧性材料的 行列（见表1， 断裂能超过1000N/m的材料被划 分为韧性材料） UHPC可大幅度提高钢在混凝 土中的强度利用效率， 形成混凝土、 钢纤维、 钢 筋更加协调的钢-混凝土复合的新模式， 实现混 凝土结构的轻质高强和高韧性此外， 还可制 备具有优良耐磨、 抗冲击、 抗爆和耐高温等性能 （a）单轴压缩（b）单轴拉伸 图 1 单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力－应变特征与其他材料对比（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） [4] 100 读者问答 Question and Answer CHINA CONCRETE 2016.04 NO.82 的UHPC。

在无裂缝的状态下 ， UHPC的气体、 液体渗透 性非常低； 而在高应变和微裂缝状态下， UHPC的 渗透性也能够保持在很低的水平， 而微裂缝还具 备良好的自愈合能力， 因此UHPC结构拥有高耐 久性的潜力， 已得到迄今15年恶劣环境暴露试验 的证实 UHPC的耐久、 耐候性能远远超越其他 结构工程材料（钢材、 铝材、 塑料等） 超高性能混凝土的强度比 钢材强度还高吗？ 没有 UHPC是纤维增强增韧的水泥基复合 材料， 还可以进一步用钢筋增强 与其他材料相 比， 需要明确UHPC的增强增韧状态： ● 混凝土材料的抗拉强度与抗压强度的比值 （以下简称拉压比）随其抗压强度的增长而几乎 呈直线下降 C10混凝土拉压比约为1/10， C80的 则可下降到约1/18 UHPC基体（未掺用钢纤维 时）即超高强混凝土， 脆性非常大（因材料抗拉 强度/抗压强度比值很低而使构件延性比很低） ， 无法与韧性材料如钢材相比 ● 随钢纤维强度提高、 掺量增大和尺寸、 形 状优化， 以及基体强度的提高， UHPC成为韧性 或高韧性材料， 抗拉强度大幅度提高（远远高 于其他的各种水泥基材料， 如图1所示）， 但比 钢材抗拉强度还是要低约一个数量级（见表1 中对比） 。

● 钢筋增强UHPC（也被称作CRC、 HRUHPC 或R-UHPFRC） ， 以及预应力高强钢筋UHPC的抗 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[5] 普通高强 混凝土 UHPC（密度） CRC/HRUHPC 钢筋增强UHPC 韧性高强钢材 0～2%钢纤维4%～12%钢纤维 抗压强度MPa80120～270160～400160～400 抗拉强度（ft）MPa55～1510～30100～300500 抗弯强度（fb）MPa7100～400～600 抗剪强度MPa15～150 密度（ ρ ）kg/m325002500～28002600～32003000～40007800 弹性模量（E）GPa5060～10060～10060～100210 断裂能N/m150150～15005000～400002×105～4×1062×105 强度/质量比（fb/ρ ）m2/s23×104～1057.7×104 刚度/质量比（E/ρ ）m2/s22×107～3×1072.7×107 抗冻性中等/好不用引气， 绝对抗冻 抗腐蚀性能中等/好仅需要5～10mm钢筋保护层， 抗腐蚀优良差 图 2 UHPC梁、 高强韧性钢梁与钢筋增强UHPC梁 的抗弯性能对比[4] 101 读者问答 Question and Answer 总82期 2016.04 混凝土世界 拉、 抗弯强度可比传统高强钢筋混凝土的高出2 个数量级， 比较接近高强韧性钢材的强度 （见表1 和图2中对比） 。

需要注意的是， UHPC作为复合材 料或结构达到如此高强度， 依靠的是钢材—钢 纤维和钢筋的强度， 因此， UHPC的本征强度不可 能超过钢材 与钢材相比， UHPC在强度方面并没有优势， 其优势主要是与传统的钢筋混凝土或钢纤维增 强的钢筋混凝土相比， 因表观密度（容重）相对 较低， 使构件比强度 （强度/质量比） 和比刚度 （刚 度/质量比） 可以达到并超过钢材的水平（见表1中 对比） ， 而且因具有一定的应变硬化的能力， 可大 大提高构件的延性比， 适合建造轻质高强、 高韧 性的结构 超高性能混凝土的最高强 度有多少？ 目前， 研究报告所获得的最高抗压强度是 810MPa（即RPC800， 使用短钢纤维和钢骨料， 50MPa压力压制成型试件， 并采用250oC~400oC高 温高压养护） [6] UHPC获得超高强度的先决条件是获得高 密实度的基体混凝土（或砂浆） 按照丹麦H.H. Bache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， 可 以实现胶凝材料体系颗粒堆积致密化和非常低 水胶比， 从而使UHPC基体混凝土或砂浆具备 超高抗压强度。

使用优化的钢纤维提高抗压、 抗拉强度和韧性 依靠机械性压力压实， 采用常 压或高压热养护， 可以进一步提高UHPC密实度 和强度 如今， 常用UHPC抗压强度在150MPa~ 250MPa范围 在此范围， 采用常规的强制式搅 拌、 密实方法（自密实或振动） 成型和养护（常温 保湿或常压蒸汽养护） ， 就能够进行现浇和预制 应用 UHPC的抗压强度通常只有质量指标的意 义， 因为在结构应用中， 主要关注的是UHPC抗拉 或抗弯强度以及应变硬化 需要根据应用场合， 选用适宜的纤维品种和掺量， 实现要求的UHPC 抗拉或抗弯强度； 配置钢筋或预应力技术， 实现 UHPC结构的轻质高强 超高性能混凝土现在有哪 些工程应用？ 应用的目的？ 在世界范围， UHPC已经有很多工程应用， 包括： ● 桥梁： 人行天桥（1997年最早的UHPC结构 应用）、 公路和铁路桥的多种桥梁结构， 用于提 高桥梁跨径或减小桥梁高/跨比、 实现桥梁快速 施工和提高桥梁耐久。