1、广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.002作者简介：仇志敏（1982-），男，大学本科，高级工程师，主要从事建筑施工技术工作。基金项目：国家自然科学基金（12002091）；广州市科技计划项目（202002030120）E-mail：0引言随着经济的发展，工程规模不断扩大，工程结构的高度，跨度和深度的记录也不断被刷新。工程的发展不仅对工程技术的提升有更高要求，同样对工程材料向更高性能的探索与研发有新的要求。超
2、高性能混凝土（UHPC）起源于德国卡塞尔学院对高性能混凝土的进一步发展，在国内一般简称为活性粉末混凝土（RPC）1。UHPC以其超高强度、高韧性、可靠的耐久性能、孔隙率低以及其良好的自密实性等诸多优异性能2-3，迅速成为了广受工程届青睐的主要建筑材料和研究热点。UHPC能集众多优秀性能于一身主要是它建立在完善的理论体系之上，同时合理的原材料选用也是重要因素。本文基于目前国内外关于UHPC的研究进展，总结了UHPC制备原理与技术手段，梳理了UHPC制备的原材料选择与成分特性，旨在为研究者们提供UHPC制备的理论依据和原材料选择建议。1UHPC的制备原理与技术手段国内外学者针对 UHPC 开展了大
3、量关于原材料组成与微观结构分析、UPHC力学性能、UHPC的工作性能，UHPC的制备技术以及其优势与不足等方面的研究。总结出UHPC的制备技术包含：孔隙度-强度理论，原材料紧密堆积理论、加入活性矿物掺合料以改善微观结构、加入高效减水剂以降低水胶比、添加纤维以提高韧性。1.1孔隙度-强度理论混凝土是多相组成的各向异性材料，内部的孔隙结构混凝土的性能影响较大。混凝土基体孔隙的数量、大小、位置都是混凝土性能的影响因素，这些参数不确定性较大，难以用于建立表征混凝土性能的理论模型。研究者们通过实验结果证实，利用总孔隙度可以 得 到 一 个 可 以 接 受 的 强 度 预 测。基 于 此，RBLER4和O
4、DLER5建立了水泥基材料孔隙度与抗压强度的理论模型：=0（1-P）A=0exp（-BP）=Dln()P0P=0（1-AP）UHPC超高性能混凝土制备及工程应用研究进展仇志敏1，刘睿1，熊哲2（1、振中建设集团有限公司广州511445；2、广东工业大学土木与交通工程学院广州510006）摘要：超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一种新型水泥基复合材料，因其拥有超高强度、高韧性、高耐久性、低孔隙率且自密实性好，与普通的混凝土材料相比，优势十分明显。UHPC的优越性能建立在完善的理论体系之上，同时合理的原材料设计也是重要因素。基于此，对超高性
5、能混凝土的制备原理与技术手段、各组成原料的性能进行了总结，并梳理了UHPC在建筑工程中的应用现状，旨在为UHPC的进一步研发与施工应用提供参考。关键词：超高性能混凝土；UHPC制备的原理；UHPC的原材料中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-006-05Research Progress on the Preparation and Engineering ApplicationResearch Progress on the Preparation and Engineering Applicationof Ultra-high Performan
6、ce Concreteof Ultra-high Performance ConcreteQIU Zhimin1，LIU Rui1，XIONG Zhe2（1、Zhenzhong Construction Group Co.，Ltd.Guangzhou 511445，China；2、School of Civil and Transportation Engineering，Guangdong University of TechnologyGuangzhou 510006，China）AbstractAbstract：Ultra-High Performance Concrete（UHPC）i
7、s a new type of cementitious material with ultra-high strength，high toughness，high durability，low porosity and self-compacting properties.Compared with ordinary concrete materials，UHPC has many characteristics interms of water-cement ratio，raw material composition，hydration process and microstructur
8、e，etc.UHPC can combine many excellent properties mainly because it is based on a sound theoretical system，and reasonable raw material design is also an important factor.This papersummarized the preparation of UHPC，described the properties，advantages and disadvantages of UHPC raw materials.At the sam
9、e time，theapplication status of UHPC in building engineering was sorted，aiming to provide reference for further research and application of UHPC.Key wordsKey words：ultra-high performance concrete；principle of UHPC preparation；raw materials for UHPC6仇志敏，等：UHPC超高性能混凝土制备及工程应用研究进展FEB 2023 Vol.30 No.2202
10、3年2月 第30卷 第2期式中：0为零孔隙率时的抗压强度；P为孔隙率；P0为零孔隙率；为孔隙率等于P时的抗压强度；A、B、D为实验常数。大多数孔隙度-强度关系都是这4种类型中的一种。式特别适用于低孔隙度体系，式特别适用于高孔隙度体系。这四个方程都清楚地表明，孔隙率越低，强度越高。因此降低混凝土基体的总孔隙度就是提升混凝土强度的一个关键理论。1.2原材料紧密堆积理论混凝土硬化后的基体主要由固体颗粒和孔隙组成，减少其内部孔隙最有效的办法之一就是使固体颗粒堆积得更加密实。STOVALL6提出了线性堆积密度模型（LPDM），该模型考虑了所用材料尺寸级之间的相互作用。LARRARD7引入了虚堆积密度概念
11、，对LPDM模型进一步优化，虚堆积密度是粒子逐一放置时的最大堆积密度。Larrard在改进的 LPDM模型的基础上建立了固体悬浮模型（SSM），引入虚拟填料因子，该因子解释了理想和随机颗粒填料之间的差异，SSM模型是UHPC的配合比设计理论模型的基础。1.3使用高效减水剂降低水胶比混凝土在水化反应后会生成大量的 Ca（OH）2，Ca（OH）2强度低、松散和孔隙多，是造成普通混凝土材料强度低原因之一。通过降低水胶比抑制Ca（OH）2晶体的生长空间或添加活性矿物掺合料促进Ca（OH）2的二次水化的方式可减少基体中Ca（OH）2的含量8。低水胶比可以有效地降低UHPC中的孔隙度，但是较低的水胶比会使
12、混凝土浆体流动性大大降低，从而影响它的施工性能。采用高效减水剂可显著降低给定和易性所需的水胶比，明显减少UHPC的骨料之间的孔隙，提高UHPC的密实度和强度9。1.4加入活性矿物掺合料改善微观结构混凝土内部实际上是由骨料、水泥膏体和它们之间的界面过度区（ITZ）三相组成的。界面过渡区具有较高的孔隙率，是常规混凝土中最薄弱的部分。在 UHPC 中添加的矿物掺合料一般都具有较高的火山灰反应活性，且含一定量的SiO2或Al2O3。水泥经水化反应生成大量的 Ca（OH）2，矿物掺合料中的SiO2与其进一步反应生成水化产物 C-S-H。C-S-H比Ca（OH）2具有更高的刚度、硬度和密度10。有利于改善
13、UHPC中界面过度区的性能，使其密实度与基体一样。这极大地增强了UHPC的同质性，对改善结构的整体性能至关重要11。1.5掺入高强度纤维材料提高韧性韧性是一种材料的能量吸收能力的度量，表征材料抵抗断裂的能力。混凝土是一种抗拉强度较低的脆性材料，抗变形能力和抗冲击强度及韧性较差。在混凝土中掺入纤维可以防止和控制裂缝的萌生、扩展或贯通，使变形能力得到改善。目前有关 UHPC 的研究中，使用最多的是钢纤维、PE纤维、玻璃纤维和碳素纤维。相对来说，制备的UHPC抗拉强度较高的是钩状钢纤维。PE纤维因其良好的疏水性消除了纤维与基体的化学键合，显著提高了纤维桥接的互补能，因而使用PE纤维制备的UHPC具有
14、更高的韧性12。2UHPC制备的原材料与普通混凝土相比，UHPC制备所采用的原材料种类也更为丰富。UHPC 的原材料一般分为活性材料、骨料、高效减水剂、纤维。如前所述，采用高效减水剂和掺入纤维是提高UHPC性能的重要技术手段。2.1活性材料UHPC常用的活性材料有水泥和矿物掺合料。新的研究成果表明，采用大量的矿物掺合料取代水泥，可以降低UHPC的使用成本。制备UHPC时采用的矿物掺合料一般有：硅灰、粉煤灰、高炉渣灰、偏高岭土超细粉、石灰石细粉、钢渣粉、超细粒子。2.1.1水泥制备UHPC的水泥可以分为四大类：低热硅酸盐水泥、硅粉混合水泥、调粒水泥和球状水泥。低热硅酸盐水泥矿物组成是的最大特点是
15、C3S含量低而 C2S含量高，具有低碱含量、低至中细度。因此，使用低热硅酸盐水泥制备的UHPC具有粘度低、自收缩小、高温开裂少等优点。硅粉混合水泥制备 UHPC 可以抑制混凝土的自收缩开裂13。日本某水泥公司利用硅粉混合水泥成功研发了强度达200 MPa的超高强混凝土。调粒水泥的特征是已经对活性材料的粒径做了优化处理，并掺入了石灰石细粉、硅粉、粉煤灰和矿渣粉。前期需先优化水泥中粒度分布，提高其填充率；然后加入大粒径水泥颗粒，使粒度分布往粗方向改变；最后加入超细粉，达到最密实填充。用调粒水泥制备UHPC具有水泥浆体流动性好、早期强度高、水化热低，水化反应放热慢和节约资源等优点。缺点是制备的UHP
16、C性能上限较低。球状水泥是利用水泥熟料经过高速气流粉碎及特殊处理工艺后得到的且表面为球状的水泥产品。因其表观密度增大、填充性提高、粒度分布均匀且松堆积密度提高14。利用球状水泥制备的UHPC的优点是流动性提高极大、抗压强度和前期强度，抗碳化能力有所提高15，缺点是使用成本高。2.1.2硅灰硅灰是一种具有高活性的火山灰质材料。在UHPC中添加硅灰主要有以下作用：硅灰细颗粒粒径小，能很好地填充UHPC中的孔隙，使其堆积密度大大提高；硅灰中含有大量的SiO2微颗粒，能够迅速溶解后与水泥浆体中的Ca（OH）2反应生成C-S-H凝胶，可填充UHPC的裂缝和空隙，进一步改善UHPC的微观结构；硅灰颗粒具有很好的球形外表，且颗粒粒径小，能够在UHPC浆体中很好地发挥形态效应，改善7广东土木与建筑FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期其流变性能16。硅灰的最佳含量依赖于水胶比，水胶比较低的情况下，需要硅灰含量相对较低17。2.1.3粉煤灰粉煤灰具有较强的火山灰活性，其粒径比水泥颗粒稍细。在UHPC中应用比较广泛，粉煤灰在UHPC主要有以下作用：首先粉煤灰的化学成分Si