刘瑜 LIU Yu；刘晓贝 LIU Xiao-bei；黄荆 HUANG Jing

（①北京世纪千府国际工程设计有限公司，北京100089；②桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林541004）

0 引言

随着社会经济的快速发展，桥梁工程、地下结构工程等现代工程向着寿命更长、标准更高的方向发展，故对混凝土提出了更高的工作性能要求。1994 年，法国学者首次提出了 UHPC 的概念[3]，即超高密度（Ultra-High Performance Concrete）。UHPC 是基于最大堆积密度原理制备而成的，与传统的混凝土相比，具有超高强度、高韧性延性、高耐久性等优异性能[3]；此外，钢纤维的加入对其整体强度的提升有较大影响[4]。基于以上优异性能，UHPC 已广泛应用于大跨度特殊结构、超高层建筑和桥涵隧道等工程领域，并且在市政工程、国防工程等领域有较好的应用前景[5]。鉴于此，笔者在UHPC 材料制备、力学性能、应用现状等方面进行了介绍，为UHPC 的后续研究提供借鉴和参考。

1 制备过程

1.1 原料 水泥，普通硅酸盐水泥P.O 42.5 级以上，试块28d 强度要求达到42.5MPa 以上；石英砂，分别为细砂、中砂、粗砂；硅灰，主要成分为氧化钙、二氧化硅，是由硅灰石矿石经粉碎研磨制成；钢纤维，长径比为30～100，纤维和砂浆之间的粘合就会增加；减水剂，起到对水泥颗粒拌合的分散作用，减少单位用水量，改善混凝土混合物的流动性。

1.2 制备工艺 ①称量一定量的细砂、中砂、粗砂搅拌5 分钟；②加入水泥搅拌3 分钟；③加入硅灰搅拌约10 分钟，使其干粉料充分拌合均匀，制成UHPC 干粉料，干粉料拌合均匀后；④加入称量好的钢纤维，以避免钢纤维结块而导致分布不均匀的情况，待钢纤维充分搅拌均匀后；⑤加入配备好的水和减水剂，搅拌约10 分钟直至拌合物具有较好的流动性。其工艺流程见图1。选用合适的配合料，采用最紧密堆积理论进行了超高性能混凝土基体的配合比试验。

图1 UHPC 制备工艺流程

参照GB/T50081-2019《混凝土物理性能试验方法标准》[1]，分别按照龄期为7d 和28d 的力学性能进行测定，抗压试件分别采用立方体100mm*100mm*100mm、棱柱体100mm*100mm*300mm、圆柱体Φ100mm*100mm 的模具成型；抗折试件采用100mm*100mm*400mm 的模具成型，成型后将试块置于标准养护条件下养护7d 和28d 后脱模，脱模后的试块置于相同养护条件下养护至各龄期，并测其强度。

2 力学性能

2.1 钢纤维掺量对UHPC 力学性能的影响

影响UHPC 强度的主要因素是其孔隙结构，因此，降低孔隙率，提高密实度，优化孔结构，是提高UHPC 性能的有效措施，而钢纤维的掺入可以改善UHPC 的性能。因此本文主要研究钢纤维掺量对UHPC 受力性能的影响。设置0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%共 7 组不同的钢纤维体积掺量，研究不同钢纤维体积掺量对UHPC 工作性能和力学性能的影响。

实验发现，随着钢纤维体积掺量不断增加，UHPC 坍落度和扩展度会不断降低，这是因为钢纤维在搅拌作用下互相搭接成结，在UHPC 基体中形成纤维网，体积掺量越大，钢纤维形成的网状结构越密，其混合物间的摩擦力和阻力越大，工作性越差。综合考虑其经济性、强度要求等均要满足工作性能，确定最佳钢纤维体积掺量为2%。

观察试块抗压破坏形态可发现，钢纤维的加入改变了混凝土的破坏形式，由常见的脆性破坏转变为塑性破坏[2]，UHPC 试块破坏后有大量的裂纹产生，但仍保持完整状态，说明当试块出现裂缝后，钢纤维和基体之间的粘接作用可以提供部分拉应力。当裂缝完全展开，裂缝区基体会退出工作，则钢纤维与基体之间的剪应力来承担全部的拉应力，故若加入钢纤维，基体的延性就会明显提高。

2.2 基本力学性能分析

2.2.1 抗压性能 抗压强度作为UHPC 基本力学性能指标之一，一直以来深受关注，本文选用了不同钢纤维掺量的7 组试件进行控制变量法研究，发现随着钢纤维掺量逐渐增大，其抗压强度逐渐增强；选用龄期为7d 的立方体试块为例，其钢纤维掺量-抗压强度曲线见图2。由图2 可以发现，钢纤维掺量从1%增加到1.5%，抗压强度增幅最大，并实测得到抗压强度提高了38%。

图2 钢纤维掺量对UHPC 抗压强度的影响

2.2.2 抗拉性能 测试UHPC 抗拉强度的试验方法主要有轴拉试验、劈裂试验和弯拉试验[10]。我国国家标准规定弯拉试验应采用100mm*100mm*400mm 的棱柱体试件[3]，加载方式为三分点加载，试验装置简单，操作方便。国内学者张哲[6]研究了钢纤维含量和类型对掺混合钢纤维UHPC的轴拉性能的影响，结果表明混合钢纤维UHPC 呈现应变硬化和多元开裂的特性；随着钢纤维含量的增加，UHPC的可视开裂应变增加，且掺入端勾型的钢纤维的增强效率大于平直型钢纤维。张阳[4]等人通过四点弯曲试验研究发现增加钢纤维含量，试件弯拉韧性比增加，说明试件开裂后，增加UHPC 基体中钢纤维体积含量，能够提高其残余应力，阻碍了裂缝的进一步发展，试件的变形减小，韧性增强。由此可见增加UHPC 钢纤维体积含量，有利于增强UHPC 的弯拉性能。

3 应用进展

UHPC 凭其超高强度、超高耐久性等优异性能，现已被广泛应用于桥梁工程、建筑结构工程等领域，与普通混凝土相比，UHPC 可以使施工工序简化，且可以在恶劣、复杂的环境中提高建筑的使用寿命，使结构具有更高安全性能的同时，降低了后期维护费用，其全寿命周期的综合成本更优于普通混凝土。现全球有约1000 座桥梁采用了UHPC 材料，大致分布情况见图3。

图3 UHPC 材料桥梁全球分布情况

3.1 UHPC 在国外的应用进展

加拿大于1997 年修建了世界上第一座UHPC 桥梁——舍布鲁克人行桥，该桥的创新体现在结构和材料上，其桥梁主体结构为预制钢管-超高性能混凝土桁架，节段内未配置钢筋，仅采用后张法拼接和节段预制工艺施工而成[5]。韩国于2002 年采用UHPC 建成了一座人行天桥，并对该桥的结构和材料进行了测试和分析，编写了关于UHPC 桥梁的设计规范，而后韩国自主建成了第一座UHPC 斜拉桥[5]。法国于2005 年最先采用了UHPC 桥面面板[5]，桥面不再铺设沥青混凝土和防水层，在很大程度上减轻了桥梁上部结构的自重。奥地利于2010 年建成了世界上第一座UHPC 公路拱桥——Wild 桥[8]，见图4，该桥的结构为并列的双桁架拱，由预制正方形薄壁箱梁和接头现场组装而成。该桥充分利用了UHPC 材料轻质高强的特点，使拱桥结构细巧，并具有优美的造型。

图4 Wild 桥双桁架拱结构

UHPC 除了在桥梁工程上的应用，在建筑结构上也开拓了应用空间，法国于1998 年率先在发电厂采用预制预应力梁，并开始用UHPC 材料制作房屋构件，如幕墙、屋盖、外挂墙板等[5]。法国millau 高架收费站也采用了UHPC材料[8]，板厚仅10 厘米，结构飘逸美观。

3.2 UHPC 在国内的应用进展

自1994 年在UHPC 提出不久后，中国在铁道工程高铁电缆槽盖板领域大规模应用UHPC 材料。近十几年来，我国高度关注UHPC 在工程中的应用，在UHPC 的应用上获得了新的突破，主要集中在桥梁接缝浇筑、后期维修加固等方面[7]。UHPC 在我国首次规模化使用是在2005 年沈阳工业厂房扩建工程中，采用了C140 级UHPC 制作了329 件预制构件，均为预应力大体积构件[7]。世界首座全预制拼装UHPC 桥梁于2016 年在湖南长沙竣工[7]，桥梁的厚度只有普通混凝土桥梁的三分之一，全桥仅有2 个桥墩，若用普通混凝土浇筑建造至少需要5 个。该桥梁先在工厂预制，然后运至现场，仅用了10 小时拼装搭建而成，中国工程院院士陈政清专家[7]见证了这座天桥的诞生，并评价道：“这座桥的竣工，在中国超高性能混凝土工程应用领域是一个飞跃[7]。”

除用于制作预制构件外，UHPC 现场浇筑技术也在不断发展，其中应用最为广泛的是钢桥中的钢-UHPC 组合桥面板，邵旭东教授[9]团队自主研发的STC 轻型组合桥面结构，可彻底解决的世界性难题是钢结构疲劳开裂。莫时旭教授[10]团队也对UHPC 部分充填混凝土窄幅钢箱组合梁受力性能进行研究，发现负弯矩区混凝土开裂以及钢箱失稳产生屈曲是此类结构最终破坏的主要原因，因此提出使用UHPC 材料来代替普通混凝土受拉并在中支座区充填混凝土来提高钢箱稳定性，以此改善了混凝土在负弯矩区的开裂问题，并提高了组合结构的受力性能。

4 结语与展望

自20 世纪90 年代UHPC 诞生以来，发展了近20 年，从最初单纯的追求超高强度，到后来兼顾工作性能，再到充分发挥耐久性等优点达到节能减排、节约成本，从而实现可持续发展目标。UHPC 除在桥梁工程被广泛应用外，在军事工程、核电工程、海洋工程等方面也都有着广阔的前景。经济性是限制其大规模应用的主要原因，由于UHPC 中大量使用硅灰、石英砂、钢纤维，其成本大约是普通混凝土价格的20 倍，因此在不降低UHPC 优异性能的基础上寻求更低成本的集料、纤维是未来研究UHPC 材料的发展方向，所以UHPC 材料还有很大的进步发展空间。