作者：北京江汉科技有限公司教授级高级工程师 赵筠

1、超高性能混凝土（UHPC）定义与发展历程

　　超高性能混凝土（Ultra-HighPerformance Concrete，简称UHPC），因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-HighPerformance 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。1999年清华大学覃维祖教授等发表文章《一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土》最早介绍了UHPC^[1]，至今在中国仍然较多地使用“活性粉末混凝土（简称RPC）”名称。RPC是法国一个公司的专利产品名称，宣传介绍较多而广为人知。1994年法国学者DeLarrard等将这类新材料称作UHPC^[2]，由于UHPC或UHPFRC名称没有商业色彩，且能更好表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能，逐步被广泛接受和采用。

　　UHPC较有代表性的定义或需要具备的特性如下^[2,3]：

　　·     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。

　　UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步。使用UHPC可以建造轻质高强和高韧性的结构，彻底改变混凝土结构“肥梁胖柱”状态；其结构所拥有的耐久性和工作寿命，远远超越钢、铝、塑料等其它所有结构材料。

　　UHPC在上世纪七十年代末起源于丹麦，八、九十年代在欧洲进行了比较系统深入的研究，并开始在小型工程和制品上应用。进入本世纪，在欧美、日韩等许多国家均将UHPC作为新型、未来的或战略性工程材料进行研究与发展，法国和日本率先制定了设计指南。目前，UHPC的配制、生产、施工和预制技术已经趋于成熟，结构性能与设计规范正处于发展完善过程，工程结构与制品的应用不断取得新进展，定期举办国际UHPC／UHPFRC研讨会进行学术交流。

2、UHPC的制备与增强、增韧原理

　　上世纪七十年代初的一些试验研究证实，提高水泥净浆的密实度，可以有效提高强度。丹麦学者H.H. Bache教授发展的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，实现颗粒堆积致密化，见图1^[4]。借助高效减水剂的分散作用，硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间，从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量，DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料，DSP基体混凝土的抗压强度可以达到280MPa，但脆性非常大；同时使用钢纤维增强增韧（即UHPC），抗压强度可达到400MPa（常温养护）。更进一步，法国使用高压成型和高温高压（压蒸）养护的活性粉末混凝土（RPC），最高抗压强度达到了800MPa。

图1 水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度示意图

　　高密实的DSP基体与钢纤维界面的密实度也非常高，界面粘结强度得以大幅度提高，使钢纤维在DSP基体中提高抗拉、抗弯、抗裂与增韧作用得到充分的发挥。用DSP理论配制超高强度混凝土，是混凝土技术的一个重大突破。同时期出现的MDF水泥（Macro Defect Free，宏观无缺陷水泥，用聚合物填充水泥浆孔隙和裂缝），SIFCON（Slurry Infiltrated Fibre Concrete，预填钢纤维灌注水泥细砂浆的混凝土），也可以获得很高的材料强度和韧性，但是前者需要辊压或挤压成型，后者难以使钢纤维形成三维堆积，在应用上受到很大制约，至今只能用于制作小型制品。DSP理论实现更高的密实度，只需要选择适宜优质原材料和进行配合比优化，不需要使用特殊的工艺方法，用传统搅拌设备和振动密实方法，就能生产与成型。因此，基于DSP理论配制的UHPC，较快地进入了实用阶段。

　　如今，已经能够配制自密实UHPC，预制产品与现场浇筑比较方便。虽然现在配制UHPC的技术途径和使用材料呈现多样化，但遵循的基本原则并没有改变，即颗粒组成与配合比要使密实度最大化。

3、UHPC的力学性能

　　单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”，并不意味“超高性能”。UHPC的“超高力学性能”更主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维，可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa，断裂能达到1,500~40,000 N/m（钢纤维体积含量2%~12%，详见表1^[5]），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m²划分为韧性材料）。现在，使用异形，特别是扭转形高强钢纤维，可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外，高强高模的聚乙烯醇（PVA）纤维也用于UHPC的增强与增韧；聚乙烯（PP）纤维用于提高UHPC的耐火能力。

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

　　通过图2^[6]可以直观对比UHPC与其它水泥基工程材料的典型力学性能特征。UHPC的抗压与抗拉强度大幅度超越其它水泥基材料。在变形能力方面，UHPC可以在相对低的纤维含量水平实现拉伸“应变硬化”行为，即单轴受拉经历弹性阶段，出现多微裂缝，纤维抗拉作用启动；随后拉应力上升，进入非弹性的应变硬化阶段（类似钢材的“屈服”）；达到开裂后最大拉应力（抗拉强度），出现个别裂缝在局部扩展，之后拉应力下降，进入软化阶段。“应变硬化”是韧性材料的重要特征，体现短纤维增强增韧效果“质”的变化，目前只有ECC（高延性水泥基复合材料）和UHPC可以实现“应变硬化”。普通和高强纤维混凝土（FRC、HSFRC）开裂即软化，纤维强度未能有效发挥，故提高韧性的作用有限。

图3 UHPC梁、高强韧性钢梁与钢筋增强UHPC梁的抗弯性能对比

　　钢纤维增强增韧的UHPC，再与高强钢筋或钢绞线复合应用制作的梁（CRC或HRUHPC梁），抗弯承载能力接近钢梁的水平且抗弯行为相似（见图3^[4]），可以实现更高的强度/质量比和刚度/质量比（详见表1）。结合预应力技术，UHPC还有更大潜力用于建造大跨度或轻质高强、高韧的结构，至今已经发展出多种桥梁结构。

4、UHPC的耐久性与可持续发展

　　UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。根据理论和试验研究结果，基本上可以确定：UHPC没有冻融循环、碱-骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。但UHPC不耐硝酸氨腐蚀，因为钢纤维会较快锈蚀。

　　UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化，绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此，水或水汽进入UHPC的裂缝，暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化；结合了外界水分的水化产物体积大于水泥熟料体积，多出来的体积能够填堵裂缝，见图4^[7]。试验和工程验证表明，UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性，同时还起“胶结”裂缝作用，可在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能^[7]。