超高性能混凝土应用进展
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摘 要：近年来，城镇化进程的加快，我国的各类工程建设数量也在不断增加。混凝土是当今用量最大的建筑材料，与其他建筑材料相比，混凝土生产能耗低、原料来源广、工艺简便、成本低廉且具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。从社会发展和技术进步的角度来看，在今后相当长的时间内，混凝土仍是应用最广、用量最大的建筑材料。本文就超高性能混凝土应用进展展开探讨。
关键词：超高性能混凝土;工程应用;耐久性
1 引言
自超高性能混凝土问世以来，关于超高性能混凝土的原材料、生产工艺、养护方式、力学性能、耐久性能、水化微观结构等进行了许多的研究，在实际工程中也得到了应用。虽然中国对超高性能混凝土的研究有些晚，但也已成为研究的热点，本文综述超高性能混凝土的研究和应用。
2 UHPC制备基本原理
对普通混凝土的研究，人们认识到混凝土作为一种多孔的不均匀材料，孔结构是影响其强度的主要因素，而固体混合物的颗粒体系所具有的高堆积密实度是混凝土获得高强度的关键。因此，减小孔隙率、优化孔结构、提高密实度、掺入纤维是UHPC制备的基本原理和主要方法，以RPC为例，其获得超高性能的主要途径有以下几种：（1）剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于300μm，提高了骨料的均匀性。（2）通过优化细骨料的级配，使其密布整个颗粒空间，增大了骨料的密实度。（3）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料，使其具有很好的微粉填充效应，并通过化学反应降低孔隙率，减小孔径，优化了内部孔结构。（4）在硬化过程中，通过加压和热养护，减少化学收缩，并将C-S-H转化成托贝莫来石，继而成为硬硅钙石，改善材料的微观结构。（5）通过添加短而细的钢纤维，改善材料延性。中国正在制订的国家标准《活性粉末混凝土》（征求意见稿）中对RPC的定义为：以水泥、矿物掺合料、细骨料、高强度微细钢纤维或有机合成纤维等原料生产的超高性能纤维增强细骨料混凝土。从上述定义可见，它对养护制度、配合比中的一些组分并没有严格的限制，如有些结构需要现场浇注，蒸压养护较为困难而采用常规养护时，如果骨料强度高且表面粗糙，也可得到强度为200MPa的RPC。UHPC基于RPC的制备原理，如采用小粒径骨料，掺入钢纤维和采用蒸压养护等，但是对骨料的粒径、养护制度、配合比中的组分等则没有严格的限制，如采用常规养护工艺也可配制出强度超过150MPa的UHPC。
3 超高性能混凝土参数与传统混凝土对比
超高性能混凝土包含两个方面的“超高”，即超高的耐久性和超高的力学性能。超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论（DensifiedParticlePacking），其组成材料中不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒（骨料）堆积的间隙由微米级颗粒（水泥、粉煤灰、矿粉）填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒（硅灰）填充。与早期的CRC或RPC相比，随着设计理论的完善、超高效减水剂（聚羧酸系）的问世和配制技术的进步，超高性能混凝土已具备普通混凝土的施工性能，甚至可以实现自密实，常温养护，具备广泛的应用条件。超高性能混凝土与普通混凝土、高性能混凝土不同之处在于：不使用粗骨料，必须使用硅灰和纤维（钢纤维或复合有机纤维），水泥用量较大，水胶比很低。超高性能混凝土堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的超高性能混凝土力学性能接近钢结构，同时具有优良的耐磨和抗爆性能。因此，超高性能混凝土特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构（军事工程、银行金库等）和薄壁结构以及高磨蚀、高腐蚀环境。目前，超高性能混凝土已经在实际工程中得到应用，如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳等。可以预计，未来超高性能混凝土会有越来越多的应用。
4 超高性能混凝土在中国的应用
国外将超高性能混凝土成功应用于桥梁、地铁、大坝、楼梯、阳台等工程中。2005年，沈阳用超高性能混凝土（C140）预制了工业厂房的梁板，是超高性能混凝土在中国的第一次应用。欧维姆公司用超高性能混凝土替代铸铁或铸钢件，热养护的超高性能混凝土抗压强度分别为325MPa，自然养护混凝土的抗压强度为187MPa。中铁十九局成功将超高性能混凝土应用于石武客专的电缆槽盖板中。该工程用水泥、矿渣粉、硅灰、石英砂、钢纤维制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土抗压强度139.9MPa。超高性能混凝土在京石客运专线盖板工程中也得到了成功应用，用水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、钢纤维等制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土坍落扩展度为550mm，含气量为2.2%，抗压强度为142.9MPa，抗折强度为19.6MPa。哈齐客运专线用水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石英砂、钢纤维等制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土抗压强度为175.8MPa，抗折强度为24.7MPa，氯离子渗透量为13C，经500次冻融循环后混凝土质量无损失。哈大客运专线用水泥、掺合料、石英砂、钢纤维等制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土抗压强度141MPa，抗折强度19MPa。在郑开城际铁路HNCJS-3标桥梁工程中的电缆槽盖板成功应用了超高性能混凝土。工程用水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、钢纤维制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土满足工程的要求。在迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中，首次采用超高性能混凝土制作多孔预应力简支T形梁。用水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石英砂、钢纤维等制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土28d抗压强度128.7MPa，抗折强度22.8MPa。为彻底消除挂檐板松脱隐患等问题，超高性能混凝土挂檐板在北京四惠立交东向北匝道桥挂檐板更换施工中得到了成功应用。用水泥、掺合料、石英砂、钢纤维等制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超性能混凝土抗压强度为149MPa，抗折强度为21.5MPa，弹性模量为51GPa，500次冻融循环后的质量损失率为0.9%，相对动态弹性模量为90%。为了节约成本，保护环境，采用生态型超高性能混凝土生产人行道盖板，用水泥、硅灰、粉煤灰、天然河砂、钢纤维等制备了超高性能混凝土，采用蒸汽养护，制备的超高性能混凝土抗压强度为150.3MPa，抗折强度为19.6MPa，弹性模量为50.6GPa，氯离子渗透量为33.2C，抗冻性>F500。
5 結语
UHPC自出现以来，研究热度不断提高，应用数量、范围和地区在不断扩大，各种标准也在不断制订与更新之中。中国在UHPC提出不久就紧跟国际学术前沿，持续不断地开展研究和应用，已成为国际UHPC研究的重要力量，为更多的应用奠定了基础。随着对研究投入的加大和研究人员的不断增加，研究的广度、深度与系统性也不断增强，UHPC标准制订与更新也在不断进行中，必将对中国土木工程节能减排、可持续发展做出积极的贡献，也有望在不久的将来成为UHPC研究与应用的世界强国。
参考文献：
[1] 中国工程院战略咨询中心，高等教育出版社，科睿唯安.全球工程前沿报告2018[R].北京：中国工程院战略咨询中心，2018.
[2] 陈宝春，季韬，黄卿维等.超高性能混凝土研究综述[J].建筑科学与工程学报，2017（3）：1～24.
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