超高性能混凝土在建筑工程中的研究和应用
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摘 要：文章结合超高性能混凝土在国内的研究背景，分析了超高性能混凝土在国内建筑工程方面的研究现状，并探讨其在中国的应用情况。
关键词：超高性能混凝土;力学性能;应用
超高性能混凝土是当代新型水泥基材料，在诸多方面有着卓越的优势。超高性能混凝土这一产物自出现至今，与其相关的研究成了国内外的研究重点，在原材料、生产工艺等多个方面都有深入的探索及创新。国内针对超高性能混凝土的研究较落后于部分发达国家，但现下也对超高性能混凝土有了一定的重视，并在工程施工中有了广泛的应用。
1 超高性能混凝土的研究背景
混凝土诞生至今，因其能耗低、生产原料易获取、生产成本小、生产操作简单等特点，在土木工程建设中有非常广泛的应用。混凝土较砖石等有更好的防火性能与耐久性，且适应性更强，是国际上建筑工程建设中用量最大的材料。但混凝土也有一些缺陷，严重阻碍了其使用范围的扩展，如自重大、抗拉强度低等问题，加大了能源消耗，并不利于环境保护的效果。
科学技术的进步使得环保概念在土木工程建設行业上有了广泛的传播，工程施工也对混凝土的质量与性能有了更高的要求，针对高强度混凝土的研究成为国际上的研究热点。国际专家们经过数十年的努力，于20世纪末提出了超高性能混凝土的概念。随着该理论的不断完善改进，当代超高性能混凝土在韧性、耐久性、抗腐蚀等多个方面的性能都远超过普通混凝土，以其自修复功能、抗断裂性能等特点，在土木工程里得到了重视与广泛使用，并有效降低了生产成本与工程造价。但在实际使用中，超高性能混凝土自身也存在缺陷，如生产工艺复杂、浇筑尺寸稳定性易受影响等，导致超高性能混凝土的应用范围受到限制。国内对于超高性能混凝土的研究要晚于发达国家，研究水平略显落后，应用方面还不成熟，但国内对超高性能混凝土力学性能等方面的研究给予较多的重视，在未来会有更深入、更成熟的研究成果，其应用领域也必将有所扩展[1]。
2 超高性能混凝土在国内的研究现状
2.1 原材料方面
超高性能混凝土的研究过程中，研究者大多倾向于使用钢纤维等材料来加强产物的强度，并使用稻壳灰等作为生产超高性能混凝土的替代材料，来降低水泥等材料的使用量，并采取各种方式来降低生产成本、提升环保效果，使超高性能混凝土能更好地应用于土木工程建设中。
谢友均等将水泥、硅灰、超细粉煤灰作为材料，在一定条件下提高了产物的强度，最终制备的超高性能混凝土的抗塔强度在250 MPa左右，抗折强度也高达45 MPa。
胡曙光等利用钢渣粉与水泥、天然细沙、超细粉煤灰、硅灰作为原材料，经热水养护的超高性能混凝土抗压强度达到了152 MPa 。
邓宗才等在制备超高性能混凝土的过程中，剔除硅灰后再进行生产，其产物有更高的流动性与抗压强度。
在研究过程中，如需提升混凝土的强度，就要在制备工艺上添加热养护工序，而热养护工作会导致超高性能混凝土的应用范围严重受到限制，只能在预制构件领域内发挥作用。国内近期对超高性能混凝土的研究，已经能克服这个缺点。
超高性能混凝土的生产过程因有能源的消耗，会造成一定的环境污染等负面作用。Zhao等将铁矿石残渣回收利用作为生产混凝土的材料，当铁矿石残渣掺量比例控制在一定范围时，生产的超高性能混凝土在抗折强度上有一定提升。
2.2 抗拉强度
混凝土材料普遍具有抗压性能强、抗拉强度低的问题，而抗拉强度在实际的建筑结构中发挥的作用不大，且抗拉强度测试的实现难度偏大，导致在对混凝土的生产研究中未对其抗拉强度有过重视。但超高性能混凝土的抗拉强度要更胜于普通混凝土，能在建筑结构中发挥显著的作用，使得超高性能混凝土抗拉强度相关的课题成了研究工作的重点之一。当下国内针对超高性能混凝土抗拉强度的测试方法主要还是沿袭了普通混凝土的测试手段，即轴拉试验、抗折试验及劈裂试验。研究结果中超高性能混凝土在轴拉强度测试上有良好的表现，在弯拉强度测试中表现略低于前两者，在裂缝控制方面有较高的性能。
2.3 抗压强度
柯晓军等在实验中发现，超高性能混凝土与普通混凝土相较，前者更不易受尺寸效应的影响，有更大的弹性模量。在超高性能混凝土的制备生产环节加入钢渣粉等材料，并结合热养护等工艺，能提升产品的抗压强度。钢纤维的使用能提高混凝土的抗折强度与抗拉强度，而聚丙烯纤维材料在混凝土抗折强度与抗拉强度方面的表现不佳。
2.4 轴压应力—应变曲线
柯晓军等对于超高性能混凝土轴压应力—应变曲线的研究发现，混凝土抗压强度越高，轴心抗压强度与峰值应变越大，峰值应变是随超高性能混凝土强度的变化而变化的，要高于普通混凝土。超高性能混凝土的极限应变与强度等级成反比，强度等级越高，则极限应变越低，要低于普通混凝土。
2.5 耐久性能
刘娟红等在实验研究中发现，超高性能混凝土有很强的抗碳化、抗渗透性能力。冻融循环实验中，超高性能混凝土质量损失在1%以下，能满足寒冷区域对于混凝土抗冻性能的需求。超高性能混凝土的孔分布均匀，在耐久性方面要好于普通混凝土。超高性能混凝土还能抑制钢筋锈蚀，延伸混凝土的使用期限。在加速锈蚀条件下的试验中，超高性能混凝土质量损失非常小，锈蚀只影响混凝土的表面[2]。
2.6 抗疲劳性能
循环寿命比的增加，使超高性能混凝土疲劳后剩余抗压强度的衰减率降低，衰减速度增加。超高性能混凝土的生产阶段如加入钢纤维材料，能大幅度提高产品的抗疲劳性能。
2.7 韧性
超高性能混凝土的制备阶段如不使用钢纤维，则产品的强度越大，其拉压比和折压比越小。超高性能混凝土在受到外力作用时，其脆性比普通混凝土更大。钢纤维的掺入与钢纤维的形状都会影响超高性能混凝土的韧性。掺入钢纤维后，超高性能混凝土在韧性方面的能力较普通混凝土更强。 2.8 抗弯性能
超高性能混凝土的制备阶段如使用钢纤维，则能抑制裂缝的扩张，有利于提升混凝土梁的抗裂能力。在三分点加载试验中，超高性能混凝土试验梁的开裂应变是普通混凝土试验梁的7倍，在极限弯曲强度上要远好于普通混凝土。超高性能混凝土梁厚度增加，其弯曲极限荷载也会增加。但未掺入钢纤维的超高性能混凝土的脆性较大，在达到弯曲极限荷载时，其承载力大幅度下降。
2.9 抗冲击性能
国内对于超高性能混凝土抗冲击性能的研究中，采取了复合矿物掺合料、短细纤维等制备的产品，其抗压强度在200 MPa以上，并研究了不同的养护工艺对产品力学性能的影響作用，得出了强度最高的混凝土的原材料配比。根据霍普金森压杆对超高性能混凝土进行研究，得知原材料中纤维量越大，超高性能混凝土的抗冲击能力越强。利用混凝土材料模型对超高性能混凝土力学性能进行模拟实验，实验结果与模拟值较吻合[3]。
3 超高性能混凝土在国内的应用
超高性能混凝土在国内外广泛应用于桥梁、地铁等工程建设中。在2005年国内，第一次在工程施工中使用了超高性能混凝土。在哈大客专、石武客专等多条客运专线建设上有一定的应用，并起到了良好的效果。
在装配式桥梁建设工程中，超高性能混凝土制成的混凝土板、厚度为普通混凝土产品的1/3，便于吊装施工，在外形和美观性上有更好的表现，其耐久性能也能提升桥梁的使用时限。
在郑开城际铁路的桥梁工程上，电缆槽盖板使用了超高性能混凝土进行制作，产品满足了工程的需求。在迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中，使用超高性能混凝土制作的T形梁，在抗压性能上有很强的表现[4]。
总体而言，国内的公路桥梁方面使用超高性能混凝土的工程较少，超高性能混凝土在中国的应用要落后于发达国家水平。这种情况产生的原因，主要是发达国家针对超高性能混凝土的研究工作更为深入，研究成果更为先进。而中国作为发展中国家，缺少足够大规模的市场来应用超高性能混凝，且国内的研究工作较为分散，未能形成系统的大规模研究，使得超高性能混凝土的应用受到了影响。国内对于超高性能混凝土的研究不足，且生产制备需要花费大量资金，因此，超高性能混凝土未能得到推广。
中国正处于大规模建设阶段，更加重视可持续发展问题，对混凝土性能的要求也在不断提升。超高性能混凝土的推广应用能有效推动节能减排、防治大气污染措施的实施，并提升工程质量，加强建筑的抗灾能力，是水泥工业结构调整的有效动力。
4 结语
超高性能混凝土自理论提出到现在，已有几十年的发展历史，在研究成果及工程实际应用上都有了一定的进展。对于超高性能混凝土的深入探索及推广应用，混凝土技术将会面对一场深刻的改革。在混凝土结构、材料及其配比设计等方面，提升其的耐久性与强度等性能，在各个因素对于超高性能混凝土性能的单独作用及综合作用下，进行定性定量的研究，是一项细致又复杂的工作。超高性能混凝土在未来很长一段时间内，都将得到更为广泛的推广应用，有更开阔的应用前景。
[参考文献]
[1]史晓婉.超高性能混凝土国内进展及性能试验研究[J].江西建材，2018（12）：3-5.
[2]任亮，梁明元，王凯，等.桥梁伸缩缝超高性能混凝土关键性能的研究与应用[J].硅酸盐通报，2018（6）：2048-2052.
[3]梁天霄，郑元勋.超高性能混凝土的研究综述[J].科技展望，2016（36）：19-20.
[4]鞠丽艳.超高性能混凝土工程应用分析[J].混凝土世界，2019（1）：56-59.
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