超高性能混凝土研究综述.pdf

第 3 1卷 第 3期 2 0 1 4年 9月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 3 1 NO 3 S e p t 2 O1 4 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 0 1 2 4 超高性能混凝土研究综述 陈宝春 ， 季 韬 ， 黄卿维 ， 吴怀中。 ( 1 福州 大学 可持续与创新桥梁福建 省高校工程研究中心 ， 福建 福州 ，丁 庆 军 3 501 0 8；2 詹颖 雯 福州大学 土木工程学院 ， 福建 福州 3 5 0 1 0 8 ；3 韦恩州立大学 工程学 院， 密歇根 底 特律 MI 4 8 2 0 2 ；4 武汉理工大学 材料科学 与工程学 院 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ； 5 台湾营建研究 院， 台湾 新北2 3 1 4 6 ) 摘要 ： 介 绍 了超 高性 能混凝 土 ( UHP C ) 的提 出与世 界 各 国的研 究概 况 、 UHP C 的基 本 制备 原 理 与 技 术指标 ； 对 UHP C材料 制备技 术 、 超 高性 能机 理 、 材料 性 能 、 工程 应 用研 究进展 进 行 了综 述 ， 提 出 了基体材料组成、 凝结硬化过程与细观结构， 纤维增强增韧机理 细观力学分析， 组成设计与制备技 术 ， 材性 测试 方 法与指 标体 系， 基 于工程 应 用的研 究 与创 新性 应 用研 究 ， 经 济性 和标 准与 规 范等 方 面的研 究方向。结果表明： UHP C在理论研究与工程应用方面都取得 了可喜的进展 ， 随着环保、 可 持续发展 日益受到重视 ， UHP C具有极好的发展前景 。 关键词 ： 超 高性能混凝土； 制备技术； 材性 ； 工程应用； 细观力学分析 中 图分 类号 ： TU5 2 8 2 文 献标 志码 ： A Re v i e w o f Re s e a r c h o n Ul t r a 。 h i g h Pe r f o r m a nc e Co n c r e t e CHEN B a o c h u n ，J I Ta o ，HUANG Qi n g we i ，W U Hu a i z h o n g 。 ， DI NG Qi n g - j u n ，CHAN Yi n g - we n ( 1 S u s t a i n a b l e a n d I n n o v a t i v e Br i d g e En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Fu j i a n Pr o v i n c e ，F u z h o u Un i v e r s i t y， F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ，F u j i a n，Ch i n a；2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，F u z h o u Un i v e r s i t y，Fu z h o u 3 5 0 1 0 8 ， Fu j i a n，Ch i n a ；3 De p a r t me n t o f Ci v i l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，W a y n e S t a t e Un i v e r s i t y ， De t r oi t M I 4 82 02，M i c hi ga n，USA ；4Sc h oo l o f M a t e r i a l Sc i e n c e a nd En gi n e e r i n g，W u ha n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，W u h a n 4 3 0 0 7 0，Hu b e i ，Ch i n a；5 Ta i wa n C o n s t r u c t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ne w Ta i p e i 2 3 1 4 6，Ta i wa n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Aut ho r s ga v e a b r i e f i nt r o du c t i o n t o s t a t e o f t he a r t d e v e l o pme n t s a nd r e s e a r c h p r og r e s s e s o f ul t r a hi gh pe r f or ma nc e c on c r e t e ( U HPC) i n t he wo r l d， t o t h e f u nd a me nt a l s o f ma t e r i a l p r e pa r a t i o ns a nd p e r f o r m a n c e i nd e x e s A t t e n t i o n wa s p l a c e d o n c r i t i c a l r e vi e w o f t he ma t e r i a l pr e p a r a t i on t e c hno l o gi e s， me c ha n i s ms of t he s up e r hi g h p e r f o r ma nc e， a n d s upe r i o r ma t e r i a l p r op e r t i e s o f U H PC a nd i t s e ng i ne e r i ng a p pl i c a t i o ns Fi na l l y， c r i t i c a l f u t ur e r e s e a r c h d i r e c t i o ns we r e h i gh l i gh t e d，i n c l u di n g t he op t i ma l c o mp os i t i o ns of U H PC ma t r i x，t h e s e t t i n g a nd h a r de ni ng pr o gr e s s， a s we l l a s t he r e s u l t i ng m i c r o s t r uc t ur e， t he m i c r o me c ha n i c s a na l ys i s o f f i be r r e i n f o r c e m e n t a nd t ou gh ne s s i m pr o v e me n t pr i nc i pl e， mi x d e s i gn a nd p r e p a r a t i o n t e c hno l o gy。t e s t i n g m e t ho do l o gy o f ma t e r i a l c ha r a c t e r i s t i c s a n d i t s s t a nd a r d i z a t i on En gi n e e r i ng a pp l i c a t i o ns s hou l d be b a s e d o n pr a c t i c a l a nd i nn ov a t i ve a pp l i c a t i o n r e s e a r c h f i n di n gs ，e c on omi c b e n e f i t s ，a n d t h e e s t a b l i s h me n t o f s u i t a b l e s t a n d a r d s a n d s p e c i f i c a t i o n s Th e r e s u l t s s h o w t h a t i t i S c l e a r t h a t gr e a t a d va nc e s ha ve be e n a c hi e v e d o n bo t h t he f un da m e nt a 1 r e s e a r c h a n d t he 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 2 O 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目( U1 3 0 5 2 4 5 ) 作者简介 ： 陈宝春 ( 1 9 5 8 一 ) ， 男 ， 福建罗源人 ， 教授， 博士研 究生 导师， 工学博 士， E ma i l ： b a o c h u n c h e n f z u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 4年 e ng i n e e r i n g a p pl i c a t i on o f U HPC W i t h e n vi r o n m e nt a l p r ot e c t i o n，s us t a i na bl e d e v e l o pme n t be i ng mor e a t t e nt i on，U HPC h a s e x c e l l e nt pr o s pe c t s f or de ve l op me nt Ke y wo r ds ： u l t r a hi g h pe r f o r m a nc e c o n c r e t e ； p r e pa r a t i o n t e c hn ol og y；ma t e r i a l p r op e r t y； e ng i n e e r i n g a p pl i c a t i on；mi c r o m e c ha ni c s a n a l ys i s I J 引 再 混凝土是一种水泥基复合材料 ， 它是 以水泥为 胶结 剂 ， 结 合各 种集料 、 外 加剂 等而形 成 的水硬性 胶 凝材 料 。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 。然 而 ， 由于混凝 土 自重 大 、 脆 性大和强度( 尤其是抗拉强度) 低 ， 影 响和限制了它 的使用范围； 同时 ， 对于低强度 的混凝土， 在满足相 同功能 时用量 较大 ， 这 加 剧 了对 自然 资 源 和 能 源 的 消耗 ， 另外也增加了废气和粉尘 的排放 ， 增大了对能 源的需求和环境的污染 。 2 0世 纪 以来 ， 随 着 社 会 经 济 的 发 展 ， 工 程 结 构 朝更高 、 更长 、 更深方 向发展， 这对混凝土的强度 提 出了新的要求 。为满足这种要求 ， 随着科技的进步 ， 混 凝 土的强 度得 到 了不 断 的提高 。在 2 0世 纪 2 0年 代 、 5 O年代和 7 0年代， 混凝土的平均抗压强度可分 别达到 2 O ， 3 0 ， 4 0 MP a 。2 O世纪 7 O年代末 ， 由于减 水 剂 和 高 活 性 掺 合 料 的开 发 和应 用 ， 强 度 超 过 6 O MP a 的 高 强 混 凝 土 ( Hi g h S t r e n g t h C o n c r e t e ， HS C ) 应 运 而生 ， 此 后 在 土 木 工 程 中得 到 越 来 越 广 泛 的应 用l 1 。 然而 ， 单纯提高混凝土抗压强度 ， 并不能改变其 脆性大、 抗拉强度低的不足 。采用纤维增强的方法 ， 产 生 了 纤 维 增 强 混 凝 土 ( F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， F R C ) l 4 ， 其所用纤维按 材料性质可划分 为 金属纤维、 无机纤维和有机纤维等， 最常用的是金属 纤 维 中 的钢 纤维 。随着 社会 的发 展 ， 许 多特 殊工程 ， 如近海和海岸工程、 海上石油钻井平台、 海底隧道 、 地下空间、 核废料容器、 核反应堆 防护罩等 ， 对混凝 土的耐腐蚀性、 耐久性和抵抗各种恶劣环境 的能力 等也提 出了更 高 的要 求。因此， 人 们又 提 出了将 HS C包含 在 内的高 性 能 混凝 土 ( Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， HP C) 的概念 。 在 HP C应用发展 的同时， 人们并没有停止 对 混凝土向更高强度 、 更高性能发展的追求 。1 9 7 2 l 9 7 3年 ， Br u n a u e r等 在 Ce me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h 杂志上发 表了有关 Ha r d e n e d P o r t l a n d C e - me n t P a s t e s o f L o w P o r o s i t y的 系列 论 文 ， 报 道 了 抗 压强 度达 到 2 4 0 MP a的低孔 隙率 的水 泥基 材 料 ， 但是研究中并未采用萘 系和聚合 物高效减水剂 ， 该 技术没有在工程中得到推广应用_ 3 。B a c h e 采用细 料 致密 法 ( De n s i f i e d wi t h S ma l l P a r t i c l e s ， DS P) ， 通 过发挥硅灰与高效减水剂 的组合作用 ， 以达到减小 孔隙率的 目的， 制备 出强度为 1 5 0 2 0 0 MP a的混 凝土 ， 其产品在市场上以 D E NS I T商标 的混凝 土制 品 出现 3 。B i r c h a l l 等 开 发 出无 宏 观 缺 陷 ( Ma c r o De f e c t F r e e ， MD F ) 水泥 基材 料 ， 抗 压 强度 可 达 到 2 0 0 MP a 。MDF水 泥基材 料 问世后 ， 引起 了有关 学 者 的广泛关 注 ， 并 开 展 了许 多有 关 这 类 材 料优 异性 能 和高强机 理 的研究 。此 外 ， Ro y在 1 9 7 2 年 获 得 了 抗 压 强 度 达 到 6 5 0 MP a的 水 泥 基 材 料 。 美 国 的 C E MC OM 公司采用不锈钢粉也制备出超高强材料 D AS H4 7 _ 3 。2 0世纪 9 O年代， 法 国 B o u y g u e s公司 在 D S P， MDF及钢纤维混凝 土等研究的基础上 ， 研 发 出 了 活 性 粉 末 混 凝 土 ( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e ， R P C ) 9 I O 。RP C分为 2个等级 ， 强度在 2 0 0 MP a以 内 的称 为 R P C 2 0 0 ， 强 度 在 2 0 0 MP a以上 、 8 0 0 MP a以下 的 称 为 RP C 8 0 0 l_ g 。 。1 9 9 4年 ， L a r r a r d等口 首次提 出了超高性能混凝土 ( Ul t r a h i g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， UHP C ) 的概 念 。 直 至今 天 ， 有 关 水 泥基 向更高 强 度 发展 的研 究 报道仍不断地 出现， 然 而具有工程应用前景 的并不 多 ： 有些因为价格太高 ， 有些因为制备技术太复杂， 而 有些则 在 强度提 高 的同时某 些性 能指 标下 降 。 因 此 ， 以 RP C制备原理为基础 的 UHP C材料的研究 与 应用 ， 是 当 今 水 泥 基 材 料 发 展 的 主 要 方 向之 一 。 美国国家科学基金会 于 1 9 8 9年投资建立了一个“ 高 级 水泥基 材料 科技 中心 ” ， 并 为 该 中心 提 供 了 1 0 0 0 万美元的科研经费 5 。美 国联邦公 路局以 R P C为 研究对象 ， 对 UHP C开 展 了系统 的研究 ， 进行 了 1 0 0 0 多个 试 件 的测 试 ， 研 究 内容 包 括 配 制 技术 、 强 度 、 耐久 性和长 期性 能等力学 性能口 。在此基 础 上 ， 美国密歇根州交通技术研究院开展 了进一步的 研究口 。法国土木工程学会在大量研究 的基础上， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 陈 宝春 ， 等 ： 超 高性 能混 凝土研 究综述 3 于 2 0 0 2年制 订 了超 高 性 能 纤 维 混 凝 土 的 指 南 ( 初 稿) 1 。日本土木工程协会也 于 2 0 0 4年制订 了相 应的设计施工指南( 初稿) ， 并于 2 0 0 6 年 出版 了英文 版本 I 】 。韩 国提 出 了一 个 超 级 桥 梁 ( S u p e r B r i d g e 2 0 0 ) 的计划 ， 希望通过应用 UHP C建造桥 梁， 减少 2 0 的工程造价 ， 在 1 O年内节省 2 O亿美元的投资 ， 减少 4 4 二 氧 化 碳 的排 放 量 和减 少 2 0 的养 护 费 用l 1 。中国从 2 0世纪 9 0年代开始 了 UHP C的研 究 ， 取 得 了一 系列 的 成果 ， 国家 标 准 活 性 粉 末 混凝 土 已在 征求 意见 _ l 川。 2 0 0 4年 9月在德 国的卡塞 尔举行 的 UHP C国 际会议上 ， 与会专家认为 UHP C虽然被命名为混凝 土材料 ， 但是却可以认为是一种新型材料 ， 是新一代 水泥基建筑材料 。2 0 0 9年在法 国马赛举行 的超 高性 能纤 维增 强 混 凝 土 ( Ul t r a h i g h P e r f o r ma n c e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， UHP F R C ) 国际会 议上 ， 与会专家认为 因 UHP F RC低碳环保且性能优异 ， 可 以用 来建 造低 碳 混 凝 土结 构 ， 在 未来 必 将 得 到 大 力发展l_ 1 。尽管 UHP C 自出现 以来 ， 不 断被应用 于桥梁 、 建筑 、 核 电、 市政 、 海洋等工程之 中， 然而应 用发展远 低 于预期 。以应 用最 多 的桥梁 为例 ， 自 1 9 9 7年 第 一 座 UHP C 桥 加 拿 大 魁 北 克 省 S h e r b r o o k e的 R P C桥 建成 以来 ， 十几年 间全世 界 也仅建成 3 0余座， 且以中小跨径与人行桥为主l 2 。 在 中 国 ， UHP C实 际工 程 应用 也 极少 ， 以桥 梁 为例 ， 仅在铁路上有 1座梁桥 的应用 ， 目前 1座公路梁桥 正在建设之中。在中国处于大规模工程建设的背景 下 ， UHP C在 中国的应用显得更为滞后 。这种应用 不理想的状况 ， 究其原因 ： 一方面， 有关 UHP C的研 究 主要集 中在 发 达 国 家 ， 而 这 些 国家 已完 成 大 规模 的基础设施建设 ， 推动其研究 与应用 的市场动力不 足； 另一方面 ， 发展 中国家虽然有较大的基础设施建 设 的需求 ， 但是 基础研究 不足和 UHP C价格较高 ， 影 响 了其 在工 程 中的应 用 。 在今 后 相 当长 一段 时 间 内 ， 中国仍 处 于大 建设 时期 ， 随着 对 节 能 减 排 、 可 持 续 发 展 要 求 的不 断 提 高， 对混凝土性能的要求也将越来越高 ， 因此 UH P C具有广阔的应用前景 。2 0 1 4年 3月 4日， 住房 和城乡建设部 、 工业 和信息化部召开了高性能混凝 土推广应用指 导组成立 暨第 一次工作会 。会议认 为， 高性能混凝土推广应用是强化节能减排 、 防治大 气污染的有效途径 ， 能提高建筑质量 ， 延长建筑物寿 命 ， 提升防灾减灾能力 ， 有利于推动水泥工业结构调 整 。在节能减排方面， 据专家估算 ， 以 目前中国每年 混凝土的使用量 4 1 0 。m。测算， 通过推广高性能 混凝土 ， 合理使用掺合料 ， 每立方米混凝土可节约水 泥 2 5 k g ， 实 现 年 节约 水 泥 1 1 0 。t ， 进 而 减 少 消耗 石灰石 1 1 1 0 。 t 、 粘土 6 1 0 t ， 节约标准煤 1 2 1 0 t ， 减 少排 放二 氧化 碳 7 5 1 0 t l 2 。若 能推 广 应用 UHP C， 成效显然更大， 同时也能为中国 uH P C技术 、 混凝土材料与工程结构领先于世界做出积 极的贡献 。因此 ， 开展 UHP C的制备技术与工程应 用基础研究 ， 具有重要的意义。为此 ， 国家 自然科学 基金委员会与福建省人 民政 府设立 的“ 促进海峡两 岸科技合作联合基金” 2 0 1 3年资助了“ 超高性能混 凝土 制备 与工程 应 用 基 础 研 究 ” 项 目。在 该 项 目的 指南建议 、 项 目申请 、 项 目获批 后的研究计划 制订 中， 笔者查 阅了大量 的研究资料 ， 结合前期研究 成 果 ， 对 UHP C的研 究现 状有 了较 为全 面 的了 解 。为 促使该项 目的顺利进行 ， 并推动中国 UHP C研究与 应 用 的不 断发展 ， 整 理撰 写 了本 文 。 1 UHP C制备基本原理与技术指标 1 1 U HP C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 孑 L 隙率、 优化孔结构 、 提高密实度 、 掺入纤维是 UHP C 制备的基本原理和主要方法 ， 以 RP C为例 ， 其获得 超高性能的主要途径有以下几种_ 9 ： ( 1 ) 剔 除粗 骨料 ， 限制 细骨料 的最 大粒 径不 大于 3 0 0 m， 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 低孑 L 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) 口 中对 RP C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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 建筑科 学与工程 学报 2 0 1 4血 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 2 0 0 MP a的 RP C L 2 引。 UHP C基 于 R P C 的 制 备 原 理 ， 如 采 用 小 粒 径 骨料 ， 掺人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 1 5 0 MP a的 UHP C。文献- 2 3 中采用常规材料 ， 不采用 热养护、 预压等特 殊工艺 ， 也制备 出强度 超过 2 0 0 MP a ， 可泵送 浇注的 UHP C， 其技术包括 选择低需 水量的水泥和硅灰、 合理的砂浆水泥 比、 硅灰水泥比 和水灰比等 。文献 2 4 中采用普通材料 和常温养 护 ， 制备 出坍 落 度为 2 6 8 mm， 9 0 d强 度为 1 7 5 8 MP a的混凝土。文献 2 5 中采用常规材料和养护 ， 制备 出抗压强度超过 2 0 0 MP a的 昆凝土， 掺入质量 分数为 1 的钢纤维的抗拉强度可达到 1 5 9 MP a 。 1 2 UH P C技术 指标 在 UHP C的研究 中， 有些继续采用 R P C的名 称 ， 有 些 直 接 称 之 为 UHP C， 还 有 一 些 则 称 之 为 UHP F RC， 如法 国与 日本 的相 关 指 南 1 4 - 1 5 ， 有 的 则 认 为 UHP F RC就 是 RP C， 是 UHP C与 F R C相 结 合的产物 2 ， 目前对这些名词还没有统一公认 的定 义 。从 内涵来看 ， R P C， UHP C与 UHP F R C有许多 相 同 之 处 ； 相 对 来 说 ， UHP C 的范 围 大 些 ， R P C 和 UHP F R C的范 围小些 ， 这也 可 以直接从 字 面上看 出 来 。本文中在引用参考文献时， 保持原文献 的材料 名 称 ， 在进行 综述 分析 时 ， 则 统称 为 UHP C。 关 于 UHP C或 RP C 的技 术 指 标 ， 目前 也 没 有 统 一公认 的定 义 。法 国 UHP F R C 指南 h 4 中 ， 定 义 它为具有 1 5 0 MP a以上抗压强度， 有纤维加强 以确 保 非脆 性行 为 ， 采用 特 殊 骨 料 的高 粘 性 材 料 。 日本 UHP F R C指南 中 ， 定 义 它 为一 种 纤 维 加 劲 的水 泥基复合材料 ， 抗压强度超过 1 5 0 MP a ， 抗拉强度超 过 5 MP a ， 开裂强度超过 4 MP a ， 并给 出了基本组 成 ： 最 大粒 径小 于 2 5 mm 的 骨 料 、 水 泥 和 火 山 灰 ， 水灰 比小于 0 2 4 ； 掺入不低于 2 9 5 体积掺量 、 长度为 l 0 2 0 mm、 直径为 0 1 0 2 5 mm、 抗拉强度不小 于 2 GP a的加 劲纤维 。 中国的国家标准 活性粉末混凝土 ( 征求意见 稿) 】 中对 R P C按力学性能的等级划分见表 1 。从 表 1可知 ， 它对抗压强度要求最低为 1 0 0 MP a ， 比法 国 、 日本 的抗压 强度 1 5 0 MP a要低 。 表 1 活性粉末混凝土力学性能的等级划分 Ta b 1 Gr a de Cl a s s i f i c a t i o n o f M e c ha ni c Pr o p e r t i e s o f RPC 等级 抗压强度标准值 MP a 抗折强度 MP a 弹性模量 G P a R1 0 0 l O O 1 2 4 0 R1 2 0 1 2 O 1 4 4 0 R1 4 0 1 4 0 1 8 4 0 R1 6 0 1 6 O 2 2 4 0 R1 8 O 1 8 O 2 4 4 O 2 制备技术 2 1材 料组 分与 配合 比 如 同其 他混 凝 土材 料 的研 究 一样 ， UHP C 的研 究也是从材料制备开始的。各国研究者结合当地的 材料开展了大量的配合 比设计 ， 中国也开展了许多 的研究 ， 如文献 2 7 3 2 。 UHP C作为一种高技术的新型材料， 成本较 高 是影响其工程应用的一个重要因素。文献 3 3 中对 一 些 RP C试验的原材料进行分析， 发现其成本均在 4 0 0 0元 m 以上， 最高达到 8 0 0 0 元 I l l ， 远高 于普 通混 凝土 的价 格 。为此 ， 提 出了 R P C性价 比计 算方法 ， 并以钢纤维掺量为主要参数进行研究 。 由于 RP C中的钢纤维为细钢纤维， 且为了防锈 而镀铜 ， 其较高的价格是 RP C材料成本较高的主要 原 因 ， 因此 ， 许 多研 究 围绕 钢纤 维及 其 替 代 品 展 开 。 文献 3 4 中采用碳纤维替代部分钢纤维进行 R P C 的配制 ， 发现 R P C的抗折 强度下 降 而抗压 强度 有 所 提高。文献 3 5 中采 用碳 纤 维替 代 钢 纤维 配 制 R P C， 结果表明， 最终破坏形态表现出很大的脆性破 坏 。此外 ， 还 有学 者对 聚丙烯 纤维 RP C和混 杂纤 维 R P C开 展 了研 究 ， 将 低 模 量 的聚 丙 烯 纤 维 、 中模 量 的耐碱玻璃纤维和高模量的钢纤维混杂掺入 R P C， 可使 R P C的一些力学性 能得到一定程度的改善而 提 高 。美 国规 范 在 AAS HT O Ty p e 1 I 梁 中采 用 8 0 级 焊 接钢 筋 网 以 取代 UHP C 中的 钢 纤 维 ， 其 抗 剪强 度 超 过 采 用 钢 纤 维 的 UHP C梁 ， 且 施 工 方 便 ， 成本大大降低 引。 为降低成本 ， 研究人员还开展了采用替代材料 减少 UHP C中水泥 、 硅灰用量的研究 ， 如钢渣粉 、 超 细粉煤灰、 石粉、 偏高岭土 、 火 电厂微珠 、 超细矿渣、 稻壳灰等， 不仅能降低造价 ， 而且利于环保 。 文献 5 1 中开展低水泥用量的 R P C研究 ， 用粉 煤灰取代 了 6 O 的水泥 ， 在凝结硬化过程中施加压 力 ， 得到 3 3 8 MP a的 R P C。在 R P C中采用粉煤灰 和矿渣替代水泥和硅灰 ， 可减少高效减水剂的用量 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 陈宝春 ， 等 ： 超 高性 能混凝 土研 究 综述 5 并减少 R P C的水化热 和收缩 。文献 5 2 中采用 棕榈油灰取代 5 O 的胶凝材料 ， 配制 的 UHP C具 有 1 5 8 2 8 MP a的抗 压 强 度 、 4 6 6 9 MP a的 弯拉 强 度和 1 3 7 8 MP a的直拉强度。文献 5 3 中采用稻 壳灰取代硅灰 ， 在标准养护制度下 ， 可制备出强度超 过 1 5 0 MP a的 UHP C， 当采用水 泥 +1 O 硅 灰 + 1 O 稻壳灰 时， 得 到的 UHP C性 能最好 。在 R P C 的凝结硬化过程 ， 加人部 分水化水 泥基材 料 ( P H C M) ， 能促进水泥水化 ， 增加 C s - H 生成量， 使 R P C 具有 较 高 的早期 强度 l_ 5 。 由于胶 凝材 料 ( 水 泥 和 硅 灰 ) 表 面 特 性 不 同 ， 可 选择多种减水剂进行耦合使用 ， 其效果更好 。在 UHP C配合比设计 中采用修正 的安德烈亚森颗 粒 密实模型 ， 可以降低胶凝材料的用量， 如养护 2 8 d 后 ， 仍有很多水泥没有水化 ， 则可采用一些便宜的材 料来替代 ， 如 石粉 。文献 E 5 7 中提高 RP C的硅 灰含量 ， 使配制的 R P C强度得到提 高的同时， 其 表 观密度降低 到 1 9 0 0 k g r l l _ 。 另外 ， 为 减少对 天 然骨 料 的开采 ， 研究 人员 还探 索利用其他材料来替代 UHP C中的石英砂等， 如采 用烧结 铝矾土 、 机 制砂石 5 。 和 丘砂 。 。 。 等。文 献 6 1 中采用铁矿石尾矿替代 UHP C中的天然 骨 料 ， 由于较差的界面 ， 工作性和强度下降。文献E 6 2 中将废弃混凝 土块放 入 UHP C 中， 可减少早 期收 缩 ， 制成 自约束收缩 UHP C 。文献E 6 3 3 中采用超细 水泥制备了新 型超高性能混凝土 s c RP C， 避免 了 硅灰的使用 ， 且便于现场养护与施工。 2 2 拌 制与 养护 技术 与普通混凝土不 同的是 ， RP C由于采用基体材 料 +细 粒径 组分 材 料 + 钢 纤 维进 行 配 制 ， 在 拌 制 过 程中容易聚团 ， 影 响 RP C成 型的均质性和材 料性 质 ， 是备 受工 程界 关 心 的一 个 主 要 问 题 。各 国学 者 对需要采用的搅拌设 备、 混合料 的拌制时 间与顺序 等也开展 了相应 的研究 ， 如 C o l l e p a r d i 等 的研究 表明 ， 搅拌 1 rai n后添加减水剂的 R P C， 其工作性能 要优于即时掺入减水剂的 R P C 6 。文献 6 5 中介 绍了常规搅拌工艺配制的 RP C的特性 ， 制定了加料 顺序 。文献E 6 6 中研究 了 3种不 同的投料搅拌 方 法， 试验结果表明， 不同的投料次序对 R P C的抗折 强度和抗压强度有一定影响， 尤其对 R P C流动性的 影响较大 。此外 ， R P C浇 注时 钢纤维 方 向分布对 R P C的拉抗强度等性能有较 大影响。为寻找有效 控制钢纤维方 向的方法 ， 文献 6 7 中通过数值 分析 和试验研究 ， 探讨 了通过挤压改变钢纤维排列方 向 的方法 ； 文献 6 8 中采用 管壁效应和混凝 土流动方 向等方法 ， 改变钢纤维在试件 内的排列方向， 试件成 型后 的 x射线 图像表明， 该措施取得了良好效果 。 高温 、 加压养护制度是 UHP C获得高性能的重 要手段， 温度越高、 时间越长 ， 参加反应的硅灰越多， 内部结构也就越密实。文献E 6 9 中指出， 与 9 O热 养护相 比， 在 2 O标准养护条件下的 uHP F RC试 块 ， 抗压强度降低 2 O ， 抗弯强度降低 1 O ， 断裂能 降低 1 5 。高温 、 加压养护制度是 R P C获得高性 能 的重 要手 段 ， 如 R P C 中含 有火 山灰 活 性 物 质 ， 在 不 同 养 护 制 度 下 ， RP C 的 力 学 性 能 有 较 大 差 异 l 1 。以卵 S i 磁 共 振方 法 ( 。 S i NMR) 量 测 水 泥 、 硅灰、 石英粉等胶结粉体在不 同养护条件下的水化 程度 ， 可确立有效 且经济 的养 护方式【 7 。R i c h a r d 等_ 】 。 。 的研究表明， 9 O热养护能加速火 山灰反应， 并 改 变 已 形 成 水 化 物 的 微 观 结 构 ， 高 温 养 护 ( 2 5 04 O 0。 C) 能促使结晶水化物的形成与硬化 浆体的脱水。D a l l a i r e等_ 7 的研究表明， R P C试件 在加压 5 0 MP a和 4 0 0的条件下养护 4 8 h后 ， 其 抗压强度可达 到 5 0 0 MP a 。C h e y r e z y等 通过热 重分析和 x射线衍射对热养护下传统 R P C的微观 结构进 行 分 析， 认 为传 统 R P C在 养 护 温度 介 于 1 5 0 oC2 0 0 之 间 时 ， 孔 隙 率 最 小 。对 采 用 蒸 汽 养护、 滞后蒸养与降温蒸养以及常规养护这 4种养 护方式进行 了对 比试验 ， 结果表明， 蒸养对材性 的影 响最大， 而采用蒸养但滞后蒸养与降温蒸养对 材性 的影响较小 。蒸养能提高材料的抗压强度、 抗拉 强度和弹性模量 ， 减小徐变 ， 加快收缩速度 ， 提高抗 渗能力口