常熟超高性能混凝土（UHPC）核电站

　　超高性能混凝土,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》*早介绍了UHPC，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，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：

　　· 是一种组成材料颗粒的级配达到*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。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)，*高抗压强度达到了800MPa。

　　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RPC制备原理为基础的UHPC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1989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1000万美元的科研经费[5]。美国联邦公路局以RPC为研究对象，对UHPC开展了系统的研究，进行了1000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[12]。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[13]。法国土木工程学会在大量研究的基础上，于2002年制订了超高性能纤维混凝土的指南(初稿)[14]。日本土木工程协会也于2004年制订了相应的设计施工指南(初稿)，并于2006年出版了英文版本[15]。韩国提出了一个超级桥梁(SuperBridge200)的计划，希望通过应用UHPC建造桥梁，减少20%的工程造价，在10年内节省20亿美元的投资，减少44%二氧化碳的排放量和减少20%的养护费用[16]。中国从20世纪90年代开始了UHPC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[17]。2004年9月在德国的卡塞尔举行的UHPC国际会议上，与会专家认为UHPC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[18]。2009年在法国马赛举行的超高性能纤维增强混凝土(UltrahighPerformanceFiberReinforcedConcrete，UHPFRC)国际会议上，与会专家认为因UHPFRC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[19]。尽管UHPC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*多的桥梁为例，自1997年**座UHPC桥――加拿大魁北克省Sherbrooke的RPC桥建成以来，十几年间全世界也仅建成30余座，且以中小跨径与人行桥为主[20]。在中国，UHPC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，UHPC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UHPC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UHPC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UHPC具有广阔的应用前景。2014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**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4×109m3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25kg，实现年节约水泥1×108t，进而减少消耗石灰石1.1×108t、粘土6×107t，节约标准煤1.2×107t，减少排放二氧化碳7.5×107t[21]。若能推广应用UHPC，成效显然更大，同时也能为中国UHPC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UHPC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”2013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UHPC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UHPC研究与应用的不断发展，整理撰写了本文。

　　1UHPC制备基本原理与技术指标

　　1.1UHPC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[9]：

　　(1)剔除粗骨料，限制细骨料的*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CSH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)[17]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[22]。

　　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。文献[23]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200MPa，可泵送浇注的UHPC，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[24]中采用普通材料和常温养护，制备出坍落度为268mm，90d强度为175.8MPa的混凝土。文献[25]中采用常规材料和养护，制备出抗压强度超过200MPa的混凝土，掺入质量分数为1%的钢纤维的抗拉强度可达到15.9MPa。

　　1.2UHPC技术指标

　　在UHPC的研究中，有些继续采用RPC的名称，有些直接称之为UHPC，还有一些则称之为UHPFRC，如法国与日本的相关指南[1415]，有的则认为UHPFRC就是RPC，是UHPC与FRC相结合的产物[26]，目前对这些名词还没有统一公认的定义。从内涵来看，RPC，UHPC与UHPFRC有许多相同之处;相对来说，UHPC的范围大些，RPC和UHPFRC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UHPC。

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