張貝貝 王明軍 陳月娥 侯文軒 劉 暢 修 楊

（青島理工大學，山東 青島266011）

工程結(jié)構正朝著高層、大跨度以及重載等多方向發(fā)展，對建造各種新的特殊結(jié)構的需求正在增加。普通混凝土的嚴重缺陷正變得越來越明顯，從而限制了其在高層、大跨度以及重載結(jié)構中的應用。因此，提出了高性能混凝土的概念，超高性能混凝土可以大大改善普通混凝土的性能，并可以為混凝土的耐久性、可加工性和強度提供重要保證[1]。與普通混凝土相比，UHPC 具有極高的抗壓強度和拉伸強度，并具有高彈性模量、小蠕變系數(shù)和優(yōu)異的耐久性等優(yōu)點，可以有效減輕結(jié)構的重量，提高承載能力。

1 組成UHPC 的基本材料及其抗壓強度的最低值探究

UHPC 基本材料的組成材料一般來說以石英砂、水泥、鋼纖維、減水劑等為主，對于粗骨料這一組成材料是否需要，則需要根據(jù)UHPC 的具體用途來確定。UHPC 是根據(jù)密實度最大理論設計其微觀架構的，根據(jù)這一理論，可以將其設計為無限緊密，使其發(fā)揮出超強的韌性、強度以及超高耐久性；而對于宏觀工作澆筑來說，密實度要嚴格控制，不得超過關鍵閾值，以避免過度的鑄造造成無法完成澆筑和增加的混凝土的氣體含量。因此，如法國建筑規(guī)范指出，低等級且未受很大應力的UHPC 組件包含最大粒徑小于10mm 的粗骨料。此時，為了確保UHPC 的韌性，適當增加鋼纖維的長度比，以減少UHPC 的收縮。相反地，對于高等級且受應力較大的UHPC 組件必須嚴格把控，不得包含粗骨料。作為UHPC 的重要技術指標，各個國家都有著自己的國家標準。相對于初期各個國家的標準，目前UHPC 的標準較低。比如說，法國（2001、2013）、日本（2015）將其設置為150MPa，而韓國（2012）則設置的更高，為180Mpa；美國（2018）設置為120MPa，比較適中。根據(jù)國內(nèi)外的技術規(guī)格和指南、研究成果、工程實踐，將UHPC 抗壓強度的最低值根據(jù)其圓柱體軸心抗壓強度值，設置為120MPa 和130MPa 較為合適。UHPC的適當最低強度有助于調(diào)整材料成分，可以有效減少施工難度和項目成本，提高UHPC 的競爭力，并將大大降低UHPC 的推廣難度，并增加其應用范圍。

2 超高性能混凝土結(jié)構的配合比設計

UHPC 的架構強度與孔結(jié)構息息相關，其組成材料的高堆積密度與否是使其是否具備超高性能的重中之重。因此，UHPC的架構設計配合比提高其致密性的關鍵，所以，主要的做法有：優(yōu)質(zhì)的原材料、優(yōu)化原材料孔結(jié)構、摻入合適的纖維、改良混合方法。通過理論與實際，來自全球范圍內(nèi)的各國工程師進行了研究和設計。LISA 軟件由Norwegian Elkem 編譯設計，基于最大堆積密度的顆粒包裹理論模型，通過計算每種原材料的粒徑設計出最佳的材料成分比，進而使這些原材料的比值最大化的與最大堆積密度理論值接近。除此之外，相關研究[2]通過線性堆積密度模型設計了水泥漿與混凝土的最佳比例，根據(jù)這一模型設計，可以將其強度達到最大值，236MPa。再后來，可壓縮堆棧模型問世，也就是借助CPM模型優(yōu)化與設計活性粉末混凝土。通過納米技術的不斷發(fā)展以及對UHPC 更高機械性能和耐用性的追求，UHPC 已采用了許多納米材料（納米二氧化硅、玻璃粉、超細粉煤灰、超細礦物粉）以實現(xiàn)卓越的新性能。通過分析研究，小顆粒混凝土表面會產(chǎn)生相互作用力，不僅會影響其堆積密度，還會改變顆粒的物理堆積狀態(tài)，例如電荷的分部、空間作用力力以及范德華力。因此，原始的UHPC 顆粒堆積模型不但不能滿足實驗和生產(chǎn)需求，更不能預測納米顆?；旌衔锏奈锢矶逊e狀態(tài)，故不能確定其性能的優(yōu)良。當前的UHPC 混合比和設計基于某些堆積模型的經(jīng)驗，并且是半經(jīng)驗性的，但是混合比設計沒有改變。

3 UHPC 結(jié)構的設計制備技術

“固化成型”是原始制備UHPC 的必要步驟，較為麻煩與不便。固化要求較高的工藝與超高要求，且制備復雜，嚴格要求在熱蒸汽的環(huán)境中進行。因此，要使其適合于常規(guī)工藝和能在實際應用中進行UHPC 制備，具有價格昂貴以及難以推廣的特點[3]。在生產(chǎn)超高強度混凝土時，應用通用的方法和工藝，并且要易于獲得原材料、成本低廉，需要充分利用優(yōu)異性能的普通水泥混凝土的簡單過程，從而開發(fā)并制備出具備物理、流體、耐用的超高性能混凝土。因此，我們設計和研究了兩種均包含鋼纖維施工方法：干- 濕，濕- 干，但是這兩種包含鋼纖維施工方法也存在某些缺陷，例如膠結(jié)材料的破裂、分散劑和減水劑混合不均勻等問題。針對這些實際存在的問題，我們設計了一種UHPCC 的新型成型工藝設計方法，圖1 顯示了處理流程。制造過程中的供應和混合步驟如下：①在不進行預潤濕和干燥的情況下，將相應的水泥、細集料（或鋼纖維棉）添加到混合機中，開機攪拌約2 小時；②關機，添加適量經(jīng)過過濾的石英砂，開機攪拌約1 小時；③關機，加水和適量的減水劑，開機攪拌；④持續(xù)攪拌約4 小時，直至均勻；⑤關機，加入一半鋼纖維，開機攪拌30秒，然后再加入另一半，將鋼纖維全部包裹在漿液中并均勻分布繼續(xù)攪拌直至攪拌時間約為30 秒（如果可以在攪拌的同時加入鋼纖維攪拌機根據(jù)實際情況運行）。研究結(jié)果和工程實例表明，如果在UHPC 的制備與生產(chǎn)中，僅通過常規(guī)的制造材料和工藝，并且不采用“固化成型”，可以在一定程度上大大降低UHPC 的生產(chǎn)成本。然而，當應用UHPC 時，混合困難并且澆筑困難，因此UHPC 的制備和應用需要高效的強制混合器以減少攪拌時間和泡沫體積。因此，為確保UHPC 的致密性和均勻性，有必要進一步研究合適的施工技術和工藝。

圖1 UHPCC 的新型成型工藝設計流程圖

4 結(jié)論

綜上所述，為了使UHPC 更加符合社會的發(fā)展以及建筑行業(yè)的施工需求，可以在確保UHPC 高強度的同時，多吸收和借鑒原始生產(chǎn)技術與制造設備，設計和研究更加適合現(xiàn)場制備與澆筑的工藝技術，不僅可以更方便建筑現(xiàn)場，還可以更加有利于走可持續(xù)之路，促進社會進步。