劉瑜 LIU Yu；劉曉貝 LIU Xiao-bei；黃荊 HUANG Jing

（①北京世紀(jì)千府國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司，北京100089；②桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林541004）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁工程、地下結(jié)構(gòu)工程等現(xiàn)代工程向著壽命更長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)更高的方向發(fā)展，故對(duì)混凝土提出了更高的工作性能要求。1994 年，法國(guó)學(xué)者首次提出了 UHPC 的概念[3]，即超高密度（Ultra-High Performance Concrete）。UHPC 是基于最大堆積密度原理制備而成的，與傳統(tǒng)的混凝土相比，具有超高強(qiáng)度、高韌性延性、高耐久性等優(yōu)異性能[3]；此外，鋼纖維的加入對(duì)其整體強(qiáng)度的提升有較大影響[4]。基于以上優(yōu)異性能，UHPC 已廣泛應(yīng)用于大跨度特殊結(jié)構(gòu)、超高層建筑和橋涵隧道等工程領(lǐng)域，并且在市政工程、國(guó)防工程等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景[5]。鑒于此，筆者在UHPC 材料制備、力學(xué)性能、應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了介紹，為UHPC 的后續(xù)研究提供借鑒和參考。

1 制備過(guò)程

1.1 原料 水泥，普通硅酸鹽水泥P.O 42.5 級(jí)以上，試塊28d 強(qiáng)度要求達(dá)到42.5MPa 以上；石英砂，分別為細(xì)砂、中砂、粗砂；硅灰，主要成分為氧化鈣、二氧化硅，是由硅灰石礦石經(jīng)粉碎研磨制成；鋼纖維，長(zhǎng)徑比為30～100，纖維和砂漿之間的粘合就會(huì)增加；減水劑，起到對(duì)水泥顆粒拌合的分散作用，減少單位用水量，改善混凝土混合物的流動(dòng)性。

1.2 制備工藝 ①稱量一定量的細(xì)砂、中砂、粗砂攪拌5 分鐘；②加入水泥攪拌3 分鐘；③加入硅灰攪拌約10 分鐘，使其干粉料充分拌合均勻，制成UHPC 干粉料，干粉料拌合均勻后；④加入稱量好的鋼纖維，以避免鋼纖維結(jié)塊而導(dǎo)致分布不均勻的情況，待鋼纖維充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?；⑤加入配備好的水和減水劑，攪拌約10 分鐘直至拌合物具有較好的流動(dòng)性。其工藝流程見(jiàn)圖1。選用合適的配合料，采用最緊密堆積理論進(jìn)行了超高性能混凝土基體的配合比試驗(yàn)。

圖1 UHPC 制備工藝流程

參照GB/T50081-2019《混凝土物理性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]，分別按照齡期為7d 和28d 的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，抗壓試件分別采用立方體100mm*100mm*100mm、棱柱體100mm*100mm*300mm、圓柱體Φ100mm*100mm 的模具成型；抗折試件采用100mm*100mm*400mm 的模具成型，成型后將試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7d 和28d 后脫模，脫模后的試塊置于相同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至各齡期，并測(cè)其強(qiáng)度。

2 力學(xué)性能

2.1 鋼纖維摻量對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響

影響UHPC 強(qiáng)度的主要因素是其孔隙結(jié)構(gòu)，因此，降低孔隙率，提高密實(shí)度，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，是提高UHPC 性能的有效措施，而鋼纖維的摻入可以改善UHPC 的性能。因此本文主要研究鋼纖維摻量對(duì)UHPC 受力性能的影響。設(shè)置0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%共 7 組不同的鋼纖維體積摻量，研究不同鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC 工作性能和力學(xué)性能的影響。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維體積摻量不斷增加，UHPC 坍落度和擴(kuò)展度會(huì)不斷降低，這是因?yàn)殇摾w維在攪拌作用下互相搭接成結(jié)，在UHPC 基體中形成纖維網(wǎng)，體積摻量越大，鋼纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越密，其混合物間的摩擦力和阻力越大，工作性越差。綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)度要求等均要滿足工作性能，確定最佳鋼纖維體積摻量為2%。

觀察試塊抗壓破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的加入改變了混凝土的破壞形式，由常見(jiàn)的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐腫2]，UHPC 試塊破壞后有大量的裂紋產(chǎn)生，但仍保持完整狀態(tài)，說(shuō)明當(dāng)試塊出現(xiàn)裂縫后，鋼纖維和基體之間的粘接作用可以提供部分拉應(yīng)力。當(dāng)裂縫完全展開(kāi)，裂縫區(qū)基體會(huì)退出工作，則鋼纖維與基體之間的剪應(yīng)力來(lái)承擔(dān)全部的拉應(yīng)力，故若加入鋼纖維，基體的延性就會(huì)明顯提高。

2.2 基本力學(xué)性能分析

2.2.1 抗壓性能 抗壓強(qiáng)度作為UHPC 基本力學(xué)性能指標(biāo)之一，一直以來(lái)深受關(guān)注，本文選用了不同鋼纖維摻量的7 組試件進(jìn)行控制變量法研究，發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量逐漸增大，其抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；選用齡期為7d 的立方體試塊為例，其鋼纖維摻量-抗壓強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖2。由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量從1%增加到1.5%，抗壓強(qiáng)度增幅最大，并實(shí)測(cè)得到抗壓強(qiáng)度提高了38%。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 抗拉性能 測(cè)試UHPC 抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法主要有軸拉試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)[10]。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定彎拉試驗(yàn)應(yīng)采用100mm*100mm*400mm 的棱柱體試件[3]，加載方式為三分點(diǎn)加載，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作方便。國(guó)內(nèi)學(xué)者張哲[6]研究了鋼纖維含量和類型對(duì)摻混合鋼纖維UHPC的軸拉性能的影響，結(jié)果表明混合鋼纖維UHPC 呈現(xiàn)應(yīng)變硬化和多元開(kāi)裂的特性；隨著鋼纖維含量的增加，UHPC的可視開(kāi)裂應(yīng)變?cè)黾?，且摻入端勾型的鋼纖維的增強(qiáng)效率大于平直型鋼纖維。張陽(yáng)[4]等人通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)增加鋼纖維含量，試件彎拉韌性比增加，說(shuō)明試件開(kāi)裂后，增加UHPC 基體中鋼纖維體積含量，能夠提高其殘余應(yīng)力，阻礙了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，試件的變形減小，韌性增強(qiáng)。由此可見(jiàn)增加UHPC 鋼纖維體積含量，有利于增強(qiáng)UHPC 的彎拉性能。

3 應(yīng)用進(jìn)展

UHPC 憑其超高強(qiáng)度、超高耐久性等優(yōu)異性能，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域，與普通混凝土相比，UHPC 可以使施工工序簡(jiǎn)化，且可以在惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中提高建筑的使用壽命，使結(jié)構(gòu)具有更高安全性能的同時(shí)，降低了后期維護(hù)費(fèi)用，其全壽命周期的綜合成本更優(yōu)于普通混凝土?，F(xiàn)全球有約1000 座橋梁采用了UHPC 材料，大致分布情況見(jiàn)圖3。

圖3 UHPC 材料橋梁全球分布情況

3.1 UHPC 在國(guó)外的應(yīng)用進(jìn)展

加拿大于1997 年修建了世界上第一座UHPC 橋梁——舍布魯克人行橋，該橋的創(chuàng)新體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和材料上，其橋梁主體結(jié)構(gòu)為預(yù)制鋼管-超高性能混凝土桁架，節(jié)段內(nèi)未配置鋼筋，僅采用后張法拼接和節(jié)段預(yù)制工藝施工而成[5]。韓國(guó)于2002 年采用UHPC 建成了一座人行天橋，并對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了測(cè)試和分析，編寫(xiě)了關(guān)于UHPC 橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范，而后韓國(guó)自主建成了第一座UHPC 斜拉橋[5]。法國(guó)于2005 年最先采用了UHPC 橋面面板[5]，橋面不再鋪設(shè)瀝青混凝土和防水層，在很大程度上減輕了橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重。奧地利于2010 年建成了世界上第一座UHPC 公路拱橋——Wild 橋[8]，見(jiàn)圖4，該橋的結(jié)構(gòu)為并列的雙桁架拱，由預(yù)制正方形薄壁箱梁和接頭現(xiàn)場(chǎng)組裝而成。該橋充分利用了UHPC 材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，使拱橋結(jié)構(gòu)細(xì)巧，并具有優(yōu)美的造型。

圖4 Wild 橋雙桁架拱結(jié)構(gòu)

UHPC 除了在橋梁工程上的應(yīng)用，在建筑結(jié)構(gòu)上也開(kāi)拓了應(yīng)用空間，法國(guó)于1998 年率先在發(fā)電廠采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁，并開(kāi)始用UHPC 材料制作房屋構(gòu)件，如幕墻、屋蓋、外掛墻板等[5]。法國(guó)millau 高架收費(fèi)站也采用了UHPC材料[8]，板厚僅10 厘米，結(jié)構(gòu)飄逸美觀。

3.2 UHPC 在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)展

自1994 年在UHPC 提出不久后，中國(guó)在鐵道工程高鐵電纜槽蓋板領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用UHPC 材料。近十幾年來(lái)，我國(guó)高度關(guān)注UHPC 在工程中的應(yīng)用，在UHPC 的應(yīng)用上獲得了新的突破，主要集中在橋梁接縫澆筑、后期維修加固等方面[7]。UHPC 在我國(guó)首次規(guī)?；褂檬窃?005 年沈陽(yáng)工業(yè)廠房擴(kuò)建工程中，采用了C140 級(jí)UHPC 制作了329 件預(yù)制構(gòu)件，均為預(yù)應(yīng)力大體積構(gòu)件[7]。世界首座全預(yù)制拼裝UHPC 橋梁于2016 年在湖南長(zhǎng)沙竣工[7]，橋梁的厚度只有普通混凝土橋梁的三分之一，全橋僅有2 個(gè)橋墩，若用普通混凝土澆筑建造至少需要5 個(gè)。該橋梁先在工廠預(yù)制，然后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，僅用了10 小時(shí)拼裝搭建而成，中國(guó)工程院院士陳政清專家[7]見(jiàn)證了這座天橋的誕生，并評(píng)價(jià)道：“這座橋的竣工，在中國(guó)超高性能混凝土工程應(yīng)用領(lǐng)域是一個(gè)飛躍[7]。”

除用于制作預(yù)制構(gòu)件外，UHPC 現(xiàn)場(chǎng)澆筑技術(shù)也在不斷發(fā)展，其中應(yīng)用最為廣泛的是鋼橋中的鋼-UHPC 組合橋面板，邵旭東教授[9]團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的STC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，可徹底解決的世界性難題是鋼結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂。莫時(shí)旭教授[10]團(tuán)隊(duì)也對(duì)UHPC 部分充填混凝土窄幅鋼箱組合梁受力性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土開(kāi)裂以及鋼箱失穩(wěn)產(chǎn)生屈曲是此類結(jié)構(gòu)最終破壞的主要原因，因此提出使用UHPC 材料來(lái)代替普通混凝土受拉并在中支座區(qū)充填混凝土來(lái)提高鋼箱穩(wěn)定性，以此改善了混凝土在負(fù)彎矩區(qū)的開(kāi)裂問(wèn)題，并提高了組合結(jié)構(gòu)的受力性能。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

自20 世紀(jì)90 年代UHPC 誕生以來(lái)，發(fā)展了近20 年，從最初單純的追求超高強(qiáng)度，到后來(lái)兼顧工作性能，再到充分發(fā)揮耐久性等優(yōu)點(diǎn)達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)約成本，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。UHPC 除在橋梁工程被廣泛應(yīng)用外，在軍事工程、核電工程、海洋工程等方面也都有著廣闊的前景。經(jīng)濟(jì)性是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因，由于UHPC 中大量使用硅灰、石英砂、鋼纖維，其成本大約是普通混凝土價(jià)格的20 倍，因此在不降低UHPC 優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上尋求更低成本的集料、纖維是未來(lái)研究UHPC 材料的發(fā)展方向，所以UHPC 材料還有很大的進(jìn)步發(fā)展空間。