超高性能混凝土（UHPC）知識問答

1、超高性能混凝土有明確的定義嗎？

有，且比較清晰明確，但還沒有形成國際上 統一的定義。超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC），因為一般需摻入短切鋼纖維或聚合物纖維，也被稱作超高性能纖維增強混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，簡稱UHPFRC）。UHPC不同于傳統的高 強混凝土（HSC）和鋼纖維混凝土（SFRC），也不是傳統意義“高性能混凝土（HPC）”的高強化，而是性能指標明確的新品種水泥基結構工程材料， 較有代表性的定義和需要具備的特性如下：

● 是一種組成材料顆粒的級配達到最佳的水泥基復合材料；

● 水膠比小于0.25，含有較高比例的微細短 鋼纖維增強材料；

● 抗壓強度不低于150MPa；具有受拉狀態的韌性，開裂后仍保持抗拉強度不低于5MPa（法國要求7MPa）；

● 內部具有不連通孔結構，有很高抵抗氣、 液體浸入的能力，與傳統混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅度提高。

2、超高性能混凝土與活性粉末混凝土有什么差異？

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete， 簡稱RPC）是UHPC中的一個產品名稱。

商業化生產供應的UHPC產品均為專利配方產品，有獨自的名稱或商標。最早的UHPC專利是丹麥H.H. Bache在1979年申請的，20世紀80 年代他所在公司注冊商業化產品商標為Densit?， 至今仍由Densit公司使用和營銷。到上世紀90年代，法國出現多個UHPC產品品牌，包括RPC、 Ductal、BSI、CEMTEC、BCV等，其中Ductal? 是拉 法基公司的產品商標，RPC則是Bouygues公司產 品名稱。

有關RPC的研發、性能介紹和宣傳較多，知名度相對較高。1999年清華大學教授覃維祖等 發表文章“一種超高性能混凝土－活性粉末混凝 土”，最早以“活性粉末混凝土（RPC）”名稱介紹 UHPC，并與其研究生曹峰進行試驗研究，實現了 RPC相同的力學性質；北京科技大學教授劉娟紅和北京建筑大學教授宋少民在2013出版編著的 《活性粉末混凝土》中系統介紹了國內外有關研 究成果；2015年我國頒布了RPC的國標《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）。目前，RPC在中國還與UHPC并列使用。

1994年法國學者De Larrard等將這類新材料稱作UHPC（超高性能混凝土），由于該名稱沒 有商業色彩，而且能更好地表達這種水泥基材料或混凝土的優越性能，在國際上逐步被廣泛接受 和采用。其中，“超高性能”表達的是混凝土（或水泥基復合材料）同時具備“超高強”、“高韌性 “和“高耐久性”等優良性能特征，與“高性能混凝土（HPC）”內涵范圍不同。因此，UHPC并不是 HPC的延伸或高強化，而是具有新本構關系和結構壽命的水泥基工程材料。

3、超高性能混凝土到底是混凝土還是砂漿？

傳統上，混凝土和砂漿是以最大骨料粒徑來劃分的。最大骨料粒徑超過5mm（或4.75mm）即含有粗骨料，是混凝土，否則是砂漿。有的UHPC 使用粗骨料，有的不使用粗骨料，所以UHPC既可以是混凝土，也可以是砂漿。但是從廣義上說，我國普遍稱之為混凝土骨料的aggregate（亦譯成集料）除砂石等粗、細骨料外，還可以是各種纖維和例如加氣混凝土中的氣泡等，所以把砂漿叫做混凝土，并無可非議。

最早的UHPC（丹麥Densit?）最大骨料粒徑 16mm。法國研發RPC時提出，為了提高材料的勻質性，不使用粗骨料，所使用細骨料的最大粒徑小于0.6mm。但是，使用粗骨料的UHPC在某些方面性能更好，如收縮小、耐磨性好等，而且攪拌的均勻性也更好。目前實際應用的UHPC，最大骨料粒徑大多在2mm~8mm。應根據UHPC用途、成本或特殊性能要求，確定UHPC適宜的最大骨料 粒徑。

4、超高性能混凝土具有什么性能特點？

UHPC的性能特點可以用“超高強、高韌性和 高耐久性”來概括。

“超高強”指UHPC可實現水泥基材料強度 （抗壓、抗拉、抗彎、抗剪、抗沖擊等強度）跨越式的提高，更重要的是UHPC能夠有效利用 鋼纖維的強度及其與膠凝材料漿體的緊密粘接來實現拉伸的“應變硬化”行為（如圖1所示，類似鋼材的“屈服”），有較大的變形能力；鋼纖維體積摻量1%~2%的UHPC就能跨入韌性材料的行列（見表1，斷裂能超過1000N/m的材料被劃分為韌性材料）。UHPC可大幅度提高鋼在混凝 土中的強度利用效率，形成混凝土、鋼纖維、鋼筋更加協調的鋼-混凝土復合的新模式，實現混凝土結構的輕質高強和高韌性。此外，還可制備具有優良耐磨、抗沖擊、抗爆和耐高溫等性能的UHPC。

在無裂縫的狀態下，UHPC的氣體、液體滲透性非常低；而在高應變和微裂縫狀態下，UHPC的滲透性也能夠保持在很低的水平，而微裂縫還具備良好的自愈合能力，因此UHPC結構擁有高耐久性的潛力，已得到迄今15年惡劣環境暴露試驗的證實。UHPC的耐久、耐候性能遠遠超越其他結構工程材料（鋼材、鋁材、塑料等）。

5、超高性能混凝土的強度比鋼材強度還高嗎？

沒有。UHPC是纖維增強增韌的水泥基復合材料，還可以進一步用鋼筋增強。與其他材料相比，需要明確UHPC的增強增韌狀態：

● 混凝土材料的抗拉強度與抗壓強度的比值 （以下簡稱拉壓比）隨其抗壓強度的增長而幾乎呈直線下降。C10混凝土拉壓比約為1/10，C80的則可下降到約1/18。UHPC基體（未摻用鋼纖維 時）即超高強混凝土，脆性非常大（因材料抗拉 強度/抗壓強度比值很低而使構件延性比很低）， 無法與韌性材料如鋼材相比。

● 隨鋼纖維強度提高、摻量增大和尺寸、形狀優化，以及基體強度的提高，UHPC成為韌性 或高韌性材料，抗拉強度大幅度提高（遠遠高于其他的各種水泥基材料，如圖1所示），但比鋼材抗拉強度還是要低約一個數量級（見表1 中對比）。

● 鋼筋增強UHPC（也被稱作CRC、HRUHPC 或R-UHPFRC），以及預應力高強鋼筋UHPC的抗拉、抗彎強度可比傳統高強鋼筋混凝土的高出2個數量級，比較接近高強韌性鋼材的強度（見表1 和圖2中對比）。需要注意的是，UHPC作為復合材料或結構達到如此高強度，依靠的是鋼材—鋼纖維和鋼筋的強度，因此，UHPC的本征強度不可能超過鋼材。

與鋼材相比，UHPC在強度方面并沒有優勢， 其優勢主要是與傳統的鋼筋混凝土或鋼纖維增強的鋼筋混凝土相比，因表觀密度（容重）相對較低，使構件比強度（強度/質量比）和比剛度（剛 度/質量比）可以達到并超過鋼材的水平（見表1中對比），而且因具有一定的應變硬化的能力，可大大提高構件的延性比，適合建造輕質高強、高韌性的結構。

6、超高性能混凝土的最高強度有多少？

目前，研究報告所獲得的最高抗壓強度是 810MPa（即RPC800，使用短鋼纖維和鋼骨料， 50MPa壓力壓制成型試件，并采用250℃~400℃高溫高壓養護）。

UHPC獲得超高強度的先決條件是獲得高 密實度的基體混凝土（或砂漿）。按照丹麥H.H. Bache發展的DSP（Densified System with ultrafine Particles）理論，即：用充分分散的超細顆粒 （硅灰）填充在水泥顆粒堆積體系的空隙中，可以實現膠凝材料體系顆粒堆積致密化和非常低水膠比，從而使UHPC基體混凝土或砂漿具備 超高抗壓強度。使用優化的鋼纖維提高抗壓、 抗拉強度和韌性。依靠機械性壓力壓實，采用常壓或高壓熱養護，可以進一步提高UHPC密實度和強度。

如 今，常用 UHPC 抗壓強度在 1 5 0 MPa ~250MPa范圍。在此范圍，采用常規的強制式攪 拌、密實方法（自密實或振動）成型和養護（常溫保濕或常壓蒸汽養護），就能夠進行現澆和預制應用。UHPC的抗壓強度通常只有質量指標的意 義，因為在結構應用中，主要關注的是UHPC抗拉或抗彎強度以及應變硬化。需要根據應用場合， 選用適宜的纖維品種和摻量，實現要求的UHPC 抗拉或抗彎強度；配置鋼筋或預應力技術，實現 UHPC結構的輕質高強。

7、超高性能混凝土現在有哪些工程應用？應用的目的？

在世界范圍，UHPC已經有很多工程應用， 包括：

● 橋梁：人行天橋（1997年最早的UHPC結構 應用）、公路和鐵路橋的多種橋梁結構，用于提 高橋梁跨徑或減小橋梁高/跨比、實現橋梁快速施工和提高橋梁耐久性與壽命。

● 橋面板：解決橋面板受凍融和除冰鹽作用劣化快的難題，提高耐久性、快速施工。

● 結構連接：預制混凝土橋面板、風電鋼塔筒等灌縫連接，實現高強度結構連接。

● 維修加固：橋梁和建筑的梁板柱、燈塔、道路路面、水工沖磨結構等，用于結構保護、功能恢復，或結構加固、提高結構承載能力，延長結構使用壽命。

● 房屋建筑：薄壁陽臺與樓梯、鏤空幕墻等， 用于輕巧美觀結構，或承載、功能和裝飾一體的結構。

● 污水設施：污水管道、污水處理廠設施，降低維護維修費用，提高使用壽命或替代不銹鋼降 低建造成本。

● 街具、家具：城市雕塑、街具、家具等，造型優美、耐久耐用。

● 蓋板：高鐵電纜溝蓋板（中國的主 要應 用），減小重量、高耐久性。

● 某些替代鑄鐵鑄鋼產品：鉆孔樁鉆頭、檢查井蓋、雨水篦子等，降低成本、提高使用壽命。

● 抗爆、抗侵入結構：軍事工程、銀行金庫等，提高安全性等等。

8、超高性能混凝土結構的優缺點有哪些？

與高強和高性能混凝土（HSC/HPC）結構對比：從表觀密度比較，UHPC的稍高。UHPC似乎 不能算是“輕質材料”。然而，在力學性能方面， UHPC大幅度超越了HSC/HPC，從強度／質量比 （比強度）和剛度／質量比（比剛度）以及可建造 的輕質高強結構來分析對比，UHPC應歸入“輕 質高強”材料。UHPC適合于建造“細、薄、巧、 輕”的混凝土結構，改變了混凝土結構“肥梁胖 柱”的面貌。在耐久性方面，UHPC也比HPC有了長足的進步。從理論上和目前試驗結果分析， 在大多數惡劣自然環境中，UHPC的結構壽命預 期是HPC結構壽命的至少2倍以上。在海洋環境中，UHPC結構的工作壽命超過200年是完全可能的。

與鋼結構對比：在比強度和比剛度上，鋼筋 UHPC（CRC、HRUHPC或R-UHPFRC）梁能夠達到鋼梁的水平（參考表1和圖2）。在耐久與耐火性 能方面，UHPC結構則具有顯著優勢。

UHPC結構的缺點：UHPC材料制備成本相對 較高，結構設計和施工相對復雜，目前應用技術 發展的成熟程度還較低。在性能上，相應于很高的抗壓強度，UHPC的彈性模量與鋼材的相差很遠，碳素鋼的彈性模量約為210GPa，而UHPC彈性模量只有50GPa～60GPa。此外，必須要注意到很低的水膠比造成較大的自收縮?，F在已有人在研究解決此問題的技術。

9、超高性能混凝土容易配制嗎？

配制出UHPC不難，但工業化生產制備性能優良、穩定的UHPC并不容易。

UHPC制備理論經歷了近40年發展，已經比較成熟，遵循的基本原則是使基體密實度最大化?，F在，配制UHPC的技術途徑和使用材料呈現多樣化發展，除了水泥和硅灰外，應用或研究的礦物原材料包括納米二氧化硅、納米碳酸鈣、納米碳管、磨細或分選超細粉煤灰、超細礦粉、超細水泥、稻殼灰、偏高嶺土、石英 粉、玻璃粉，等等。因為原材料質量和性能要求較高、原材料種類增多以及使用纖維等，UHPC材料性能的影響因素多元和復雜，增加了生產質量控制的難度。

10、超高性能混凝土工程應用的瓶頸在哪？會廣泛應用嗎？

瓶頸在于還比較缺乏設計方法和規范，缺乏施工經驗以及材料成本較高。

作為新型工程結構材料，需要新建立UHPC 的本構關系、設計方法和規范，作為應用的指導。至今，許多國家“設計規范”的瓶頸正逐步 被突破，法國、日本和韓國已有UHPC設計指南可以作為結構設計依據，有些國家和國際組織 （fib、ACI等）的規范或指南已經在起草或完善階段?，F澆施工、構件與產品預制技術，相關專 用生產、施工設備或機具，還處于開發或改進完善階段。隨著應用增多，預計施工與裝備技術會快速進步。

在UHPC的材料成本構成中，鋼纖維所占的比重最大，達到UHPC總材料成本的一半以上；基體材料包括膠凝材料（水泥、硅灰等）、減水劑和骨料則屬于通用的優質材料，雖需要“精挑細選”，成本也高，但高得有限。因此，提高纖 維的增強增韌效率，是降低UHPC材料成本的 關鍵?，F在UHPC應用規模較小，也是其成本較高的原因。隨著應用規模的增大，UHPC的原材料，特別是纖維的大規模工業化生產和充分的市場競爭，價格有望顯著降低，使UHPC的成本降低。

與普通、高強 / 高性能混凝土相比，由于 UHPC制備、施工技術的復雜性和較高的成本，決定了UHPC不會是普遍適用的工程材料，而是現代工程材料的有益補充，是用于解決工程中遇到的難題，建造性能更好、更美觀的工程結構。然而，UHPC的價值和潛力，現在還遠遠沒有得到 充分挖掘和有效利用，還面臨巨大的發展空間。UHPC的價值將體現在：

● 用于創新輕質高強韌性混凝土結構；在一些場合，降低結構或工程的綜合建造成本；

● 建造超高耐久性和超長工作壽命的工程結構，低養護維修費用，獲得比傳統結構低的壽命周期成本（LCC，Life Cycle Cost）；

● 應用UHPC建造的結構，具有顯著的節材、 節能和減排效果，有利于可持續發展。決定了UHPC不會是普遍適用的工程材料，而是現代工程材料的有益補充，是用于解決工程中遇到的難題，建造性能更好、更美觀的工程結構。然而，UHPC的價值和潛力，現在還遠遠沒有得到充分挖掘和有效利用，還面臨巨大的發展空間。UHPC的價值將體現在：

● 用于創新輕質高強韌性混凝土結構；在一些場合，降低結構或工程的綜合建造成本；

● 建造超高耐久性和超長工作壽命的工程結構，低養護維修費用，獲得比傳統結構低的壽命周期成本（LCC，Life Cycle Cost）；

● 應用UHPC建造的結構，具有顯著的節材、 節能和減排效果，有利于可持續發展。

11、UHPC的高耐久性與“高強不一定耐久”是否形成悖論？

傳統的混凝土“高強不一定耐久”的原因主要是抗壓強度越高，抗拉強度與抗壓強度的比值越低，則開裂敏感性越高，在混凝土結構服役期間，長期大氣溫、濕度交替變化作用會促使不可見裂縫的開展而變得可見，進而使空氣和水進入，促使鋼筋銹蝕，結構劣化。在服役期間這 樣的裂縫主要是干燥收縮裂縫。在一定的漿骨 比下，影響干燥收縮大小的因素主要是水膠比。UHPC的水膠比很低，一般不大于0.2，則其干縮值就很低，而且，水化進行到一定程度后，其密實的結構則有效阻止內部水分的損失，90天的干縮值約為80×10-6~170×10-6 。因此，這個因素在 UHPC中應當不存在。

混凝土總的收縮值中包括失水引起的干燥 收縮和當體積較大而硬化后內部與外部環境難 以進行水分交換時因繼續水化消耗毛細孔中的水 而產生的自干燥收縮（簡稱自收縮）。如圖3所示， 在水膠比較大時（例如大于0.3），這兩種收縮之和值與水膠比基本上沒有關系。水膠比越低，自收縮越大，而干縮越大。當水膠比很低時（例如 小于0.3），盡管干縮減小，而自收縮值卻隨水膠比的降低而增長迅速，則二者疊加的總收縮值不再是常量，而是隨之增大。但是UHPC中的鋼纖維應當對裂縫有限制和分散的作用。這方面的研 究工作還需要進一步加強。目前UHPC在結構工 程中的應用還不足20年，尚需經過更長時間的考驗，例如30年、50年。