媲美结构钢性能的混凝土——超高性能混凝土UHPC

超高性能商品混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，是过去三十年中最具创新性的水泥堪工程材料，实现工程材料性能的大跨越。

较成功的有活性粉末混凝土 (RPC. Reactive Powder concrete)、注浆纤维混凝土(SIFCON，Slurry Impregnated Fiber Reinforced Concrete)与压密配筋复合材料(CRC，Compacted Reinforced Composite).
“超高性能混凝土”特点是高强度、高密实性，以大量纤维增强来克服商品混凝土材料的脆性，利用假韧性来防止混凝土的突然断裂。


       “超高性能混凝土”包含两个方面‘超高’——超高的耐久性和超高的力学性能(详见表1－普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土的性能对比)：

表1：普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能对比

	普通混凝土NSC	高性能混凝土HPC	超高性能混凝土UHPC
抗压强度(MPa)	20-40	40-96	120-180
水胶比	0.40-0.70	0.24-0.35	0.14-0.27
圆柱劈裂抗拉强度(MPa)	2.5-2.8	--	4.5-24
最大骨料粒经(mm)	19-25	9.5-13	0.4-0.6
孔隙率	20-25%	10-15%	2-6%
孔尺寸(mm)	--	--	0.000015
韧性	--	--	比NSC大250倍
断裂能(kN·m/m)	0.1-15	--	10-40
弹性模量(GPa)	14-41	31-55	37-55
断裂模量(第一条裂缝)(MPa)	2.8-4.1	5.5-8.3	7.5-15
极限抗弯强度(MPa)			18-35
透气性k(24小时40C)(mm)	3x10	0	0
吸水率	<10%	<6%	<5%
氯离子扩散系数(稳定状态扩散)(mm2/s)	--	--	<2x10e-12
二氧化碳/硫酸盐渗透	--	--	--
抗冻融性能	10%耐久	90%耐久	100%耐久
抗表面剥蚀性能	表面剥蚀量>1	表面剥蚀量0.08	表面剥蚀量0.01
泊松比	0.11-0.21	--	0.19-0.24
徐变系数，Cu	2.35	1.6-1.9	0.2-1.2
收缩	--	--	--
流动性(工作性)(mm)	测量坍落度	测量坍落度	测量坍落度
含气量	4-8%	2-4%	2-4%

超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论(densified particle packing)，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒(骨料)堆积的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰、矿粉)填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充。早在1931年，Andressen就建立了最大堆积密度理论的数学模型。然而，直到上世纪七十年代末，在高效减水剂技术与产品性能大幅度提高的基础上，采用该模型设计配制的第一代超高性能混凝土才在丹麦奥尔堡Cement og Beton Laboratiet(水泥与混凝土试验室)诞生，称作CRC(Compact Reinforced Composite，密实增强复合材料)。CRC与目前的UHPC达到基本相同的力学性能，最高抗压强度超过400MPa，使用烧结铝矾土作骨料，同时使用钢纤维提高材料的韧性，所以称作“复合材料”。受到当时高效减水剂性能的限制，CRC或早期UHPC比较粘滞，振捣密实较困难，还不便于现浇应用。上世纪九十年代，欧洲开展了合作研究项目，世界各地也广泛开展相关研究，这种材料获得一个新名称“活性粉末混凝土，简称RPC”。“超高性能混凝土UHPC”的名称形成于本世纪，因为与早期的CRC或RPC相比，随着设计理论的完善、超高效减水剂(聚羧酸系)问世和配制技术的进步，这种材料已具备了普通混凝土的施工性能，甚至可以实现自密实，可以常温养护，已经具备广泛应用的条件。

UHPC与普通混凝土或高性能混凝土不同的方面包括：不使用粗骨料，必须使用硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)，水泥用量较大，水胶比很低。UHPC的组成见表2。

表2：超高性能混凝土UHPC（钢纤维）基本组成

	kg/m3	重量百分含量%
水泥	700-1010	27.0-38.0
硅灰	230-320	8.5-9.5
磨细石英砂	0-230	0.0-8.0
细砂	760-1050	39.0-41.0
金属纤维	150-190	5.5-8.0
高效减水剂	15-25	0.5-1.0
水	155-210	5.5-8.0
水/胶凝材料比	0.14-0.27	--

UHPC堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的UHPC力学性能接近刚结构，同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构，以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。目前，UHPC已经在一些实际工程中应用，如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁(实例见表3)、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳，等等。可以预计，还会有越来越多的应用。

表3：法国第一座UHPC（钢纤维）公路桥梁混凝土组成和性能

组成材料	kg/m3	性能
水泥	1114	坍落流动度	630～640 mm
硅灰	169	28d 特征抗压强度(fck)	175 MPa
0-6mm骨料	1072	28d 特征抗拉强度(ftk)	8 MPa
纤维： 0.3mm直径x20mm长	234	28d 特征裂后抗拉强度	9.1 MPa
高效减水剂	40	弹性模量	64 GPa
水	209	比重	2800 kg/m
水/胶凝材料比	0.19

参考文献：3rd International Symposium on HPC Proceedings: October 19-22, 2003 in Orlando, FL

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UHPC国内国外也研究了很多年，一直没有推开应用，除了价格还有其他因素吗？

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