第1章 超高性能混凝土的基本性能及其在桥梁工程中的应用
1.1 超高性能混凝土的概念
超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)被认为是过去30年中*具创新的水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性。根据定义，UHPC一般是指抗压强度在120MPa 以上、具有超长耐久性的水泥基复合材料。目前世界上已有法国和中国颁布了UHPC材料或结构规范，澳大利亚、日本、美国、瑞士等国家则颁布了相关设计指南。UHPC的发展可以分为以下四个阶段。
(1)20世纪80年代以前，在这一阶段，受技术限制，只能通过一些特殊手段来提高混凝土的致密性和强度。当时主要通过真空拌合和高温养护，可获得抗压强度达510MPa 的混凝土[1]。虽然这种混凝土具有高抗压强度，但韧性很差，且制作过程的能耗较高，难以应用于实际工程。
(2)20世纪80年代，研发了MDF(micro-defect-free cement)[2;3]，这种材料由水泥和特制的聚合物组成。MDF的抗压强度可超过200MPa，但是由于原材料昂贵且制作过程复杂，MDF的工程应用极少。随后，丹麦学者Bache 研发成功DSP(densify system containing homogenously arranged ultrafine particles)[4;5]，这种材料中加入了超塑化剂和硅灰。DSP的抗压强度可以达到345MPa，但材料很脆，因此，往往通过掺入钢纤维来改善其韧性，衍生出两个典型的例子，即密实增强复合材料(compact reinforced composite，CRC)[5]和水泥砂浆注浆钢纤维混凝土(slurry infiltrated fiber concrete，SIFCON)[6]。这两种材料表现出优异的力学性能和耐久性，但施工和易性较差，因此工程应用同样不多。
(3)20世纪90年代，活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)被研发成功[7]，RPC 是以DSP为胶凝材料，配以较小粒径、间断级配的石英砂和钢纤维所组成。抗压强度可达200～800MPa，具有良好的施工和易性，便于在实际工程中应用。同年，法国Larrard 等[8]首次将基于DSP配制而成的混凝土材料统称为UHPC，此后这一概念被广泛采用。目前国际上报道的UHPC，通常就是RPC。1997年，世界上首座RPC 结构——位于加拿大的Sherbrooke 市的人行桥建成[9]。
(4)2000年以后，UHPC得到快速发展，性能不断改进，组分也不断优化。现在UHPC中往往加入粉煤灰等掺合料，可以代替一部分水泥，从而降低水泥用量。UHPC的价格也逐渐降低，应用越来越广泛。可以预见，在未来的土木工程领域，UHPC将具有更大的优势和更广阔的的应用空间。
1.2 超高性能混凝土的力学性能
1.2.1 抗压性能
1.2.1.1 概述
早在1993年[7]，法国学者Richard 等研发了RPC，这是一种*常见的UHPC。按照抗压强度划分，RPC 分为200MPa 和800MPa 两个等级(表1.1)，目前RPC的*高抗压强度达到了810MPa。
表1.1 RPC200和RPC800的主要特点和力学性能
研究表明[7]，UHPC的抗压强度不仅与材料组分有关，还与养护制度密切相关。当采用常温自然养护或蒸汽养护(一般为90℃)时，UHPC的抗压强度多为120～230MPa；当浇筑后预压成型并终凝后蒸压养护(一般为175～250)时，其抗压强度可达250～400MPa；当以钢砂作为细骨料，施以预压成型和高温热养护(250～400)时，其抗压强度可达650MPa 以上。
同样是水泥基复合材料，为什么普通混凝土的抗压强度仅约为20～50MPa，而UHPC的抗压强度可达120～230MPa，甚至是810MPa？这与UHPC的配制机理有关。在水泥基复合材料中，水泥基体和骨料间存在界面过渡区(interfacial transitionzone，ITZ)，成为受力的短板。普通混凝土中水胶比较高(0.4～0.7)，且粗骨料体积占比可达75％，使得ITZ 中孔隙率高、氢氧化钙(CH)含量高，受力时成为*薄弱的环节，导致抗压强度难以突破。而UHPC基于*大堆积密度配制，剔除了粗骨料，各组分间相互填充，且水胶比较低(一般为0.16～0.2)，降低了ITZ 中的孔隙尺寸和孔隙率；同时，所掺入的如硅灰等矿物掺合料可与CH 进行火山灰反应，形成水化硅酸钙(C-S-H)，使得ITZ 如同水泥基体一样致密。这些措施提高了材料的致密性(图1.1)，受力时具有更好的均一性，这也是UHPC具有高强度和高耐久性的根本原因。
图1.1 细观形貌对比
UHPC(左)、普通混凝土(右)
1.2.1.2 抗压强度的主要影响因素
1.材料组分
UHPC按*大堆积密度原理配制，主要由水泥、细骨料、硅灰、石英粉、减水剂、钢纤维和水等组成，材料组分对UHPC的抗压强度有显著影响。
1)细骨料
UHPC的抗压强度与细骨料的强度密切相关。因此，若要提高UHPC的抗压强度，必须选用高强细骨料。常规UHPC一般以细石英砂作为细骨料，此时UHPC的抗压强度多为120～230MPa。丹麦学者Bache 以煅烧的铝矾土或精选的玄武岩作为细骨料，配制出了抗压强度为140～400MPa 的UHPC；法国学者Richard 等以细钢砂作为细骨料，浇筑后采用预压成型，并终凝后进行250～400℃高温热养护，使得UHPC的抗压强度高达650～810MPa。
2)钢纤维
钢纤维对UHPC的抗压强度提高有限，但对其变形和破坏模式影响显著。不含钢纤维UHPC的受压破坏过程具有突然性，甚至呈爆炸性；而适量掺入钢纤维后，UHPC的破坏过程变得缓和，无严重的切口、剥离等脆性破坏现象。同时，含钢纤维UHPC的受压应力-应变曲线具有明显的下降段，伴随着短而细的裂缝，且裂缝不连贯，而引起这些效果的根本原因是钢纤维的桥接作用提高了UHPC的横向变形能力。
当UHPC钢纤维含量较低时，受压试件的裂缝主要呈竖向分布，且裂缝数量较少；当UHPC钢纤维含量较高时，裂缝主要沿对角斜向分布，且试件破坏时的应变更高。图1.2对比了不同钢纤维含量下UHPC受压破坏时的照片。
图1.2 UHPC的受压破坏形态
3)水胶比
水泥基复合材料一般通过水胶比来衡量用水量，这里的“胶”是指胶凝材料(包括水泥、硅灰和其他超细火山灰掺合料)。总体而言，水胶比越低，水泥基复合材料的抗压强度越高(图1.3)，原因是水泥基体-骨料界面过渡区的孔隙数量减少，提高了材料受力时的均一性。UHPC的水胶比一般为0.16～0.2，远低于普通混凝土(0.4～0.7)。由于组分级配合理，且水胶比低，UHPC内部孔隙细小且不连通，提高了材料的致密性，从而改善了其力学性能和耐久性[10]。
图1.3 不同水胶比下水泥基复合材料的抗压强度
由于水胶比低，即使达到强度后，UHPC中也有相当一部分的水泥未水化。研究表明，当水胶比为0.2时，约有74％的水泥未水化，这部分水泥充当填料，进一步提高了材料的致密度。在使用过程中，未水化的水泥会继续水化，使得UHPC的抗压强度持续增加。Toutlemonde 等[11]通过对世界首座UHPC公路桥(位于法国Bourg-Lμes-Valence 的OA4和OA6桥，修建于2000年)钻芯取样测试了UHPC的抗压强度，结果发现，UHPC在12年后的抗压强度比28天时的抗压强度增加了20％。无独有偶，Kono 等[12]基于日本首座UHPC桥——Sakata-Mirai 人行桥(修建于2002年)，对通过实桥钻芯获取的试件和建桥时同期制作的、置于实桥环境中的试件进行定期测试。试验结果表明，UHPC的抗压强度在10年间持续增长(图1.4)，同时，这些试件的氯离子扩散系数低于试验时在实验室准备的试件。
图1.4 UHPC在长期运营中的抗压强度增长现象
此外，由于UHPC未完全水化，开裂后这部分水泥可以继续水化，使得UHPC表现出良好的自愈合能力。
4)养护制度
UHPC的力学性能和耐久性均与养护制度密切相关。一般而言，UHPC有自然养护、蒸汽养护、蒸压养护和高温热养护等四种养护方法(图1.5)。从UHPC的抗压强度角度来看，这四种养护方法的效果依次为：高温热养护>蒸压养护>蒸汽养护>自然养护。
自然养护是指UHPC浇筑后置于自然环境中养护28天。在这种养护条件下，UHPC组分的反应活性较弱，强度发展缓慢，且水化反应和火山灰反应形成的C-S-H 链较短，但是当养护时间合理延长时，其抗压强度仍然可达200MPa。
图1.5 UHPC的四种养护方法示意
蒸汽养护是指UHPC浇筑完成并终凝后，以90℃的水蒸气(也可采用热水)进行养护，一般持续48h。蒸汽养护可以加速水泥的水化反应，使得强度迅速发展，并能够提高硅灰等掺合料的火山灰活性，产生额外的硅酸钙水化物，延长C-S-H 链的长度，以填充细微空隙，进一步提高力学性能。与自然养护相比，90℃蒸汽养护可将UHPC的抗压强度平均提高约20％～40％。研究还表明，蒸汽养护的开始时间对UHPC的抗压强度影响不大，利用这一特性，可以对不同时段浇筑的UHPC进行统一养护，以节约施工成本。此外，蒸汽养护还可以使收缩变形在养护期间基本完成，并显著降低徐变系数，从而改善UHPC的长期性能。
蒸压养护是指在UHPC终凝后以175～250℃的水蒸气进行养护，一般持续4～8h。这种养护方法可以让UHPC的抗压强度迅速发展，4～8h 内可达200MPa。同时，蒸压养护可提高水泥基体-钢纤维间的黏结强度，进一步改善UHPC的受力。但应该认识到，对于每一个蒸汽压力和温度，存在一个临界蒸压时间，蒸压时间过长，反而会使得UHPC的力学性能有所下降。
高温热养护是指在终凝后对UHPC进行250～400℃的高温养护，但不通入水蒸气，换言之，这种养护方式仅加温不保湿。当高温热养护温度超过250℃时，使得C-S-H脱水，形成一种新的晶体水化产物——硬硅钙石，有助于进一步提高UHPC的抗压强度。目前以高温热养护制备的UHPC的抗压强度*高。Richard等研发
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