UHPC发展历程

        超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，是一种创新性极高的水泥基工程材料，具有优异的耐久性和超高的力学性能。其中以DSP为胶凝材料的超高性能混凝土，最早起源于丹麦的阿尔堡水泥公司，后由法国的拉法基公司发展和改进成活性粉末混凝土RPC，并向全世界推广。
        UHPC的“超高力学性能”主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维，可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa，断裂能达到20,000~40,000 N/m（钢纤维体积含量2%~12% ，详见表1），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料）。现在，使用异形，特别是扭转形高强钢纤维，可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外，高强高模的聚乙烯醇（PVA）纤维也用于UHPC的增强与增韧；聚乙烯（PP）纤维用于提高UHPC的耐火能力。

材料性能

        UHPC的“超高力学性能”主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短纤维来实现。早期使用直径0.15~0.4mm、长度6~12mm的平直光圆钢纤维，可将UHPC的抗拉强度提高到30MPa，断裂能达到1,500~40,000 N/m（钢纤维体积含量2%~12% ，详见表1），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料）。现在，使用异形，特别是扭转形高强钢纤维，可以进一步提高UHPC的抗拉强度、变形能力、韧性或断裂能。此外，高强高模的聚乙烯醇（PVA）纤维也用于UHPC的增强与增韧；聚乙烯（PP）纤维用于提高UHPC的耐火能力。
表1：材料性能对比

图1  单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力－应变特征与其它材料对比

        UHPC的抗压与抗拉强度大幅度超越其它水泥基材料。在变形能力方面，UHPC可以在相对低的纤维含量水平实现拉伸“应变硬化”行为，即单轴受拉经历弹性阶段，出现多微裂缝，纤维抗拉作用启动；随后拉应力上升，进入非弹性的应变硬化阶段（类似钢材的“屈服”）；达到开裂后最大拉应力（抗拉强度），出现个别裂缝在局部扩展，之后拉应力下降，进入软化阶段。“应变硬化”是韧性材料的重要特征，体现短纤维增强增韧效果“质”的变化，目前只有ECC（高延性水泥基复合材料）和UHPC可以实现“应变硬化”。普通和高强纤维混凝土（FRC、HSFRC）开裂即软化，纤维强度未能有效发挥，故提高韧性的作用有限。
        钢纤维增强增韧的UHPC，再与高强钢筋或钢绞线复合应用制作的梁（CRC或HRUHPC梁），抗弯承载能力接近钢梁的水平且抗弯行为相似（图2）。结合预应力技术，UHPC还有更大潜力用于建造大跨度或轻质高强、高韧的结构，至今已经发展出多种桥梁结构。

图2  UHPC梁、高强韧性钢梁与钢筋增强UHPC梁的抗弯性能对比

主要特点

超高性能混凝土（UHPC）结构的特点：结构自重较小、设计自由度大、韧性好、耐久性高，结构寿命长，符合可持续发展。

UHPC的耐久性与可持续发展

        UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化，绝大多数水泥颗粒的内部处于未水化的状态。因此，当水或水汽进入UHPC的裂缝时，暴露在裂缝表面未水化部分的水泥颗粒就会“继续”水化；结合了外界水分的水化产物体积大于水泥熟料体积，多出来的体积能够填堵裂缝。试验和工程验证表明，UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性，同时还起“胶结”裂缝作用，可在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能。
        UHPC的耐久性能中，表面钢纤维的锈蚀一直令人关注。靠近结构表面的钢纤维保护层很小，还可能露出表面，在潮湿或腐蚀性环境中（氯盐、酸性等环境），表面钢纤维有较快发生锈蚀的可能性。目前10~15年的试验和实际工程观察表明，只要钢纤维不露出表面，UHPC密实的基体能够非常有效地保护钢纤维不锈蚀，露出表面钢纤维的锈蚀没有扩展到内部，仅限于表面，但会影响表面美观。因此，对于有装饰功能的UHPC结构，需要采取措施防止钢纤维暴露或使用不锈蚀纤维。
        与钢结构相比，UHPC结构的优势在于高耐久性和几乎没有维护费用，并容易达到建筑防火要求。与传统的钢筋混凝土结构相比，UHPC结构寿命可成倍提高。根据理论分析、现有的暴露试验以及实际工程检验的结果，在腐蚀性自然环境中（如海洋环境）UHPC结构寿命可以超过200年；在非腐蚀环境UHPC结构寿命（如城市建筑）可以达到1000年。相对保守的日本指南认为，在正常使用环境条件下，UHPC结构的设计工作寿命为100年。耐久性中的碳化、钢纤维与钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱-骨料反应属于免检项目，但重化学腐蚀和耐火性能是需要检验的项目。
        UHPC属于高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土，同时也是最低碳的混凝土材料。通过具体工程结构的计算比较，可以量化分析UHPC的节材、节能和减排效果。定量分析表明：UHPC桥梁可节省材料体积24~50% ，节省材料重量35~60%；节能54%；减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP（当量CO2排放）分别达到59%和44%。

应用前景