超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称 UHPC）

1. 高强度：
   • UHPC 具有极高的抗压强度，远远超过普通混凝土。例如，有研究表明其强度可达到 200MPa 以上5。
   • 在单轴拉伸试验中，UHPC 也表现出较好的抗拉性能。不带缺口的狗骨试件最适合用于 UHPC 单轴拉伸试验，主要有梯形、弧形和阶梯形三种类型。弧形狗骨试件受力均匀性最好，开展的验证性试验取得了 95.8％的成功率2。
2. 良好的耐久性：
   • 测试 UHPC 的氯离子渗透性（ASTM C1202）表明，通过试件的电荷量可以忽略不计，说明 UHPC 具有良好的抗渗性1。
   • UHPC 中掺入适量的粉煤灰能使流动性能得到改良，同时可以增强其强度，但超过一定量时，反而会减小抗压强度9。
3. 受压变形性能好：
   • UHPC 轴压应力 - 应变曲线具有较长的线性段，相比普通混凝土具有更好的受压变形性能4。
   • UHPC 开裂后裂缝间的钢纤维开始发挥作用，轴拉应力随裂缝宽度的增大和钢纤维的拔出而逐渐减小4。
4. 低收缩性：
   • UHPC 放置 90 分钟后开始测量自由收缩，七天后总收缩为 1800 微应变1。

1. 桥梁工程：
   • UHPC 可作为混凝土桥梁桥面的覆盖材料，对现有普通强度混凝土（NSC）桥梁桥面进行修复。通过对不同纹理的 NSC 基底进行粘结强度测试，结果表明即使纹理不足，也能有良好的粘结。例如，斜剪试验中，平均剪切强度从 0.05mm 纹理的 7.1MPa 增加到 2.8mm 纹理的 19.8MPa1。
   • 在桥梁上部结构中，非专利的 UHPC 可用作灌浆材料修复劣化的剪力键。粘结强度测试表明，即使表面纹理深度远低于 ACI 546 的建议值，其粘结强度也足够3。
   • UHPC 还可用于铁路轨枕。采用 UHPC 制作的后张预应力轨枕，充分利用了 UHPC 的优越抗压强度和拉伸延性等材料优势，进行结构设计。一系列结构测试表明，钢纤维增强的 UHPC 轨枕具有稳定的结构性能和出色的抗裂能力10。
2. 路面工程：
   • 为避免薄层结构黏结能力不足可能造成的层间滑移、早期破损等问题，采用 UHPC-TPO 复合试件进行层间黏结强度试验与有限元仿真。结果表明，常温下 UHPC-TPO 的拉拔强度大于 3.93MPa，抗剪强度大于 15.08MPa；高温下拉拔强度大于 1.12MPa，抗剪强度大于 1.89MPa。UHPC 表面处理方式对层间黏结性能有明显影响，其层间强度由大到小排序依次为抛丸 2、抛丸 1、清除浮浆6。
3. 建筑结构柱：
   • UHPC - 混凝土组合柱是一种新型结构形式，基于超高性能混凝土材料上的突破而提出。本文总结了超高性能混凝土、钢管混凝土的研究进展，并提出 UHPC - 混凝土组合柱的新进展以及需要进一步研究的问题7。

UHPC 的高强度具体是如何实现的？

• 水泥：UHPC 通常采用高强度水泥，其具有较高的胶凝活性，能够在水化过程中形成大量的胶凝产物，为混凝土提供高强度的基础。例如，在一些研究中，采用高标号水泥，其早期强度发展迅速，为 UHPC 的高强度性能奠定了基础4。
• 硅灰：硅灰是一种超细的活性材料，能够填充水泥颗粒之间的空隙，提高混凝土的密实度。同时，硅灰与水泥水化产物发生反应，进一步增强了混凝土的强度。研究表明，硅灰的掺入可以显著提高 UHPC 的抗压强度和抗拉强度4。
• 钢纤维：钢纤维在 UHPC 中起到增强增韧的作用。当 UHPC 开裂后，裂缝间的钢纤维开始发挥作用，承担部分拉应力，阻止裂缝的进一步扩展。钢纤维的掺入可以显著提高 UHPC 的抗拉强度和抗裂性能。不同掺量的钢纤维对 UHPC 的强度影响不同，例如，有研究发现随着钢纤维掺量的增加，UHPC 的抗压强度和抗拉强度也会相应提高418。
• 粗骨料：在一些含粗骨料的超高性能混凝土（CA-UHPC）中，粗骨料的选择和掺量也会影响混凝土的强度。合理选择粗骨料的种类和粒径，并控制其掺量，可以降低成本并且减少混凝土的收缩，同时保证混凝土的强度14。

• 水胶比：较低的水胶比是实现 UHPC 高强度的关键因素之一。低水胶比可以减少混凝土中的孔隙率，提高混凝土的密实度，从而增强混凝土的强度。研究表明，水胶比越低，UHPC 的强度越高14。
• 硅灰掺量：硅灰的掺量需要根据具体的工程要求和原材料性能进行优化。适量的硅灰可以提高 UHPC 的强度，但过高的硅灰掺量可能会导致混凝土的工作性能下降。通过试验研究，可以确定最佳的硅灰掺量，以实现 UHPC 的高强度和良好的工作性能1417。
• 钢纤维掺量：钢纤维的掺量对 UHPC 的强度和韧性有重要影响。合理控制钢纤维的掺量，可以在提高混凝土强度的同时，保证混凝土的韧性和抗裂性能。通过试验研究，可以确定最佳的钢纤维掺量，以实现 UHPC 的高强度和良好的综合性能18。
• 粗骨料掺量：对于含粗骨料的 UHPC，粗骨料的掺量需要进行优化。适量的粗骨料可以降低成本，但过高的粗骨料掺量可能会影响混凝土的强度和工作性能。通过试验研究，可以确定最佳的粗骨料掺量，以实现 UHPC 的高强度和经济合理性14。

• 搅拌工艺：UHPC 的搅拌工艺需要保证原材料的均匀混合。采用高效的搅拌设备和合理的搅拌时间，可以使水泥、硅灰、钢纤维等原材料充分混合，提高混凝土的均匀性和强度。
• 浇筑工艺：UHPC 的浇筑工艺需要保证混凝土的密实性。采用合适的浇筑方法和振捣方式，可以避免混凝土中出现空隙和蜂窝，提高混凝土的密实度和强度。
• 养护条件：良好的养护条件是实现 UHPC 高强度的重要保障。UHPC 通常需要在高温、高湿的环境下进行养护，以促进水泥的水化反应和混凝土的强度发展。例如，采用蒸汽养护或热水养护等方式，可以显著提高 UHPC 的早期强度和后期强度14。

• 新型结构形式：利用 UHPC 的高强度性能，提出了与之相适应的新型结构形式，如新型箱梁结构、UHPC - 混凝土组合柱等。这些新型结构形式可以充分发挥 UHPC 的高强度优势，解决传统结构的不足，提高结构的整体性能127。
• 优化设计：对 UHPC 结构进行优化设计，包括边跨长度、梁高、板厚等主要参数的优化，可以得到合适的取值范围，提高结构的强度和刚度。例如，对于主跨 400m 的 UHPC 连续箱梁桥，通过优化设计可以得到边跨与主跨跨径比范围为 0.55 ～0.65、中支点梁高与主跨跨径比范围为 1/20 ～ 1/25、跨中梁高与支点梁高比范围为 1/1.8～1/2.3 等参数，以实现结构的高强度和良好的整体性能12。

UHPC 的不同应用领域中，其性能优势分别有哪些具体体现？

• 力学性能优越：UHPC 具有极高的抗压强度，通常可以轻松达到 150MPa 以上19。相比传统混凝土，其抗压能力大幅提升，能够承受更大的荷载，这使得在建筑结构中可以使用更小的截面尺寸，从而节省空间并增加建筑的使用面积。例如在高层建筑中，采用 UHPC 可以减小柱子的尺寸，提高室内空间的利用率。
• 良好的耐久性：UHPC 中的硅灰等材料具有火山灰活性，能与水泥水化产物发生反应，填充混凝土中的孔隙，降低孔隙率，提高混凝土的密实度。这使得 UHPC 具有出色的抗渗性、抗冻融性和抗氯离子渗透性25。在恶劣的环境条件下，如沿海地区或寒冷地区，UHPC 能够更好地抵抗海水侵蚀和冻融循环的破坏，延长建筑物的使用寿命。
• 美观性：UHPC 可以制作出各种复杂的形状和纹理，具有很高的装饰性。其细腻的质感和丰富的色彩选择，为建筑设计师提供了更多的创意空间，使建筑物更加美观独特。

• 高强性能：在桥梁建设中，UHPC 的高强度可以减小构件的尺寸和自重，降低施工难度和成本。例如，采用 UHPC 制作的桥梁梁体可以更轻薄，减少对下部结构的荷载，同时也便于运输和安装21。
• 良好的耐久性：桥梁通常处于露天环境，容易受到各种自然因素的侵蚀。UHPC 的高耐久性可以有效抵抗酸雨、紫外线、冻融循环等的破坏，减少桥梁的维护成本。此外，UHPC 对硫酸盐的抵抗能力也较强，适用于在硫酸盐含量较高的地区建设桥梁19。
• 加固旧桥、危桥：对于旧桥和危桥的加固，UHPC 是一种理想的材料。它可以与原结构紧密结合，提高桥梁的承载能力和耐久性。通过合理的设计和施工，可以在不改变桥梁原有外观的情况下，实现对桥梁的加固，延长桥梁的使用寿命21。

• 力学性能优化：钢 - UHPC 组合桥面板中，UHPC 层的纵、横向应力及层间剪应力与传统桥面板材料存在差异。通过合理的设计，可以充分发挥 UHPC 的高强度和高韧性，提高桥面板的整体力学性能23。例如，增加 UHPC 层厚度和增强层间粘结均能有效降低其自身应力，提高桥面板的承载能力和稳定性。
• 简化计算模型：建立了 UHPC 层的横桥向简化计算模型，可以更方便地进行桥面板的设计和分析。基于多跨弹性支撑组合梁模型计算得到的 UHPC 层横桥向应力与有限元值总体上吻合良好，为工程设计提供了可靠的依据23。

• 适应不均匀沉降：在桥梁拼接项目中，采用不同类型的 UHPC 可以更好地适应新老桥梁之间的不均匀沉降。通过不对称加载模拟不均匀沉降，研究发现 UHPC 拼接接头在不均匀沉降下的破坏模式和结构性能，为实际工程提供了指导24。
• 比较不同材料性能：在实验中，对不同类型的 UHPC 材料（高应变硬化 I 型、高应变硬化 II 型和应变软化型）进行了比较，分析了不同材料在接头类型和材料方面的结构性能、承载能力和裂缝控制能力。有限元分析结果与试验结果吻合良好，为工程选材提供了参考24。

• 符合平截面假定：超高性能混凝土 - 混凝土组合梁（UHPC-NC 组合梁）在加载过程中基本符合平截面假定。在 UHPC 层中配置适量的纵向钢筋，能大幅度提高组合梁的抗弯承载力26。这为组合梁的设计和分析提供了理论依据。
• 提高抗弯承载力：将钢筋和 UHPC 对试验梁极限承载力的贡献分为四个阶段进行计算，推导了组合梁受拉区 UHPC 层等效矩形应力系数 k。结果表明，UHPC 层对组合梁抗弯承载力的贡献效率随着配筋率的不同而变化26。

如何进一步降低 UHPC 的成本以扩大其应用范围？

1. 使用工业废渣
   • 粉煤灰（Fly ash，FA）：粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，具有一定的活性。在 UHPC 中使用粉煤灰作为部分替代水泥的材料，可以降低成本。研究表明，适量的粉煤灰可以改善 UHPC 的工作性和耐久性，同时不会显著降低其力学性能2。
   • 粒化高炉矿渣粉（Ground granulated blast furnace slag，GGBS）：粒化高炉矿渣粉是由高炉炼铁过程中产生的废渣经过研磨加工而成。它具有较高的活性，可以与水泥中的氢氧化钙反应，生成具有胶凝性的产物。在 UHPC 中使用 GGBS 替代部分水泥，可以降低成本，同时提高 UHPC 的耐久性和抗化学侵蚀性能2。
2. 利用农业废弃物
   • 稻壳灰（Rice husk ash，RHA）：稻壳灰是由稻壳燃烧后产生的灰烬，含有大量的二氧化硅。在 UHPC 中使用稻壳灰作为部分替代硅灰（Silica fume，SF）的材料，可以降低成本。研究表明，适量的稻壳灰可以提高 UHPC 的力学性能和耐久性2。
3. 采用天然骨料
   • 天然细骨料和粗骨料：目前超高性能混凝土的配合比研究多集中在不含粗骨料的活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）上，而在 RPC 中掺入粗骨料可以降低成本并且减少混凝土的收缩3。天然细骨料和粗骨料的价格相对较低，使用它们替代部分石英砂等昂贵的骨料，可以降低 UHPC 的成本。

1. 减少昂贵材料的用量
   • 通过合理调整水泥、SF、石英粉（Quartz powder，QP）、石英砂、高效减水剂（Superplasticizer，SP）和纤维等昂贵材料的用量，在保证 UHPC 性能的前提下，降低成本。可以通过试验研究确定各种材料的最佳用量范围，以实现成本和性能的平衡2。
2. 提高替代材料的替代率
   • 对于粉煤灰、GGBS、稻壳灰等替代材料，可以通过优化配合比设计，提高它们在 UHPC 中的替代率，进一步降低成本。同时，需要研究替代率对 UHPC 性能的影响，确保在提高替代率的情况下，UHPC 的性能不会显著降低2。

1. 优化搅拌工艺
   • 采用先进的搅拌设备和搅拌工艺，可以提高 UHPC 的搅拌效率，使各种材料充分混合，从而提高 UHPC 的性能，减少材料的浪费。例如，采用高速搅拌、二次搅拌等工艺，可以改善 UHPC 的工作性和力学性能2。
2. 简化养护工艺
   • 传统的 UHPC 养护工艺通常需要高温高压养护，成本较高。可以通过研究开发新的养护工艺，如自然养护、低温养护等，简化养护过程，降低养护成本。同时，需要研究新的养护工艺对 UHPC 性能的影响，确保养护后的 UHPC 性能满足要求3。

1. 扩大生产规模
   • 随着 UHPC 应用范围的扩大，可以通过扩大生产规模来降低单位成本。可以建设大型的 UHPC 生产工厂，采用自动化生产设备，提高生产效率，降低生产成本2。
2. 提高生产效率
   • 采用先进的生产技术和管理方法，提高 UHPC 的生产效率。例如，采用预制构件生产方式，可以缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本2。