超高性能混凝土设计与制备

张贝贝 王明军 陈月娥 侯文轩 刘 畅 修 杨

（青岛理工大学，山东 青岛266011）

工程结构正朝着高层、大跨度以及重载等多方向发展，对建造各种新的特殊结构的需求正在增加。普通混凝土的严重缺陷正变得越来越明显，从而限制了其在高层、大跨度以及重载结构中的应用。因此，提出了高性能混凝土的概念，超高性能混凝土可以大大改善普通混凝土的性能，并可以为混凝土的耐久性、可加工性和强度提供重要保证[1]。与普通混凝土相比，UHPC 具有极高的抗压强度和拉伸强度，并具有高弹性模量、小蠕变系数和优异的耐久性等优点，可以有效减轻结构的重量，提高承载能力。

1 组成UHPC 的基本材料及其抗压强度的最低值探究

UHPC 基本材料的组成材料一般来说以石英砂、水泥、钢纤维、减水剂等为主，对于粗骨料这一组成材料是否需要，则需要根据UHPC 的具体用途来确定。UHPC 是根据密实度最大理论设计其微观架构的，根据这一理论，可以将其设计为无限紧密，使其发挥出超强的韧性、强度以及超高耐久性；而对于宏观工作浇筑来说，密实度要严格控制，不得超过关键阈值，以避免过度的铸造造成无法完成浇筑和增加的混凝土的气体含量。因此，如法国建筑规范指出，低等级且未受很大应力的UHPC 组件包含最大粒径小于10mm 的粗骨料。此时，为了确保UHPC 的韧性，适当增加钢纤维的长度比，以减少UHPC 的收缩。相反地，对于高等级且受应力较大的UHPC 组件必须严格把控，不得包含粗骨料。作为UHPC 的重要技术指标，各个国家都有着自己的国家标准。相对于初期各个国家的标准，目前UHPC 的标准较低。比如说，法国（2001、2013）、日本（2015）将其设置为150MPa，而韩国（2012）则设置的更高，为180Mpa；美国（2018）设置为120MPa，比较适中。根据国内外的技术规格和指南、研究成果、工程实践，将UHPC 抗压强度的最低值根据其圆柱体轴心抗压强度值，设置为120MPa 和130MPa 较为合适。UHPC的适当最低强度有助于调整材料成分，可以有效减少施工难度和项目成本，提高UHPC 的竞争力，并将大大降低UHPC 的推广难度，并增加其应用范围。

2 超高性能混凝土结构的配合比设计

UHPC 的架构强度与孔结构息息相关，其组成材料的高堆积密度与否是使其是否具备超高性能的重中之重。因此，UHPC的架构设计配合比提高其致密性的关键，所以，主要的做法有：优质的原材料、优化原材料孔结构、掺入合适的纤维、改良混合方法。通过理论与实际，来自全球范围内的各国工程师进行了研究和设计。LISA 软件由Norwegian Elkem 编译设计，基于最大堆积密度的颗粒包裹理论模型，通过计算每种原材料的粒径设计出最佳的材料成分比，进而使这些原材料的比值最大化的与最大堆积密度理论值接近。除此之外，相关研究[2]通过线性堆积密度模型设计了水泥浆与混凝土的最佳比例，根据这一模型设计，可以将其强度达到最大值，236MPa。再后来，可压缩堆栈模型问世，也就是借助CPM模型优化与设计活性粉末混凝土。通过纳米技术的不断发展以及对UHPC 更高机械性能和耐用性的追求，UHPC 已采用了许多纳米材料（纳米二氧化硅、玻璃粉、超细粉煤灰、超细矿物粉）以实现卓越的新性能。通过分析研究，小颗粒混凝土表面会产生相互作用力，不仅会影响其堆积密度，还会改变颗粒的物理堆积状态，例如电荷的分部、空间作用力力以及范德华力。因此，原始的UHPC 颗粒堆积模型不但不能满足实验和生产需求，更不能预测纳米颗粒混合物的物理堆积状态，故不能确定其性能的优良。当前的UHPC 混合比和设计基于某些堆积模型的经验，并且是半经验性的，但是混合比设计没有改变。

3 UHPC 结构的设计制备技术

“固化成型”是原始制备UHPC 的必要步骤，较为麻烦与不便。固化要求较高的工艺与超高要求，且制备复杂，严格要求在热蒸汽的环境中进行。因此，要使其适合于常规工艺和能在实际应用中进行UHPC 制备，具有价格昂贵以及难以推广的特点[3]。在生产超高强度混凝土时，应用通用的方法和工艺，并且要易于获得原材料、成本低廉，需要充分利用优异性能的普通水泥混凝土的简单过程，从而开发并制备出具备物理、流体、耐用的超高性能混凝土。因此，我们设计和研究了两种均包含钢纤维施工方法：干- 湿，湿- 干，但是这两种包含钢纤维施工方法也存在某些缺陷，例如胶结材料的破裂、分散剂和减水剂混合不均匀等问题。针对这些实际存在的问题，我们设计了一种UHPCC 的新型成型工艺设计方法，图1 显示了处理流程。制造过程中的供应和混合步骤如下：①在不进行预润湿和干燥的情况下，将相应的水泥、细集料（或钢纤维棉）添加到混合机中，开机搅拌约2 小时；②关机，添加适量经过过滤的石英砂，开机搅拌约1 小时；③关机，加水和适量的减水剂，开机搅拌；④持续搅拌约4 小时，直至均匀；⑤关机，加入一半钢纤维，开机搅拌30秒，然后再加入另一半，将钢纤维全部包裹在浆液中并均匀分布继续搅拌直至搅拌时间约为30 秒（如果可以在搅拌的同时加入钢纤维搅拌机根据实际情况运行）。研究结果和工程实例表明，如果在UHPC 的制备与生产中，仅通过常规的制造材料和工艺，并且不采用“固化成型”，可以在一定程度上大大降低UHPC 的生产成本。然而，当应用UHPC 时，混合困难并且浇筑困难，因此UHPC 的制备和应用需要高效的强制混合器以减少搅拌时间和泡沫体积。因此，为确保UHPC 的致密性和均匀性，有必要进一步研究合适的施工技术和工艺。

图1 UHPCC 的新型成型工艺设计流程图

4 结论

综上所述，为了使UHPC 更加符合社会的发展以及建筑行业的施工需求，可以在确保UHPC 高强度的同时，多吸收和借鉴原始生产技术与制造设备，设计和研究更加适合现场制备与浇筑的工艺技术，不仅可以更方便建筑现场，还可以更加有利于走可持续之路，促进社会进步。