关于超高性能混凝土的问答

超高性能混凝土有明确的定义吗？有，且比较清晰明确，但还没有形成国际上统一的定义。

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC），因为一般需掺入短切钢纤维或聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，简称UHPFRC）。

UHPC不同于传统的高强混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC），也不是传统意义“高性能混凝土（HPC）”的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料，较有代表性的定义和需要具备的特性如下[1,2]：●是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料；●水胶比小于0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料；●抗压强度不低于150MPa；具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa（法国要求7MPa）；●内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体浸入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅度提高。

超高性能混凝土与活性粉末混凝土有什么差异？活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）是UHPC中的一个产品名称。

商业化生产供应的UHPC产品均为专利配方产品，有独自的名称或商标。

最早的UHPC专利是丹麦H.H. Bache在1979年申请的，上世纪80年代他所在公司注册商业化产品商标为Densit®，至今仍由Densit公司使用和营销。

到上世纪90年代，法国出现多个UHPC产品品牌，包括RPC、Ductal、BSI、CEMTEC、BCV等，其中Ductal®是拉法基公司的产品商标，RPC则是Bouygues公司产品名称。

有关RPC的研发、性能介绍和宣传较多，知名度相对较高。

1999年清华大学教授覃维祖等发表文章“一种超高性能混凝土－活性粉末混凝土”，最早以“活性粉末混凝土（RPC）”名称介绍UHPC，并与其研究生曹峰进行试验研究，实现了RPC相同的力学性质[3]；北京科技大学教授刘娟红和北京建筑大学教授宋少民在2013出版编著的《活性粉末混凝土》中系统介绍了国内外有关研究成果；2015年我国颁布了RPC的国标《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）。

目前，RPC在中编者按：2016年1月9日，湖南经视频道发布一条“超高性能混凝土桥亮相长沙”的新闻，报道说：“一座长70.8米、宽6.5米的跨街天桥在北辰三角洲横四路竣工。

这座看似普通的天桥，是世界首座全预制拼装超高性能混凝土（一种活性纳米无机复合材料）桥梁。

也就是说，不仅它的混凝土由具有超高强度和韧性的特殊材料制成，而且它是先在工厂预制，然后拖运至现场，在10小时内拼装搭建而成的。

”这则电视新闻引起广大混凝土从业人员的兴趣和关注。

该跨街天桥结构独特、造型美观，是超高性能混凝土在中国发展应用的重大进步，可喜可贺。

与此同时，新闻中对超高性能混凝土的介绍和描述，也引发很多疑问。

本文由北京江汉科技有限公司总工程师赵筠和清华大学教授廉慧珍针对一些共性问题进行了解答和探讨，以飨读者。

关于超高性能混凝土（UHPC）的问答赵 筠 廉慧珍国还与UHPC并列使用。

1994年法国学者De Larrard等将这类新材料称作UHPC（超高性能混凝土）[2]，由于该名称没有商业色彩，而且能更好地表达这种水泥基材料或混凝土的优越性能，在国际上逐步被广泛接受和采用。

其中，“超高性能”表达的是混凝土（或水泥基复合材料）同时具备“超高强”、“高韧性“和“高耐久性”等优良性能特征，与“高性能混凝土（HPC）”内涵范围不同。

因此，UHPC并不是HPC的延伸或高强化，而是具有新本构关系和结构寿命的水泥基工程材料。

超高性能混凝土到底是混凝土还是砂浆？传统上，混凝土和砂浆是以最大骨料粒径来划分的。

最大骨料粒径超过5mm（或4.75mm）即含有粗骨料，是混凝土，否则是砂浆。

有的UHPC使用粗骨料，有的不使用粗骨料，所以UHPC既可以是混凝土，也可以是砂浆。

但是从广义上说，我国普遍称之为混凝土骨料的aggregate（亦译成集料）除砂石等粗、细骨料外，还可以是各种纤维和例如加气混凝土中的气泡等，所以把砂浆叫做混凝土，并无可非议。

最早的UHPC（丹麦Densit®）最大骨料粒径16mm。

法国研发RPC时提出，为了提高材料的匀质性，不使用粗骨料，所使用细骨料的最大粒径小于0.6mm。

但是，使用粗骨料的UHPC在某些方面性能更好，如收缩小、耐磨性好等，而且搅拌的均匀性也更好。

目前实际应用的UHPC，最大骨料粒径大多在2mm~8mm。

应根据UHPC用途、成本或特殊性能要求，确定UHPC适宜的最大骨料粒径。

超高性能混凝土具有什么性能特点？UHPC的性能特点可以用“超高强、高韧性和高耐久性”来概括。

“超高强”指UHPC可实现水泥基材料强度（抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击等强度）跨越式的提高，更重要的是UHPC能够有效利用钢纤维的强度及其与胶凝材料浆体的紧密粘接来实现拉伸的“应变硬化”行为（如图1所示，类似钢材的“屈服”），有较大的变形能力；钢纤维体积掺量1%~2%的UHPC就能跨入韧性材料的行列（见表1，断裂能超过1000N/m的材料被划分为韧性材料）。

UHPC可大幅度提高钢在混凝土中的强度利用效率，形成混凝土、钢纤维、钢筋更加协调的钢-混凝土复合的新模式，实现混凝土结构的轻质高强和高韧性。

此外，还可制备具有优良耐磨、抗冲击、抗爆和耐高温等性能（a）单轴压缩（b）单轴拉伸图 1 单轴拉伸和压缩UHPC的典型应力－应变特征与其他材料对比（OC/HSC－普通/高强混凝土，FRC/HSFRC－普通/高强纤维混凝土，ECC－高延性水泥基复合材料）[4]的UHPC。

在无裂缝的状态下，UHPC的气体、液体渗透性非常低；而在高应变和微裂缝状态下，UHPC的渗透性也能够保持在很低的水平，而微裂缝还具备良好的自愈合能力，因此UHPC结构拥有高耐久性的潜力，已得到迄今15年恶劣环境暴露试验的证实。

UHPC的耐久、耐候性能远远超越其他结构工程材料（钢材、铝材、塑料等）。

超高性能混凝土的强度比钢材强度还高吗？没有。

UHPC是纤维增强增韧的水泥基复合材料，还可以进一步用钢筋增强。

与其他材料相比，需要明确UHPC的增强增韧状态：● 混凝土材料的抗拉强度与抗压强度的比值（以下简称拉压比）随其抗压强度的增长而几乎呈直线下降。

C10混凝土拉压比约为1/10，C80的则可下降到约1/18。

UHPC基体（未掺用钢纤维时）即超高强混凝土，脆性非常大（因材料抗拉强度/抗压强度比值很低而使构件延性比很低），无法与韧性材料如钢材相比。

● 随钢纤维强度提高、掺量增大和尺寸、形状优化，以及基体强度的提高，UHPC成为韧性或高韧性材料，抗拉强度大幅度提高（远远高于其他的各种水泥基材料，如图1所示），但比钢材抗拉强度还是要低约一个数量级（见表1中对比）。

● 钢筋增强UHPC （也被称作CRC、HRUHPC或R-UHPFRC ），以及预应力高强钢筋UHPC的抗表 1 高强混凝土、UHPC、钢筋增强UHPC和高强韧性钢材的性能对比[5]图 2 UHPC梁、高强韧性钢梁与钢筋增强UHPC梁的抗弯性能对比[4]拉、抗弯强度可比传统高强钢筋混凝土的高出2个数量级，比较接近高强韧性钢材的强度（见表1和图2中对比）。

需要注意的是，UHPC作为复合材料或结构达到如此高强度，依靠的是钢材—钢纤维和钢筋的强度，因此，UHPC的本征强度不可能超过钢材。

与钢材相比，UHPC在强度方面并没有优势，其优势主要是与传统的钢筋混凝土或钢纤维增强的钢筋混凝土相比，因表观密度（容重）相对较低，使构件比强度（强度/质量比）和比刚度（刚度/质量比）可以达到并超过钢材的水平（见表1中对比），而且因具有一定的应变硬化的能力，可大大提高构件的延性比，适合建造轻质高强、高韧性的结构。

超高性能混凝土的最高强度有多少？目前，研究报告所获得的最高抗压强度是810MPa（即RPC800，使用短钢纤维和钢骨料，50MPa压力压制成型试件，并采用250o C~400o C高温高压养护）[6]。

UHPC获得超高强度的先决条件是获得高密实度的基体混凝土（或砂浆）。

按照丹麦H.H.Bache发展的DSP（Densified System with ultra-fine Particles）理论，即：用充分分散的超细颗粒（硅灰）填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，可以实现胶凝材料体系颗粒堆积致密化和非常低水胶比，从而使UHPC基体混凝土或砂浆具备超高抗压强度。

使用优化的钢纤维提高抗压、抗拉强度和韧性。

依靠机械性压力压实，采用常压或高压热养护，可以进一步提高UHPC密实度和强度。

如今，常用U H P C抗压强度在150M Pa~250MPa范围。

在此范围，采用常规的强制式搅拌、密实方法（自密实或振动）成型和养护（常温保湿或常压蒸汽养护），就能够进行现浇和预制应用。

UHPC的抗压强度通常只有质量指标的意义，因为在结构应用中，主要关注的是UHPC抗拉或抗弯强度以及应变硬化。

需要根据应用场合，选用适宜的纤维品种和掺量，实现要求的UHPC抗拉或抗弯强度；配置钢筋或预应力技术，实现UHPC结构的轻质高强。

超高性能混凝土现在有哪些工程应用？应用的目的？在世界范围，UHPC已经有很多工程应用，包括：●桥梁：人行天桥（1997年最早的UHPC结构应用）、公路和铁路桥的多种桥梁结构，用于提高桥梁跨径或减小桥梁高/跨比、实现桥梁快速施工和提高桥梁耐久性与寿命。

●桥面板：解决桥面板受冻融和除冰盐作用劣化快的难题，提高耐久性、快速施工。

●结构连接：预制混凝土桥面板、风电钢塔筒等灌缝连接，实现高强度结构连接。

●维修加固：桥梁和建筑的梁板柱、灯塔、道路路面、水工冲磨结构等，用于结构保护、功能恢复，或结构加固、提高结构承载能力，延长结构使用寿命。

●房屋建筑：薄壁阳台与楼梯、镂空幕墙等，用于轻巧美观结构，或承载、功能和装饰一体的结构。

●污水设施：污水管道、污水处理厂设施，降低维护维修费用，提高使用寿命或替代不锈钢降低建造成本。

●街具、家具：城市雕塑、街具、家具等，造型优美、耐久耐用。

●盖板：高铁电缆沟盖板（中国的主要应用），减小重量、高耐久性。

●某些替代铸铁铸钢产品：钻孔桩钻头、检查井盖、雨水篦子等，降低成本、提高使用寿命。

●抗爆、抗侵入结构：军事工程、银行金库等，提高安全性等等。

超高性能混凝土结构的优缺点有哪些？与高强和高性能混凝土（HSC/HPC ）结构对比：从表观密度比较，UHPC的稍高。

UHPC似乎不能算是“轻质材料”。

然而，在力学性能方面，UHPC大幅度超越了HSC/HPC，从强度／质量比（比强度）和刚度／质量比（比刚度）以及可建造的轻质高强结构来分析对比，UHPC应归入“轻质高强”材料。