・
６６
・
材料导报Ａ：综述篇
２０１３年５月（上）第２７卷第５期
超高性能混凝土的制备与性能。
邓宗才１，肖
锐１，申臣良２
（１北京工业大学建筑工程学院，北京１００１２４；２北京正华混凝土有限公司，北京１００１７６）
摘要
超高性能混凝土（ＵＨＰＣ）是一种强度极高、耐久性极佳的新型水泥基复合材料，钢纤维的掺入能有效
提高其韧性，使其在建筑工程领域有很好的应用前景。对国际、国内主要研究成果进行归纳，介绍ＵＨＰＣ的带３备原理，对ＵＨＰＣ的组成材料、配合比及制备工艺进行分析和说明，阐述其基本力学性能、耐久性及应用方式。
关键词
超高性能混凝土制备原理制备技术力学性能耐久性
中图分类号：ＴＵ５２８文献标识码：Ａ
ＡＲｅｖｉｅｗ
ｏｎ
ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＵｌｔｒａ－ｈｉｇｈ
ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｎｃｒｅｔｅ
ＤＥＮＧＺｏｎｇｃａｉｌ．ＸＩＡＯＲｕｉｌ，ＳＨＥＮＣｈｅｎｌｉａｎ９２
（１
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２
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１００１２４；
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ｎｅｗｋｉｎｄｏｆｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｇｏｏｄａｐｐｌｉｃａ—
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ＵＨＰＣｂｙｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇｓｔｅｅｌｆｉｂｅｒｓ．Ｂｙｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｐｒｅ－ｐａｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＵＨＰＣＰＣ
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ａｒｅ
ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＵＨＰＣ
ａｒｅ
ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆＵＨＰＣｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．
ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒ—
Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｙ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ
Ｏ
引言
２０世纪９０年代，法国ＲｉｃｈａｒｄＰ等以超细粒聚密水泥和
粉末，使用高效减水剂降低水胶比，高温养护，另外通常掺人
适量微细纤维［１］。其中，去除粗骨料有助于提高ＵＨＰＣ材料
的均质性，并可提高骨料与水泥浆的界面粘结性能，减少微裂缝。在微观结构上，混凝土受力后骨料与胶凝材料界面的
剪应力和拉应力导致裂缝出现在粘结面，由于骨料粒径与裂
宏观无缺陷水泥为基础，研发出一种新型混凝土材料——活
性粉末混凝土（Ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｄｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＲＰＣ）［１］，并申请了
专利。现欧洲通常将采用ＲＰＣ制备原理的水泥基材料称为
超高性能混凝土（Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＵＨＰＣ）。为强调纤维的作用，国际上通常将掺人纤维的ＵＨＰＣ称为
缝大小呈比例关系，减小骨料粒径抑制了荷载作用下骨料与
浆体界面裂缝的产生与发展。传统混凝土中水泥浆的收缩
被骨料构成的刚性骨架限制，造成骨料与浆体的界面缺陷，
因此ＵＨＰＣ增大了胶材用量，并选择细骨料，使骨料包裹在
超高性能纤维混凝土（Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ
ｆｏｒｃｅｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｉｂｅｒｒｅｉｎ—
ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＵＨＰＦＲＣ），该材料其实是一种超高性能（纤水泥浆中，当浆体收缩时骨料随其作用力移动，减少因浆体
收缩引起的界面缺陷。
维增强）水泥砂浆。与传统混凝土相比，ＵＨＰＣ具有优异的力学性能，包括极高的抗压强度，优良的抗冲击、抗疲劳性能，掺入纤维后材料的抗拉性能、韧性显著提高；另外，ＵＨ—ＰＣ材料内部致密，具有极佳的耐久性。
１
１．１
通常以硅粉作为超细活性粉末，它可以填充水泥颗粒间的空隙；同时，硅粉为细微球体，可提高拌合物的流变性；另外，其二次水化反应生成的Ｃ一孓Ｈ凝胶亦有助于提高材料强
度。
Ｉ愀的制备
制备原理
高温养护的目的是改善ＵＨＰＣ的微观结构。由于在
ＵＨＰＣ的制备过程中通常使用硅粉，９０℃左右的高温养护
ＵＨＰＣ的基本制备原则为：去除粗骨料，掺人超细活性可有效加速硅粉参与的二次水化反应，其晶体形貌也会发生
＊中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金（ＩＷＨＲ－ＳＫＬ－２０１２０４）邓宗才：男，１９６１年生，博士，教授，博士生导师，主要从事新型复合材料及其结构研究
Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｚｅ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
肖锐：通讯
作者，男，１９８４年生，博士生，研究方向为超高性能混凝土制备与应用技术Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｒｘｉａｏｒｕｉ＠１６３．ｃｏｒｎ
万方数据
超高性能混凝土的制备与性能／邓宗才等
变化。在２５０～４００℃的高温下，硬化的浆体脱水生成硬硅钙石，此时ＵＨＰＣ具有更高的强度。
不掺入纤维时，ＵＨＰＣ材料基本无延性，在荷载作用下发生脆性破坏，纤维的掺入可改善ＵＨＰＣ材料的延性和抗拉性能。
１．２组成材料、配合比及制备工艺１．２．１组成材料
Ｒｉｃｈａｒｄ
Ｐ等ｕ］使用细石英砂、水泥、石英粉、硅粉、高效
减水剂、钢纤维制备ＲＰＣ，并使用钢粉来制备抗压强度超过
６００
ＭＰａ的ＲＰＣ８００。随后研究者发现可将其它一些矿物
掺合料加入到ＵＨＰＣ中替代部分原有组成材料。ＵＨＰＣ的组成材料可以按用途分为超细活性粉末、水泥、掺合料、高效
减水剂、纤维。
（１）超细活性粉末
超细活性粉末具有三大特点：颗
粒粒径小，可填充较粗的胶凝材料的颗粒间空隙；改善拌合物流变性，减少用水量；有足够活性，反应后有效提高ＵＨＰＣ强度。由于硅粉具备上述特点，自ＵＨＰＣ材料出现后，该材料一直被视为难以取代的超细活性粉末组分。最新研究发现，可将水泥磨细至规定细度成为超细水泥，使其具备超细活性粉末的特点，实现不使用硅粉制备ＵＨＰＣＩ２－５］。
（２）水泥
水泥在ＵＨＰＣ中的作用与混凝土相同，即
通过水泥浆体的硬化将骨料胶结成一个坚实的整体。由于水泥中Ｃ。Ａ水化反应需水量较高，因此建议采用低Ｃ。Ａ含量的水泥ｎ］。若不采用普通水泥，直接用超细水泥制备ＵＨ—ＰＣ，虽然对材料的经济性有所影响，但制备更便捷［２。］。由于ＵＨＰＣ水泥用量大，导致材料在养护过程中产生大的收缩变形，因此建议在构件设计中使用非闭合截面形式，避免收缩
造成应力分布不均匀。
（３）掺合料
加入适量的掺合料可节约水泥和降低成
本，并改善ＵＨＰＣ性能。石英粉作为石粉的一种，也可被视
为掺合料。ＹａｚｉｃｌＨ等口３采用高炉粒化矿渣和粉煤灰取代
ＵＨＰＣ中的部分胶凝材料，研究了不同养护条件下材料的力学性能，发现高炉粒化矿渣的取代效果好，并可降低硅粉用量。若采用超细水泥作为超细活性粉末，高炉粒化矿渣也能取代部分水泥，并可保证材料性能和降低成本［３“］。
（４）骨料
骨料在ＵＨＰＣ中起到填充和骨架作用。
骨料的种类、粒径、颗粒形状、用量都会影响材料的流变性和强度。ＲｉｃｈａｒｄＰ等ｎ１选用的骨料是粒径范围０．１５～
０．６
ｍｍ的石英砂，在之后的研究和应用中，骨料粒径范围往
往被放宽。ＹａｎｇＳ
Ｌ等ｍ分别采用传统石英砂、两类粒径小
于５ｍｍ的细砂、回收的碎玻璃作为骨料制备ＵＨＰＣ并进行
对比试验，发现碎玻璃作为骨料时ＵＨＰＣ的力学性能明显降低，原因是碎玻璃骨料的颗粒级配不佳导致密实度相对较低，且玻璃光滑的表面弱化了浆体与骨料之间的粘结性能。
（５）纤维
纤维主要用于提高材料的延性和抗拉性
能，因长纤维易相互搭接，降低拌合物流动性，故不宜使用长
度超过３０ｍｍ的钢纤维，通常采用长度１３ｍｍ以下的微细钢纤维。ＲｅｄａＭＭ等嘲采用长度３～６ｍｍ的微型碳纤维
制备新型ＵＨＰＣ，发现５０
ｍｍＸ５０ｍｍＸ５０ｍｍ立方体抗压
万方数据
．６７．
强度可超过２００ＭＰａ，但由于纤维过短，粘结力较差，导致材
料受弯时延性不足。Ｒｙｕ
Ｇ
Ｓ等嘲研究了钢纤维类型对
ＵＨＰＣ力学性能的影响，发现选用的几种钢纤维在ＵＨＰＣ的制备便捷性和抗压性能方面差异不大，但合适的纤维长度和长径比可改善ＵＨＰＣ的受弯性能。另外，纤维的分布方
式也会明显影响材料的受弯、受拉性能。
（６）水
为减小孔隙率，ＵＨＰＣ的用水量很低，但用水
量过低也会使气泡因拌合物流变性变差而不易排出，并影响材料强度。在ＵＨＰＣ的制备过程中，通常先寻找最小用水量，然后再对用水量、减水剂等进行微调，在保证力学性能的同时获得最佳的工作性。
（７）减水剂
为了控制用水量，需要大量掺入高效减
使拌合物具有较优的工作性。
１．２．２配合比
基于获得较佳的力学性能同时保证材料的经济性，ＵＨ—ＰＣ配合比中超细活性粉末在胶凝材料中所占比例一般为５％～２０％，掺合料的用量通常不超过４０％，适量掺人石英粉可有效降低用水量，利于提高材料的密实度和强度。在低用水量下，为保证拌合物的工作性，砂胶比一般为０．９左右。高效减水剂的用量一般为ｏ％～２％。为使ＵＨＰＣ具有较好的韧性同时保证材料的经济性，钢纤维的体积掺率通常为
１．５％～３％。
１．２．３制备工艺
一般采用以下常规工艺制备ＵＨＰＣ：首先将骨料和胶凝材料倒入搅拌机进行搅拌；搅拌均匀后加人水和减水剂（逐渐或分次加入更有利于水和减水剂的分散）；拌合物由颗粒状转变为胶体状态后，加入钢纤维进行搅拌（当钢纤维用量较大时，可以逐渐或分次加入）；待钢纤维分散均匀后进行浇
筑，并振动成形（高流动度的ＵＨＰＣ可实现自密实）；最后进行养护。
高温可改变Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶的结构，并激发硅粉等参与的火山灰反应，因而可使ＵＨＰＣ获得更高的强度［１…。在试件拆模后，主要有３种养护方式：常温养护、９０℃左右高温养护和２００℃以上蒸压养护。一般情况下，常温养护的ＵＨＰＣ强度
比９０℃高温养护的低１０％～３０％，虽然采用２００℃以上蒸
压养护可以获得更高的强度，但由于设备限制，一般采用前
两种养护方式。
ＫａｕｆｍａｎｎｊＥｌｌ］采用离心法、ＳｃｈａｃｈｉｎｇｅｒＩ等［１２］和Ｇｅｒｌｉ—ｃｈｅｒ
Ｔ等‘１３３通过抽真空的特殊工艺，降低了材料含气量，使
材料强度明显提高。
２
Ｉ胱的性能
２．１
力学性能
典型的ＵＨＰＣ基本力学性能见表１。与高性能混凝土
（ＨＰＣ）相比，ＵＨＰＣ抗压强度显著提高，因此可有效降低构
件的自重和截面尺寸。钢纤维的掺入使ＵＨＰＣ延性增加，
抗弯、抗拉强度以及断裂能均明显优于ＨＰＣ。
水剂，一般选用聚羧酸减水剂。但是，减水剂掺量过多易导
致ＵＨＰＣ拌合物的缓凝。因此，应注意控制减水剂用量，以
．６８．
材料导报Ａ：综述篇
受压性能
２．１．３
２０１３年５月（上）第２７卷第Ｓ期
２．１．１
黄政宇等ｎ４１采用单轴压缩试验研究不同钢纤维掺量下
ＵＨＰＣ的力学特征，并对其破坏形态进行分析，结果表明：钢
受弯性能
ＵＨＰＣ的弯曲性能试验研究ｎ６３表明，试件的峰值荷载
随着纤维含量的增大而提高，荷载一挠度曲线的下降段随纤维
掺量的增大而变缓，材料韧性提高。掺入钢纤维后ＵＨＰＣ
纤维掺量较低时（不超过１％），轴压试验试块以劈裂破坏为主，试件超过极限应变后产生多条轴向裂缝，并随压力的增大逐渐扩展、连通，其中～条裂缝发展成为主裂缝，导致试件开裂破坏；钢纤维掺量较高时（２％以上），试件以剪切破坏为主，破坏时会出现一条贯穿试件的剪切裂缝，裂缝与轴向成
３０。，剪切面上的钢纤维被拔出或拉断。
的受弯破坏过程分为３个阶段：处于弹性阶段时，荷载较小，钢纤维与基体共同承担荷载，荷载一挠度曲线呈直线；随着荷
载的增大，拉区变形达到ＵＨＰＣ初裂应变，材料基体出现裂
缝，跨越裂缝的纤维通过界面传递应力，此阶段为弹塑性阶段；最后随着钢纤维与基体之间的粘结强度达到极限，钢纤维被逐步拔出，同时吸收很大的能量，荷载一挠度曲线进入下
降段。
２．１．２拉伸性能
安明甜等Ｄ５］通过拉伸试验发现未掺钢纤维的ＵＨＰＣ试件受拉开裂即断裂，应力一应变曲线的下降段难以获得，为脆
性破坏。当钢纤维掺量达到１％时，试件开裂后应力一应变曲
２．１．４其它性能
掺人纤维后的ＵＨＰＣ具有优良的动态力学性能。对
线出现明显下降段；当钢纤维掺量达到２％时，破坏过程与钢
纤维掺量１％的试件相似，但应力一应变曲线的下降段更加平
ＵＨＰＣ抗冲击性能的研究表明，掺入钢纤维降低了ＵＨＰＣ高速冲击下的损伤，材料的抗冲击性能提高［１７Ｊ８｜。另外，安明船等［１们通过２％钢纤维体积掺率的ＵＨＰＣ单轴受压疲劳性能试验获得了疲劳曲线（Ｓ－Ｎ曲线），疲劳极限强度为其静极限轴心抗压强度的５７％，明显优于普通混凝土。受弯疲劳性能试验表明在低周和高周疲劳荷载作用下，掺入钢纤维的ＵＨＰＣ即使出现裂缝，仍拥有优异的耐疲劳性能［２…。
缓且延伸较长，试件开裂后可承受更大的拉力。其原因是基体开裂以后，跨越裂缝的钢纤维开始承受外力作用，随着裂缝的发展，钢纤维承受的拉力逐渐增大，随着钢纤维的拔出或拉断，曲线逐渐下降。若钢纤维用量合理，可出现多裂纹
扩展现象。
表１
Ｔａｂｌｅ１
ＵＩｔＰＣ材料的基本力学性能
ＢａｓｉｃｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＵＨＰＣ
表２超高性能混凝土、高性能混凝土和普通混凝土的耐久性对比
Ｔａｂｌｅ２
ＤｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＵＨＰＣ．ＨＰＣａｎｄＯＰＣ
２．２耐久性
ＳｃｈｍｉｄｔＳ等［２６。总结了欧洲ＵＨＰＣ耐久性的研究情况，
究表明其２８ｄ碳化深度仅为０～０．３ｍｍ，远低于ＨＰＣ和ＯＰＣ（普通混凝土）［２７’２８舟…。在耐腐蚀性方面，刘斯凤等［２７３将ＵＨＰＣ浸入我国新疆盐湖卤水中进行试验，３个月后ＵＨＰＣ的质量损失为０，动弹模损失仅为０．５％；杨吴生等晒３将养护
后的试件置于人工海水和自来水中浸泡１８０ｄ，测得的抗压
如表２所示。国内对ＵＨＰＣ的耐久性也已有系统研究。在
抗冻性方面，试验表明在３００次冻融循环以后，ＵＨＰＣ的耐
久性系数均保持在９９以上［２７ｑ９｜。对ＵＨＰＣ抗氯离子渗透
性（ＮＥＬ法）的研究发现，其氯离子扩散系数均低于０．４，故材料的抗氯离子渗透性能极佳Ｅｚ８，３０］。ＵＨＰＣ的抗碳化性研
强度和抗折强度略高于浸泡前，证明ＵＨＰＣ具有很好的抗化学侵蚀性能。另外，研究表明ＵＨＰＣ的耐磨性可达到优
万方数据
超高性能混凝土的制备与性能／邓宗才等
等品路面砖的要求［３１］。综上所述，国内外的研究均表明ＵＨＰＣ具有极佳的耐久性，且远高于ＨＰＣ和ＯＰＣ，这是因为ＵＨＰＣ极低的水胶比和合理的颗粒级配使其具有极小的孔隙率和良好的微观结构。３
ＵＨＰＣ的应用与展望
目前，ＵＨＰＣ在国外已有不少工程应用，国内的工程应
用也已逐步展开。ＵＨＰＣ主要可应用于人行桥、楼梯板、阳
台板及外挂板等一些有轻质、美观要求的结构构件；在大跨桥梁的梁、预制构件中采用ＵＨＰＣ，可减少构件的截面、配筋，减轻结构质量，增大跨度，而且ＵＨＰＣ极佳的抗渗性可增强结构的耐久性；用ＵＨＰＣ建造压力管道可提高其工作压力，并增强抗侵蚀能力；用ＵＨＰＣ制备的固体废料储存容器可长期储存中、低放射性废料，其使用寿命可长达５００年；
Ｌ
７－ＩＰＣ也可用于路面和桥面易磨损区的修补修复；另外，由
于其具有优异的防爆和防腐性能，所以在国防工程领域也有巨大的应用价值与潜力。
为指导ＵＨＰＣ结构设计与应用，一些国家结合相关试验，在已有的混凝土、纤维混凝土结构设计规范的基础上根据ＵＨＰＣ材料的特点进行修正和改进，提出了ＵＨＰＣ结构构件的设计方法。法国ＡＦＧＣ／ＳＥＴＲＡｃ３２］和德国ＤＡｆＳｔＢＵＨＰＣＩ３３］均明确了ＵＨＰＣ构件的设计方法。国内，李莉［３４１分别对ＵＨＰＣ简支梁和连续梁进行试验研究，给出了ＵＨ—
ＰＣ梁承载力、刚度和裂缝的计算公式，并建立了塑性铰长度
和弯矩调幅系数的计算公式。张明波［３列进行了预应力ＵＨ—ＰＣ梁的全过程分析，提出了开裂承载力和极限承载力控制的设计方法。这些研究成果也为国内ＵＨＰＣ构件的设计提供了思路和依据。
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万方数据
超高性能混凝土的制备与性能
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
邓宗才， 肖锐， 申臣良， DENG Zongcai， XIAO Rui， SHEN Chenliang
邓宗才,肖锐,DENG Zongcai,XIAO Rui(北京工业大学建筑工程学院,北京,100124)， 申臣良,SHENChenliang(北京正华混凝土有限公司,北京,100176)材料导报
Materials Review2013,27(9)
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