揭秘UHPC的制备与增强、增韧原理

　　UHPC(超高性能混凝土)是建材的一种新型材料，其实现了水泥基材料性能的跨越式进步，兼具高强、高韧和高耐久性能，适用于部分水泥制品和工程结构性能改善与寿命提升，以及创造开发新产品或新结构，是现在和未来重要的工程材料。从发明(申请第一个发明专利和发表第一篇论文均在1979年)到今年，UHPC的研究与应用经历了整整40年。进入本世纪，UHPC是水泥基材料和应用创新发展最具活力的领域，如今已成为可工业化生产和商业化供应的工程材料，产品类型和应用领域一直在不断扩展，设计方法、施工技术和标准规范正处于发展、建立和完善过程。国际上，欧洲的UHPC技术相对成熟，北美、日、韩、马来西亚、中国等在积极发展UHPC技术体系。占世界水泥产量和用量一半以上的中国，拥有巨大的UHPC发展创新空间和潜在应用市场。

　　上世纪七十年代初的一些试验研究证实，提高水泥净浆的密实度，可以有效提高强度。丹麦学者H.H. Bache教授发展的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，实现颗粒堆积致密化，见图1。借助高效减水剂的分散作用，硅灰颗粒填充占据了水泥颗粒间的空隙即大量原本是水填充的空间，从而大幅度减小固体颗粒堆积的空隙率以及浆体的需水量，DSP体系可以使水胶比降低到0.10~0.20的超低水平。使用高强骨料，DSP基体混凝土的抗压强度可以达到280MPa，但脆性非常大;同时使用钢纤维增强增韧(即UHPC)，抗压强度可达到400MPa(常温养护)。后来再进一步，法国使用高压成型和高温高压(压蒸)养护的活性粉末混凝土(RPC)，最高抗压强度达到了800MPa。

　　图1：水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度示意图

　　高密实的DSP基体与钢纤维界面的密实度也非常高，界面粘结强度得以大幅度提高，使钢纤维在DSP基体中提高抗拉、抗弯、抗裂与增韧作用得到充分的发挥。

　　用DSP理论配制超高强度混凝土，是混凝土技术的一个重大突破。同时期出现的MDF水泥(Macro Defect Free，宏观无缺陷水泥，用聚合物填充水泥浆孔隙和裂缝)，SIFCON(Slurry Infiltrated Fibre Concrete，预填钢纤维灌注水泥细砂浆的混凝土)，也可以获得很高的材料强度和韧性，但是前者需要辊压或挤压成型，后者难以使钢纤维形成三维堆积，在应用上受到很大制约，至今只能用于制作小型制品。DSP理论实现更高的密实度，只需要选择适宜优质原材料和进行配合比优化，不需要使用特殊的工艺方法，用传统搅拌设备和振动密实方法，就能生产与成型。因此，基于DSP理论配制的UHPC，较快地进入了实用阶段。

　　如今，已经能够配制自密实UHPC，预制产品与现场浇筑比较方便。虽然现在配制UHPC的技术途径和使用材料呈现多样化，但遵循的基本原则没有变，即颗粒组成与配合比要使密实度最大化。