UHPC超高性能混凝土原材料的选用！

　超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High PerformanceConcrete)，也称作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。“超高性能混凝土”包含两个方面‘超高’——具有超高的耐久性和超高的力学性能（抗压、抗拉以及高韧性）。

　　材料组成的起源

　　最初的UHPC（即Densit），使用了在当时（七十年代后期）属于新的原材料——硅灰和萘系高效减水剂，其它均为传统材料；九十年代以RPC为代表的UHPC，引入了磨细石英粉，减水剂则更新换代为聚丙烯酸系和聚羧酸系超高效减水剂。

　　进入新世纪，UHPC矿物原材料的研究涉及纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米碳管、磨细或分选超细粉煤灰、超细矿粉、超细水泥、稻壳灰、偏高岭土、玻璃粉，等等。至今，实用的最细矿物材料仍然是硅灰，因其具有粒形好（球形）、火山灰活性高，以及成熟的商业化供应等优点。使用其它超细矿物材料，有助于降低硅灰用量。使用普通细度粉煤灰、矿粉替代部分水泥，用玻璃粉替代石英粉，均取得良好效果。实际应用的UHPC，抗压强度一般在150~250MPa范围，粗细骨料一般选择强度高的天然岩石，如石英、花岗、玄武岩等。更高强度或需要非常高的耐磨性能，可使用人工骨料，如烧结铝矾土、碳化硅、金属骨料等。提高纤维对UHPC增强增韧的效果与效率，也取得较大进展。

　　现在，UHPC矿物组成材料的本地化和绿色化，是大量研发工作的重点，以降低UHPC的生产配制成本，使UHPC更低碳。重庆大学的王冲等试验研究表明，采用常规的工艺与材料就能够配制UHPC。他们的试验，使用最大粒径20mm石灰石粗骨料，细度模数2.3的中砂细骨料，900kg/m3复合胶凝材料（50%水泥、10%硅灰、20%矿粉和20%石灰石粉），不使用纤维，水胶比0.16，用普通的试验室搅拌机，配制出的混凝土坍落度最高达268mm，最高抗压强度90天和365天分别达到175.8MPa和182.9MPa。东南大学研究配制绿色C200的UHPC（C200 GRPC），胶凝材料组成为40%水泥、25%超细矿粉、25%超细粉煤灰和10%硅灰，使用4%体积的钢纤维（lf=13mm,df=0.175mm），获得UHPC抗压强度、抗弯强度和断裂能分别超过200MPa、60MPa和30,000J/m2。

　　H.Yiğiter、H.Yazıcı等的研究小组，分别试验用普通细度粉煤灰（比表面积290m2/kg）和矿粉（比表面积396m2/kg），替代20%~60%的水泥（比表面积380m2/kg）。研究三种养护条件下，即20oC标准养护、100 oC蒸汽养护7天和高温高压（210 oC、2MPa压力）养护8小时，粉煤灰和矿粉替代水泥对UHPC强度的影响，结果见图1和图2。标准养护条件下，随粉煤灰和矿粉替代水泥率增加，UHPC的7d强度有所降低，但是28d和90d强度没有明显变化，这与早期Bache的粉煤灰替代水泥试验结果一致。经过蒸汽或高温高压养护，无粉煤灰、无矿粉的UHPC，强度有较大幅度提高；随粉煤灰替代水泥率增加，强度呈下降趋势；矿粉替代20%水泥的强度最高，此后随替代率增加强度降低。粉煤灰和矿粉替代水泥率达到60%，UHPC强度仍能够达到非常高水平。因此，使用大掺量粉煤灰和矿粉，UHPC的水泥用量可以降低到普通高强混凝土的水平，即350~550kg/m3。

　　图1：粉煤灰替代水泥对UHPC强度影响

　　图2：矿粉替代水泥对UHPC强度影响

　　基本原材料

　　UHPC基本原材料为：水泥，硅灰，高效或超高效减水剂，骨料（dmax≤1mm的细石英砂或普通粒级砂与粗骨料），纤维（钢纤维、PVA纤维）。典型水胶比（w/b）为0.15~0.20。

　　K.Wille等分析统计了50个UHPC配合比的主要指标和强度变化范围，见表4.1。这些UHPC的组成，部分无粗骨料，部分有粗骨料（dmax=7~16mm），大部分为20oC养护，小部分有纤维和90oC热养护。总体而言，使用粗骨料的UHPC强度相对高，水泥与硅灰用量相对低；使用纤维和进行热养护的UHPC强度相对高。

　　由于水胶比非常低和掺加纤维，新拌UHPC往往比较粘滞，但只要选材合适、配合比合理，也可以配制出工作性良好或自密实UHPC）。首先，需要关注和选用与超高效或高效减水剂相容性好的水泥。一般来说，低碱、低C3A水泥（抗硫酸盐水泥）与减水剂的相容性较好，应优先尝试。水泥的矿物组成，如石膏含量或硫酸盐／C3A比等，也会影响减水剂效果。应试验和比较多个来源的水泥与减水剂，获得最优组合是配制高工作性UHPC的基础。其次，减水剂的用量应通过试验找到其饱和掺量（即在此掺量以上，增加掺量不会明显提高工作性），宜用饱和掺量使UHPC达到可能的最好工作性。此外，用一些与水泥细度相似、与减水剂相容性更好的矿物材料如粉煤灰、矿粉、玻璃粉、石英粉、石灰石粉、玄武岩粉等，替代部分水泥，也有助于改善UHPC的工作性。

　　现在，使用最多的减水剂是聚羧酸系超高效减水剂，饱和或高掺量会较大幅度延迟凝结时间，可以使用促凝剂抵消减水剂的部分缓凝作用。

　　UHPC的粉料（指粒径小于0.125mm颗粒）为水泥与硅灰，也包括活性矿物材料（粉煤灰、矿粉、玻璃粉、稻壳灰、偏高岭土等）和非活性矿物材料（石英粉、石灰石粉、玄武岩粉等）。即：测试每种材料的粒径分布，然后用计算机软件分析计算，得到理论上最大堆积密实度的材料组成比例，作为试配的基础。采用经验的方法设计配合比，可参考表4.1。最细颗粒——硅灰的最佳体积约占粉料总体积的1／3左右。如果使用超细粉煤灰或超细矿粉（粒径介于水泥与硅灰之间），可以适当降低硅灰的用量，这样有助于改善工作性。

　　在常用的UHPC强度范围150~250MPa，可以使用高强度、级配良好的砂石骨料，降低浆体含量和减小收缩。浆体体积（粉料、水、减水剂和气泡的体积之和）一般在50~90%范围。高的浆体体积含量，有助于提高工作性。

　　如今，配制UHPC超高性能混凝土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——颗粒组成与配合比使密实度最大化。UHPC的超高强度，决定了水胶比或水粉比一般低于0.25，对于配制高流动性或自密实UHPC，需要减水剂发挥更大的效力，选用相容性好的减水剂、水泥和硅灰是成功的关键。