摘   要：基于國內(nèi)外現(xiàn)有研究，從準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能、動態(tài)力學(xué)性能、黏結(jié)性能、耐久性這四個方面對超高性能混凝土（UHPC）基本性能的研究成果進行了綜述，同時還對其未來的研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能；動態(tài)力學(xué)性能；黏結(jié)性能；耐久性

0   前言

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，以下簡稱UHPC）作為20世紀(jì)后期誕生的新一代建筑材料，具有超高強、高韌性、高耐久性等優(yōu)異性能。基于顆粒緊密堆積理論和混雜纖維增強增韌機理，在UHPC力學(xué)性能的提高方面有重大突破。和普通水泥基材料相比，UHPC表現(xiàn)出更好的抗壓性能、抗拉性能、抗折性能和抗沖擊抗爆性能[1]。此外，纖維的摻入對其整體強度的提升有較大影響，且由于其低水膠比、微裂紋效應(yīng)和自修復(fù)效應(yīng)，UHPC也表現(xiàn)出較好的耐久性[2] ?；谏鲜鰞?yōu)點，UHPC在市政工程、國防工程、核工程等工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，已在橋涵隧道、海洋結(jié)構(gòu)、防爆工程、大跨結(jié)構(gòu)和超高層建筑中大量應(yīng)用。本文對UHPC的基本性能研究成果進行總結(jié)，以期為UHPC更好地應(yīng)用于實際工程提供參考。

1   準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

目前，國內(nèi)外研究人員對UHPC準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的研究已日漸成熟，其準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的研究主要包括抗壓強度、抗拉強度、抗折強度等、單軸拉壓性能、循環(huán)拉壓性能、多軸壓縮性能、劈裂彎曲性能等。本文主要介紹其中的抗壓強度、抗拉強度和抗折強度。

1.1   抗壓強度

作為一種新型水泥基復(fù)合材料，UHPC的抗壓強度一直是大家的研究重點。

黃維榮等[3]為了定量研究粗骨料的摻量及粒徑對UHPC工作性與力學(xué)性能的影響，選用了不同粒徑、不同碎石摻量的5組試件進行控制變量法研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)碎石摻量為400 kg/m3時，立方體試件抗壓強度和軸心抗壓強度達(dá)到.大值，分別為136 MPa和134 MPa；碎石摻量一定（400 kg/m3）時，碎石粒徑對UHPC抗壓強度的提升作用并不明顯；UHPC 基體的彈性模量也隨著碎石摻量的增加而增大，隨著碎石粒徑的增大而減小。

有研究發(fā)現(xiàn)，在400 ℃時，UHPC會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象[4]。很多學(xué)者提出摻入纖維制備UHPC來提高混凝土的耐高溫性能。因此，高溫下UHPC力學(xué)性能的研究也是近年來的熱點。CHEN等[5]通過研究高溫作用前后，水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)及性能改變直接或間接對UHPC性能產(chǎn)生的影響，分析了UHPC在室溫以及經(jīng)300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃高溫作用后的力學(xué)性能。結(jié)果表明，經(jīng)300 ℃、400 ℃、500 ℃高溫作用后，UHPC的抗壓強度約為155~157 MPa，并沒有明顯降低，反而由于升溫干燥效應(yīng)其抗壓強度有所增加；經(jīng)600 °C高溫作用后，UHPC基體發(fā)生層裂。謝松平等[6]總結(jié)了眾多研究人員對UHPC耐高溫力學(xué)性能的研究成果，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，UHPC在高溫下以及高溫后的殘余軸壓強度呈先增大后減小的趨勢；同時，隨著鋼纖維體積摻量的增加，UHPC在高溫下以及高溫后的延性和韌性有所提高；為避免產(chǎn)生嚴(yán)重的熱膨脹現(xiàn)象，謝松平等[6]建議UHPC中鋼纖維的體積摻量控制在2%左右。

1.2   抗拉強度

普通混凝土的抗拉強度比抗壓強度低，在結(jié)構(gòu)中的作用相對較小，但當(dāng)前的技術(shù)已經(jīng)能讓UHPC具有10 MPa甚至更高的抗拉強度，可以發(fā)揮出一定的結(jié)構(gòu)性作用。鋼纖維的摻入能夠顯著提高UHPC的抗拉性能、抗疲勞性能等。因此，大量有關(guān)摻入鋼纖維的截面形狀、長徑比等對UHPC增強、增韌原理的試驗研究應(yīng)運而生。

徐朦等[7]通過固定UHPC的水膠比（0.18）和鋼纖維摻量（60 kg/m3），改變摻入鋼纖維的長徑比，對UHPC進行了基本力學(xué)性能測試。結(jié)果表明，長徑比偏高的鋼纖維可以顯著提高UHPC的抗拉強度，提高幅度可達(dá)80.5%；而長徑比較低的2種普通鋼纖維，對UHPC抗拉強度的提高幅度僅為17.4%和24.0%；鋼纖維的摻入對UHPC靜彈性模量的提升幅度較小，僅為4.3%。

為了進一步提高UHPC的抗拉強度和延性，紡織纖維增強UHPC（以下簡稱TR-UHPC）的研發(fā)也成當(dāng)今熱點。ZHAI等[8]制備了不同鋼纖維摻量的耐堿玻璃纖維增強TR-UHPC，測試了TR-UHPC的拉伸強度和彎曲性能。結(jié)果表明，鋼纖維的摻入對試件的初裂應(yīng)力和抗拉強度有較明顯的提高；以混合型纖維部分代替鋼纖維摻入，能夠等效達(dá)到對UHPC抗拉強度及韌性的提升，且當(dāng)替代的鋼纖維體積摻量為1%時，TR-UHPC的延性.高，抗拉強度提升顯著。

1.3   抗折強度

在工程中，如路基路面工程，混凝土材料的抗折強度是一項非常關(guān)鍵的控制指標(biāo)，要想更好地發(fā)揮UHPC各項性能的優(yōu)勢，對其抗折性能的研究也十分重要。

茍鴻翔等[9]設(shè)計了一種新型鋼纖維定向均勻分布方法，通過測試UHPC的抗折強度、抗彎拉強度等性能分析鋼纖維摻量及鋼纖維定向分布對 UHPC 的增強作用。試驗將60根細(xì)鋼纖維平均分3層，分別設(shè)置鋼纖維定向埋入角度為 0 °、30 °、60 °。結(jié)果表明，隨鋼纖維體積摻量的增加，試件的抗折強度逐漸增大，在相同鋼纖維摻量下，鋼纖維定向分布組試件的抗折強度均比亂向分布組更高；試件受彎斷裂后，定向分布組試件產(chǎn)生的裂縫寬度更窄，說明可承受荷載和傳遞荷載的能力更強，可通過分散吸收荷載而表現(xiàn)出更好的彎曲韌性。

養(yǎng)護方式對UHPC的性能提升也有較大影響。ESMAEILI[10]研究了不同的養(yǎng)護方式對鋼纖維體積摻量為2%的UHPC性能的提升程度，設(shè)置養(yǎng)護方式分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、自然養(yǎng)護、熱養(yǎng)護、加速水養(yǎng)護和高壓蒸汽養(yǎng)護，測試經(jīng)過不同方式養(yǎng)護后UHPC試件的抗壓強度及抗折強度。結(jié)果表明，不同養(yǎng)護條件下，UHPC試件抗折強度的提升幅度不如抗壓強度的提升幅度明顯。相較于28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，其他養(yǎng)護方式都能使UHPC試件的抗折強度得到不同程度的提升。在加速水養(yǎng)護條件下，UHPC試件的抗折強度提升幅度.大，約為14%。但在高壓蒸汽養(yǎng)護條件下，與抗壓強度相比，UHPC試件的抗折強度與28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下的差距很小，提升并不明顯，這可能是因為在高壓蒸汽養(yǎng)護條件下纖維與基體之間的黏結(jié)強度較低。

2   動態(tài)力學(xué)性能

UHPC作為具有超高強度、高韌性和良好耐久性的新型水泥基復(fù)合材料，其在特殊工程具有廣闊的應(yīng)用前景，這也促使了研究人員對其動態(tài)力學(xué)性能的探索，以適應(yīng)UHPC抗沖擊性能及抗爆性能的更高需求。

2.1   抗沖擊性能

任亮等[11]試驗表明，隨著UHPC試件應(yīng)變率的增加，其動態(tài)力學(xué)性能不斷提高，如峰值壓應(yīng)變、峰值壓應(yīng)力、彈性模量、剪切模量等，這些指標(biāo)的顯著提高表明UHPC的動態(tài)增韌效果越好。張文華等[12]研究表明，UHPC的靜態(tài)抗壓強度遠(yuǎn)大于普通混凝土的強度，這使UHPC與普通混凝土相比，在抵抗動態(tài)沖擊時的敏感性更低。文獻[13]研究表明，UHPC試件的應(yīng)變率對其動態(tài)力學(xué)性能的提升具有一定的閾值，低于閾值時，動態(tài)抗壓強度與準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度低；高于閾值時，動態(tài)抗壓強度則有顯著提高，其抗沖擊性能越好。TAI[14]在此研究的基礎(chǔ)上還指出，此閾值會隨著準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度的提高而顯著提高。由此可見，應(yīng)變率對UHPC的動態(tài)力學(xué)性能的提高具有重要作用。

FARNAM等[15]研究表明，摻入鋼纖維對UHPC的抗沖擊性能的提高貢獻較大，而RANADE等[16]研究認(rèn)為，PE纖維雖然對UHPC單次抗沖擊性能的提升作用不明顯，但是在反復(fù)抗沖擊試驗中卻表現(xiàn)出較強的抗反復(fù)沖擊的能力。

2.2   抗爆性能

SUGANO等[17]研究表明，在爆炸程度相同時，相比于普通混凝土，UHPC的層裂破壞程度更輕，且大尺寸裂縫的數(shù)量更少，可知其抗爆性能高于普通混凝土。田慧等[18]在對UHPC柱抗爆性能的研究中發(fā)現(xiàn)，其抗爆性能的決定性因素是UHPC柱端抗剪能力和柱中抗彎能力。

類似于UHPC的抗沖擊性能，摻入鋼纖維也可提高其抗爆性能。SOUFEIANI等[19]研究表明，僅在UHPC中摻入體積分?jǐn)?shù)為1%的鋼纖維就能大幅提高其抗爆性能。與直鋼纖維相比，帶鉤鋼纖維對其抗爆性能的提高效果更顯著。然而鋼纖維對其抗爆性能的提升也有一定的閾值，鋼纖維體積摻量超過6%便對其抗爆性能的提高作用不大[20]。

3   黏結(jié)強度

由于環(huán)境作用、人為因素等各方面影響，隨著混凝土結(jié)構(gòu)服役時間越來越長，會產(chǎn)生許多不同程度的損傷，造成安全隱患。因此，需要對混凝土進行修復(fù)。UHPC具有良好的力學(xué)性能和耐久性，將UHPC應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)修補方面，能使其材料特性得到更大發(fā)揮。而在用UHPC修復(fù)過程中，其黏結(jié)強度至關(guān)重要。因此，對UHPC的黏結(jié)強度的研究也非常必要。

趙燦暉等[21]對鋼筋-粗骨料 UHPC 試件中心拉拔試件進行了加載測試。研究表明，摻入鋼纖維后，粗骨料UHPC在沒有任何抗剪措施的條件下進行板式中心拉拔試驗，能夠得到黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的下降段，應(yīng)力的逐漸降低而非瞬間消失，證明了鋼纖維的摻入能有效提高UHPC的黏結(jié)性能；同時在錨固長度足夠時，鋼筋的保護層厚度可以適當(dāng)減小。張孝臣[22]的研究表明，為達(dá)到美國混凝土協(xié)會（American Concret Institude，簡稱ACI）的要求，使用結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)劑的UHPC試件測試出的剪切強度均滿足要求，而使用灌漿料的黏結(jié)效果卻不能滿足要求。沿斜截面對UHPC試件進行剪切，使用結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)劑的UHPC試件的黏結(jié)強度和黏結(jié)剛度較使用灌漿料的UHPC試件有明顯提高。在提升原普通混凝土自身性能方面，季文玉等[23]研究表明，活性粉末混凝土（RPC）-普通混凝土（NC）組合結(jié)構(gòu)界面的抗剪能力隨著NC強度的增加而提高，但增長趨勢逐漸減緩。

4   耐久性能

作為預(yù)期服役壽命.長的結(jié)構(gòu)工程材料之一，UHPC的耐久性能是其.重要的性能之一。UHPC基體的“超高”的密實度和抗?jié)B性，使得滲透性及腐蝕性介質(zhì)在UHPC中的擴散速率大幅度降低。除了高抗?jié)B性和良好的保護內(nèi)部鋼材耐化學(xué)腐蝕能力外，UHPC還具有對抗凍融循環(huán)破壞性能、微裂縫自修復(fù)性能等。目前，大量針對UHPC耐久性的研究已經(jīng)開展。

李云峰等[24]通過快速凍融循環(huán)試驗，探究了不同礦物摻合料對UHPC抗凍融性能的影響。結(jié)果表明，水膠比相同時，復(fù)摻20%礦粉+20%粉煤灰+10%硅灰時，試件的性能.優(yōu)，且水膠比為0.21時，試件的質(zhì)量損失率.小、相對動彈性模量.大，抗凍性.好。董振平等[25]也采用快凍法研究了鋼纖維摻量與UHPC凍融破壞的關(guān)系。結(jié)果表明，摻入適量的鋼纖維量可顯著降低UHPC試件的質(zhì)量損失，但摻量過少時會加速其質(zhì)量損失，這是因為少量鋼纖維會增加鋼纖維-漿體界面，這往往是凍融循環(huán)破壞開始的薄弱界面。而適量鋼纖維的摻入（1.5%）可以橋接混凝土內(nèi)部裂縫，提高其承受膨脹壓力的能力。同時，董振平等[25]認(rèn)為，UHPC凍融破壞主要表現(xiàn)為毛細(xì)孔的破壞，而不是相對動彈性模量的損失。因此，在評價摻入鋼纖維的UHPC凍融損傷時，以相對動彈性模量為指標(biāo)并不適合。

王軍委等[26]研究了不同礦物摻合料摻量和水膠比對UHPC抗碳化性能及抗氯離子滲透性能的影響。通過RCM法測試了UHPC的氯離子擴散系數(shù)及碳化深度。結(jié)果表明，水膠比越大，UHPC的抗氯離子滲透性能、抗碳化性能均下降；而隨著摻合料摻量的增加，UHPC的抗氯離子滲透性能及抗碳化性能先提高后降低。潘蘇鋒等[27]認(rèn)為，適量摻入超細(xì)活性粉末可以提高UHPC的密實度，減小孔隙率，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，有效抑制Cl-和CO2的擴散，從而提高UHPC結(jié)構(gòu)的耐久性。GU等[28]研究了不同養(yǎng)護條件下UHPC在彎曲荷載下的抗碳化能力，發(fā)現(xiàn)UHPC棱柱體試件在碳化室中120 d的碳化深度幾乎為0，可見UHPC的抗碳化性能較好。

UHPC容易出現(xiàn)表面鋼纖維銹蝕的情況，現(xiàn)有研究表明，其銹蝕僅發(fā)生在表面，并不會發(fā)展到被高強度保護層包裹的內(nèi)部鋼纖維上。除了會引起表面銹坑外，不會影響UHPC的性能。與普通混凝土相比，UHPC表現(xiàn)出更為優(yōu)異的抗凍融性能、抗氯離子滲透性能及抗碳化性能。因此，可以應(yīng)用于核反應(yīng)工程、海上工程等惡劣環(huán)境條件下的工程項目。

5   展望

（1）準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的研究已相對充分，但目前針對混雜纖維和循環(huán)荷載下UHPC準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的研究還有待加強。

（2）動態(tài)性能的研究對特殊建筑有重要意義，然而關(guān)于纖維種類、摻量、形態(tài)等對UHPC抗沖擊性能、抗爆性能的提升效果方面，國內(nèi)外研究者并未形成定論，仍需繼續(xù)深入研究。

（3）黏結(jié)性能與耐久性能對UHPC建筑的正常使用意義重大，然而目前對于復(fù)摻混雜纖維、纖維的長徑比以及形狀對UHPC結(jié)構(gòu)界面黏結(jié)強度的研究不多，未來的研究中應(yīng)該重點研究此方面。

參考文獻：

[1] 吳永魁,姚一鳴.超高性能混凝土（UHPC）動態(tài)損傷機理綜述[J].混凝土與水泥制品,2021(4):1-5,16.

[2] 張秀貞,劉志超,王發(fā)洲,等.超高性能混凝土的自收縮特性研究[J].混凝土與水泥制品,2019(7):13-16,22.

[3] 黃維蓉,楊玉柱，劉延杰,等.含粗骨料超高性能混凝土的力學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報,2020,48(11):1747-1755.

[4] 孫偉等.現(xiàn)代混凝土理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社, 2012.

[5] CHEN H J,YU Y L,TANG C W.Mechanical properties of ultra-high performance concrete before and after exposure to high temperatures[J].Materials,2020,13(3):770-786.

[6] 謝松平,王凱星,楊澤沛,等.超高性能混凝土(UHPC)高溫力學(xué)性能研究進展[J].中國水運,2020,20(7):135-138.

[7] 徐朦.多種鋼纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能影響的比較研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

[8] ZHAI M C,YAO Y M,WANG J Q,et al.Development of textile reinforced UHPC with reduced steel fiber contents[C].Cham:Springer International Publishing,2021.

[9] 茍鴻翔,朱洪波,周海云,等.定向分布鋼纖維對超高性能混凝土的增強作用[J].硅酸鹽學(xué)報,2020,48(11):1756-1764.

[10] ESMAEILI J,KASAEI J.Effect of different curing regimes on strength and transport properties of UHPC containing recycled steel tire wires as micro steel fibers[D].USA:Iowa State University,2016.

[11] 任亮,何瑜,王凱.超高性能混凝土抗沖擊性能研究進展[J].硅酸鹽通報,2018,37(1):146-154,165.

[12] 張文華,劉鵬宇,呂毓靜.超高性能混凝土動態(tài)力學(xué)性能研究進展[J].材料導(dǎo)報,2019,33(19):3257-3271.

[13] 劉建忠,孫偉,繆昌文,等.大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的靜動態(tài)力學(xué)行為[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2012,33(6):21-28.

[14] TAIY S.Uniaxial compression tests at various loading rates for reactive powder concrete[J].Theoretical and Applied Fracture Mechanics,2009,52(1):14-21.

[15] FARNAM Y,MOHAMMADI S,SHEKARCHI M.Experimental and numerical investigations of low velocity impact behavior of high-performance fiber-reinforced cement based composite[J].International Journal of Impact Engineering,2010,37(2):220-229.

[16] RANADE R,LI V C,HEARD W F,et al.Impact resistance of high strength-high ductility concrete[J].Cement and Concrete Research,2017,98:24-35.

[17] SUGANO T,TSUTOBA H,KASAI Y,et al.Local damage to reinforced concrete structures caused by impact of aircraft engine missiles part 1: Test program, method and results[J].Nuclear Engineering and Design,1993,140(3):387-405.

[18] 田慧,張海,徐慎春,等.超高性能混凝土柱的抗爆性能研究[J].低溫建筑技術(shù),2014,36(7):51-53.

[19] SOUFEIANI L,RAMAN S N,JUMAAT M Z B,et al.Influences of the volume fraction and shape of steel fibers on fiber-reinforced concrete subjected to dynamic loading-A review[J].Engineering Structures,2016,124:405-417.

[20] YOO D,BANTHIA N.Mechanical and structural behaviors of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete subjected to impact and blast[J].Construction and Building Materials,2017,149:416-431.

[21] 趙燦暉,李浩稻,鄧開來.鋼筋與粗骨料超高性能混凝土粘結(jié)性能試驗研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2019,54(5):937-944.

[22] 張孝臣.預(yù)制超高性能混凝土修復(fù)既有混凝土結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

[23] 季文玉,過民龍,李旺旺.RPC-NC組合梁界面受力性能研究[J].中國鐵道科學(xué),2016,37(1):46-52.

[24] 李云峰,王宣卜,魏鳳婷,等.不同礦物摻合料超高強混凝土抗凍融性能的試驗研究[J].中國科技論文,2017,12(22):2632-2636.

[25] 董振平,趙凱月,王艷.高強鋼纖維混凝土抗凍性能試驗研究[J].混凝土,2017(2):63-65.

[26] 王軍委,李秋義,汪衛(wèi)琴,等.超高強混凝土的耐久性研究[J].低溫建筑技術(shù),2015,37(1):1-3.

[27] 潘蘇鋒,張慧穎,黃海燕.超高性能混凝土耐久性及工程應(yīng)用研究[J].河南科技,2019(19):100-102.

[28] GU C P,SUN W,GUO L P,et al.Effect of curing conditions on the durability of ultrahigh performance concrete under flexural load[J].Journal of Wuhan University of Technology,2016,31(2):278-285.