本站原创摘 要 ：介绍了超高性能混凝土（UHPC）的提出与世界各国的研究概况、UHPC的基本制备原理与技术指标；对UHPC材料制备技术、超高性能机理、材料性能、工程应用研究进展进行了综述,提出了基体材料组成、凝结硬化过程与细观结构,纤维增强增韧机理细观力学分析,组成设计与制备技术,材性测试方法与指标体系,基于工程应用的研究与创新性应用研究,经济性和标准与规范等方面的研究方向.结果表明：UHPC在理论研究与工程应用方面都取得了可喜的进展,随着环保、可持续发展日益受到重视,UHPC具有极好的发展前景.
关 键 词 ：超高性能混凝土；制备技术；材性；工程应用；细观力学分析
中图分类号：TU528.2文献标志码：A
0引言
混凝土是一种水泥基复合材料,它是以水泥为胶结剂,结合各种集料、外加剂等而形成的水硬性胶凝材料.混凝土是当今用量最大的建筑材料,与其他建筑材料相比,混凝土生产能耗低、原料来源广、工艺简便、成本低廉且具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点.从社会发展和技术进步的角度来看,在今后相当长的时间内,混凝土仍是应用最广、用量最大的建筑材料.然而,由于混凝土自重大、脆性大和强度（尤其是抗拉强度）低,影响和限制了它的使用范围；同时,对于低强度的混凝土,在满足相同功能时用量较大,这加剧了对自然资源和能源的消耗,另外也增加了废气和粉尘的排放,增大了对能源的需求和环境的污染.
20世纪以来,随着社会经济的发展,工程结构朝更高、更长、更深方向发展,这对混凝土的强度提出了新的要求.为满足这种要求,随着科技的进步,混凝土的强度得到了不断的提高.在20世纪20年代、50年代和70年代,混凝土的平均抗压强度可分别达到20,30,40 MPa.20世纪70年代末,由于减水剂和高活性掺合料的开发和应用,强度超过60 MPa的高强混凝土（High Strength Concrete,HSC）应运而生,此后在土木工程中得到越来越广泛的应用[15].
然而,单纯提高混凝土抗压强度,并不能改变其脆性大、抗拉强度低的不足.采用纤维增强的方法,产生了纤维增强混凝土（Fiber Reinforced Concrete,FRC）[4,6],其所用纤维按材料性质可划分为金属纤维、无机纤维和有机纤维等,最常用的是金属纤维中的钢纤维.随着社会的发展,许多特殊工程,如近海和海岸工程、海上石油钻井平台、海底隧道、地下空间、核废料容器、核反应堆防护罩等,对混凝土的耐腐蚀性、耐久性和抵抗各种恶劣环境的能力等也提出了更高的要求.因此,人们又提出了将HSC包含在内的高性能混凝土（High Performance Concrete,HPC）的概念.
在HPC应用发展的同时,人们并没有停止对混凝土向更高强度、更高性能发展的追求.1972～1973年,Brunauer等在《Cement and Concrete Research》杂志上发表了有关Hardened Portland Cement Pastes of Low Porosity的系列论文,报道了抗压强度达到240 MPa的低孔隙率的水泥基材料,但是研究中并未采用萘系和聚合物高效减水剂,该技术没有在工程中得到推广应用[3].Bache采用细料致密法（Densified with Small Particles,DSP）,通过发挥硅灰与高效减水剂的组合作用,以达到减小孔隙率的目的,制备出强度为150～200 MPa的混凝土,其产品在市场上以DENSIT商标的混凝土制品出现[3,7].Birchall等[8]开发出无宏观缺陷（Macro Defect Free,MDF）水泥基材料,抗压强度可达到200 MPa.MDF水泥基材料问世后,引起了有关学者的广泛关注,并开展了许多有关这类材料优异性能和高强机理的研究.此外,Roy在1972年获得了抗压强度达到650 MPa的水泥基材料.美国的CEMCOM公司采用不锈钢粉也制备出超高强材料DASH47[3].20世纪90年代,法国Bouygues公司在DSP,MDF及钢纤维混凝土等研究的基础上,研发出了活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,RPC）[910].RPC分为2个等级,强度在200 MPa以内的称为RPC200,强度在200 MPa以上、800 MPa以下的称为RPC800[910].1994年,Larrard等[11]首次提出了超高性能混凝土（Ultrahigh Performance Concrete,UHPC）的概念.
直至今天,有关水泥基向更高强度发展的研究报道仍不断地出现,然而具有工程应用前景的并不多：有些因为太高,有些因为制备技术太复杂,而有些则在强度提高的同时某些性能指标下降.因此,以RPC制备原理为基础的UHPC材料的研究与应用,是当今水泥基材料发展的主要方向之一.美国国家科学基金会于1989年投资建立了一个“高级水泥基材料科技中心”,并为该中心提供了1 000万美元的科研经费[5].美国联邦公路局以RPC为研究对象,对UHPC开展了系统的研究,进行了1 000多个试件的测试,研究内容包括配制技术、强度、耐久性和长期性能等力学性能[12].在此基础上,美国密歇根州交通技术研究院开展了进一步的研究[13].法国土木工程学会在大量研究的基础上,于2002年制订了超高性能纤维混凝土的指南（初稿）[14].日本土木工程协会也于2004年制订了相应的设计施工指南（初稿）,并于2006年出版了英文版本[15].韩国提出了一个超级桥梁（Super Bridge 200）的计划,希望通过应用UHPC建造桥梁,减少20%的工程造价,在10年内节省20亿美元的投资,减少44%二氧化碳的排放量和减少20%的养护费用[16].中国从20世纪90年始了UHPC的研究,取得了一系列的成果,国家标准《活性粉末混凝土》已在征求意见[17]. 2004年9月在德国的卡塞尔举行的UHPC国际会议上,与会专家认为UHPC虽然被命名为混凝土材料,但是却可以认为是一种新型材料,是新一代水泥基建筑材料[18].2009年在法国马赛举行的超高性能纤维增强混凝土（Ultrahigh Performance Fiber Reinforced Concrete,UHPFRC）国际会议上,与会专家认为因UHPFRC低碳环保且性能优异,可以用来建造低碳混凝土结构,在未来必将得到大力发展[19].尽管UHPC自出现以来,不断被应用于桥梁、建筑、核电、市政、海洋等工程之中,然而应用发展远低于预期.以应用最多的桥梁为例,自1997年第一座UHPC桥――加拿大魁北克省Sherbrooke的RPC桥建成以来,十几年间全世界也仅建成30余座,且以中小跨径与人行桥为主[20].在中国,UHPC实际工程应用也极少,以桥梁为例,仅在铁路上有1座梁桥的应用,目前1座公路梁桥正在建设之中.在中国处于大规模工程建设的背景下,UHPC在中国的应用显得更为滞后.这种应用不理想的状况,究其原因：一方面,有关UHPC的研究主要集中在发达国家,而这些国家已完成大规模的基础设施建设,推动其研究与应用的市场动力不足；另一方面,发展中国家虽然有较大的基础设施建设的需求,但是基础研究不足和UHPC较高,影响了其在工程中的应用.
在今后相当长一段时间内,中国仍处于大建设时期,随着对节能减排、可持续发展要求的不断提高,对混凝土性能的要求也将越来越高,因此UHPC具有广阔的应用前景.2014年3月4日,住房和城乡建设部、召开了高性能混凝土推广应用指导组成立暨第一次工作会.会议认为,高性能混凝土推广应用是强化节能减排、防治大气污染的有效途径,能提高建筑质量,延长建筑物寿命,提升防灾减灾能力,有利于推动水泥工业结构调整.在节能减排方面,据专家估算,以目前中国每年混凝土的使用量4×109 m3测算,通过推广高性能混凝土,合理使用掺合料,每立方米混凝土可节约水泥25 kg,实现年节约水泥1×108 t,进而减少消耗石灰石1.1×108 t、粘土6×107 t,节约标准煤1.2×107 t,减少排放二氧化碳7.5×107 t[21].若能推广应用UHPC,成效显然更大,同时也能为中国UHPC技术、混凝土材料与工程结构领先于世界做出积极的贡献.因此,开展UHPC的制备技术与工程应用基础研究,具有重要的意义.为此,国家自然科学基金委员会与福建省人民政府设立的“促进海峡两岸科技合作联合基金”2013年资助了“超高性能混凝土制备与工程应用基础研究”项目.在该项目的指南建议、项目申请、项目获批后的研究计划制订中,笔者查阅了大量的研究资料,结合前期研究成果,对UHPC的研究现状有了较为全面的了解.为促使该项目的顺利进行,并推动中国UHPC研究与应用的不断发展,整理撰写了本文.
1UHPC制备基本原理与技术指标
1.1UHPC制备基本原理
对普通混凝土的研究,人们认识到混凝土作为一种多孔的不均匀材料,孔结构是影响其强度的主要因素,而固体混合物的颗粒体系所具有的高堆积密实度是混凝土获得高强度的关键.因此,减小孔隙率、优化孔结构、提高密实度、掺入纤维是UHPC制备的基本原理和主要方法,以RPC为例,其获得超高性能的主要途径有以下几种[9]：
（1）剔除粗骨料,限制细骨料的最大粒径不大于300 μm,提高了骨料的均匀性.
（2）通过优化细骨料的级配,使其密布整个颗粒空间,增大了骨料的密实度.
（3）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料,使其具有很好的微粉填充效应,并通过化学反应降低孔隙率,减小孔径,优化了内部孔结构.
（4）在硬化过程中,通过加压和热养护,减少化学收缩,并将CSH转化成托贝莫来石,继而成为硬硅钙石,改善材料的微观结构.
（5）通过添加短而细的钢纤维,改善材料延性.
中国正在制订的国家标准《活性粉末混凝土》（征求意见稿）[17]中对RPC的定义为：以水泥、矿物掺合料、细骨料、高强度微细钢纤维或有机合成纤维等原料生产的超高性能纤维增强细骨料混凝土.从上述定义可见,它对养护制度、配合比中的一些组分并没有严格的限制,如有些结构需要现场浇注,蒸压养护较为困难而采用常规养护时,如果骨料强度高且表面粗糙,也可得到强度为200 MPa的RPC[22].
UHPC基于RPC的制备原理,如采用小粒径骨料,掺入钢纤维和采用蒸压养护等,但是对骨料的粒径、养护制度、配合比中的组分等则没有严格的限制,如采用常规养护工艺也可配制出强度超过150 MPa的UHPC.文献[23]中采用常规材料,不采用热养护、预压等特殊工艺,也制备出强度超过200 MPa,可泵送浇注的UHPC,其技术包括选择低需水量的水泥和硅灰、合理的砂浆水泥比、硅灰水泥比和水灰比等.文献[24]中采用普通材料和常温养护,制备出坍落度为268 mm,90 d强度为175.8 MPa的混凝土.文献[25]中采用常规材料和养护,制备出抗压强度超过200 MPa的混凝土,掺入质量分数为1%的钢纤维的抗拉强度可达到15.9 MPa.
1.2UHPC技术指标
在UHPC的研究中,有些继续采用RPC的名称,有些直接称之为UHPC,还有一些则称之为UHPFRC,如法国与日本的相关指南[1415],有的则认为UHPFRC就是RPC,是UHPC与FRC相结合的产物[26],目前对这些名词还没有统一公认的定义.从内涵来看,RPC,UHPC与UHPFRC有许多相同之处；相对来说,UHPC的范围大些,RPC和UHPFRC的范围小些,这也可以直接从字面上看出来.本文中在引用参考文献时,保持原文献的材料名称,在进行综述分析时,则统称为UHPC.
关于UHPC或RPC的技术指标,目前也没有统一公认的定义.法国UHPFRC指南[14]中,定义它为具有150 MPa以上抗压强度,有纤维加强以确保非脆性行为,采用特殊骨料的高粘性材料.日本UHPFRC指南[15]中,定义它为一种纤维加劲的水泥基复合材料,抗压强度超过150 MPa,抗拉强度超过5 MPa,开裂强度超过4 MPa,并给出了基本组成：最大粒径小于2.5 mm的骨料、水泥和火山灰,水灰比小于0.24；掺入不低于2%体积掺量、长度为10～20 mm、直径为0.1～0.25 mm、抗拉强度不小于2 GPa的加劲纤维. 中国的国家标准《活性粉末混凝土》（征求意见稿）[17]中对RPC按力学性能的等级划分见表1.从表1可知,它对抗压强度要求最低为100 MPa,比法国、日本的抗压强度150 MPa要低.
表1活性粉末混凝土力学性能的等级划分
Tab.1Grade Classification of Mechanic Properties of RPC等级1抗压强度标准值/MPa1抗折强度/MPa1弹性模量/GPaR10011001≥121≥40R12011201≥141≥40R14011401≥181≥40R16011601≥221≥40R18011801≥241≥402制备技术
2.1材料组分与配合比
如同其他混凝土材料的研究一样,UHPC的研究也是从材料制备开始的.各国研究者结合当地的材料开展了大量的配合比设计,中国也开展了许多的研究,如文献[27]～[32].
UHPC作为一种高技术的新型材料,成本较高是影响其工程应用的一个重要因素.文献[33]中对一些RPC试验的原材料进行分析,发现其成本均在4 000元m-3以上,最高达到8 000元m-3,远高于普通混凝土的.为此,提出了RPC性价比计算方法,并以钢纤维掺量为主要参数进行研究.
由于RPC中的钢纤维为细钢纤维,且为了防锈而镀铜,其较高的是RPC材料成本较高的主要原因,因此,许多研究围绕钢纤维及其替代品展开.文献[34]中采用碳纤维替代部分钢纤维进行RPC的配制,发现RPC的抗折强度下降而抗压强度有所提高.文献[35]中采用碳纤维替代钢纤维配制RPC,结果表明,最终破坏形态表现出很大的脆性破坏.此外,还有学者对聚丙烯纤维RPC和混杂纤维RPC开展了研究,将低模量的聚丙烯纤维、中模量的耐碱玻璃纤维和高模量的钢纤维混杂掺入RPC,可使RPC的一些力学性能得到一定程度的改善而提高[3642].美国规范在AASHTO Type Ⅱ梁中采用80级焊接钢筋网以取代UHPC中的钢纤维,其抗剪强度超过采用钢纤维的UHPC梁,且施工方便,成本大大降低[43].
为降低成本,研究人员还开展了采用替代材料减少UHPC中水泥、硅灰用量的研究,如钢渣粉、超细粉煤灰、石粉、偏高岭土、火电厂微珠、超细矿渣、稻壳灰等,不仅能降低造价,而且利于环保[4450].
文献[51]中开展低水泥用量的RPC研究,用粉煤灰取代了60%的水泥,在凝结硬化过程中施加压力,得到338 MPa的RPC.在RPC中采用粉煤灰和矿渣替代水泥和硅灰,可减少高效减水剂的用量,并减少RPC的水化热和收缩[40].文献[52]中采用棕榈油灰取代50%的胶凝材料,配制的UHPC具有158.28 MPa的抗压强度、46.69 MPa的弯拉强度和13.78 MPa的直拉强度.文献[53]中采用稻壳灰取代硅灰,在标准养护制度下,可制备出强度超过150 MPa的UHPC,当采用水泥+10%硅灰+10%稻壳灰时,得到的UHPC性能最好.在RPC的凝结硬化过程,加入部分水化水泥基材料（PHCM）,能促进水泥水化,增加CSH生成量,使RPC具有较高的早期强度[54].
由于胶凝材料（水泥和硅灰）表面特性不同,可选择多种减水剂进行耦合使用,其效果更好[55].在UHPC配合比设计中采用修正的安德烈亚森颗粒密实模型,可以降低胶凝材料的用量,如养护28 d后,仍有很多水泥没有水化,则可采用一些便宜的材料来替代,如石粉[56].文献[57]中提高RPC的硅灰含量,使配制的RPC强度得到提高的同时,其表观密度降低到1 900 kgm-3.
另外,为减少对天然骨料的开采,研究人员还探索利用其他材料来替代UHPC中的石英砂等,如采用烧结铝矾土[40]、机制砂石[58]和丘砂[5960]等.文献[61]中采用铁矿石尾矿替代UHPC中的天然骨料,由于较差的界面,工作性和强度下降.文献[62]中将废弃混凝土块放入UHPC中,可减少早期收缩,制成自约束收缩UHPC.文献[63]中采用超细水泥制备了新型超高性能混凝土SCRPC,避免了硅灰的使用,且便于现场养护与施工.
2.2拌制与养护技术
与普通混凝土不同的是,RPC由于采用基体材料+细粒径组分材料+钢纤维进行配制,在拌制过程中容易聚团,影响RPC成型的均质性和材料性质,是备受工程界关心的一个主要问题.各国学者对需要采用的搅拌设备、混合料的拌制时间与顺序等也开展了相应的研究,如Collepardi等[64]的研究表明,搅拌1 min后添加减水剂的RPC,其工作性能要优于即时掺入减水剂的RPC[64].文献[65]相似度检测绍了常规搅拌工艺配制的RPC的特性,制定了加料顺序.文献[66]中研究了3种不同的投料搅拌方法,试验结果表明,不同的投料次序对RPC的抗折强度和抗压强度有一定影响,尤其对RPC流动性的影响较大.此外,RPC浇注时钢纤维方向分布对RPC的拉抗强度等性能有较大影响.为寻找有效控制钢纤维方向的方法,文献[67]中通过数值分析和试验研究,探讨了通过挤压改变钢纤维排列方向的方法；文献[68]中采用管壁效应和混凝土流动方向等方法,改变钢纤维在试件内的排列方向,试件成型后的X射线图像表明,该措施取得了良好效果.
高温、加压养护制度是UHPC获得高性能的重要手段,温度越高、时间越长,参加反应的硅灰越多,内部结构也就越密实.文献[69]中指出,与90 ℃热养护相比,在20 ℃标准养护条件下的UHPFRC试块,抗压强度降低20%,抗弯强度降低10%,断裂能降低15%.高温、加压养护制度是RPC获得高性能的重要手段,如RPC中含有火山灰活性物质,在不同养护制度下,RPC的力学性能有较大差异[1415].以29Si磁共振方法（29Si NMR）量测水泥、硅灰、石英粉等胶结粉体在不同养护条件下的水化程度,可确立有效且经济的养护方式[70].Richard等[10]的研究表明,90 ℃热养护能加速火山灰反应,并改变已形成水化物的微观结构,高温养护（250 ℃～400 ℃）能促使结晶水化物的形成与硬化浆体的脱水.Dallaire等[71]的研究表明,RPC试件在加压50 MPa和400 ℃的条件下养护48 h后,其抗压强度可达到500 MPa.Cheyrezy等[72]通过热重分析和X射线衍射对热养护下传统RPC的微观结构进行分析,认为传统RPC在养护温度介于150 ℃～200 ℃之间时,孔隙率最小.对采用蒸汽养护、滞后蒸养与降温蒸养以及常规养护这4种养护方式进行了对比试验,结果表明,蒸养对材性的影响最大,而采用蒸养但滞后蒸养与降温蒸养对材性的影响较小[72].蒸养能提高材料的抗压强度、抗拉强度和弹性模量,减小徐变,加快收缩速度,提高抗渗能力[12].然而,蒸汽或蒸压养护给施工带来困难,也提高了制备成本.因此,不采用蒸汽或蒸压养护时,如何获得RPC材料的高性能,也成为研究的一个热点.吴炎海等[7377]也都开展了不同养护制度和龄期对RPC材料性能影响的研究,结果表明,蒸养对提高材料性能具有极其有利的作用,并提出了相应的最佳养护条件. 养护时的压力对UHPC的性能也有影响.研究结果表明,在凝结过程施加5～25 MPa的预压力时,RPC的抗弯强度可提高34%～66%,韧性可提高3.39～4.81倍,这是由于预压力可消除孔隙和自由水,使颗粒更加紧密[78].蒸压时间、温度和压力均会影响RPC的性能；对于每一个压力和温度,存在一个临界蒸压时间；蒸压时间过长,反而会使其力学性能有所下降[79].蒸压养护对提高RPC抗压强度作用明显,但是其抗折强度和韧性反而低于28 d标准养护的RPC,这可能与蒸压养护对提高钢纤维和水泥石的粘结作用不大有关[22,79],而在RPC中增加粉煤灰和矿渣用量可减少蒸压情况下其抗折强度和韧性的降低[79].3超高性能机理
3.1微观结构
文献[80]中从测量的纳米尺度力学性能出发,采用四层次多尺度微观结构模型,精确计算UHPC的刚度,且证实了纤维基体界面是无缺陷的.此后,许多学者采用SEM,EDS微区元素点分析与X射线衍射等试验,对RPC的微观结构开展了研究,进一步揭示了RPC形成高性能的基本原理.
RPC密实度与强度之间存在着高度的相关性[8081],但是最大密实度并不代表最高强度,强度取决于其微观结构和水化阶段的性能[8283].蒸压养护能降低CSH凝胶中的CaO/SiO2,使RPC中形成针状和片状的托勃莫来石[40,84].电导率与水化度存在一种函数关系,当水化度达到26%时,孔隙不连续,采用超声波技术可以监测凝结硬化过程RPC的孔隙半径的变化[81,85].UHPC孔结构可用表面分维来表示,且建立了混凝土的纹理、硅酸盐链长（表面分维）和CSH量的关系[85].
高温可促进水泥、硅灰和石英粉的化学反应,当温度达到250 ℃时,RPC中出现硬硅钙石.随着养护温度的增加,CSH平均链长增加[8687].碱激发水泥RPC （ARPC）在抗压强度相同情况下,具有更高的抗弯性能、断裂能以及与钢筋的粘结性能；由于ARPC的CaO/SiO2较低,其纳米的孔结构有利于水分的逸出,内部孔压力较低,因此具有更好的抗火性能[8889].
3.2纤维增强增韧机理
研究结果表明,未掺入钢纤维的UHPC,在进行受压试验时由于内部积聚的能量太大而呈现爆炸性破坏,表现出较普通混凝土和高强混凝土更大的脆性.因此,UHPC一般掺有纤维,故它也可视为基体与纤维的复合材料.纤维主要以细钢纤维为主,直径较小,为0.20～0.22 mm,长细比较大,为55～70,而UHPC基体的胶凝粒径小,因而它与基材间的粘结滑移、纤维的拉拔、纤维桥接和裂缝的偏转作用以及对混凝土材性的增强机理都有其自身的特性.为此,对纤维的增强增韧机理开展了大量的研究.
文献[90]中研究了钢纤维分布角度分别为0°,30°,45°,60°,90°时对RPC断裂性能的影响.结果表明：当分布角度为0°时,构件的平均应变最大,其变化规律为0°～60°降低,60°～90°增加；轴拉构件在0°～40°之间为延性破坏,60°～90°之间为脆性破坏,40°～60°则处于中间状态,RPC的伪应变强化效应与钢纤维的分布特征有较大的关系,但是纤维分布方向对抗压强度的影响较小.
大量的研究表明,钢纤维对UHPC的抗拉强度和韧性有明显的提高作用,这种提高作用,在不影响钢纤维分布均匀性的前提下（一般在3.5%～4%之间）,与钢纤维的掺量成正比[9193].受拉破坏时,在开裂口处由于钢纤维的桥搭作用,与普通混凝土相比,它的抗拉强度和韧性有很大的提高,其破坏形式是钢纤维被拔出破坏,而不是拉断破坏[9496].
对抗压强度,钢纤维也有一定的增强作用,但是一般认为存在一个界限掺量,当超过这个掺量时,抗压强度不升反降.对于这个界限掺量,各国学者有不同的看法,从2%到4%都有[97100].
为探讨纤维对UHPC强度（尤其是抗拉强度）影响的细观作用机理,一些研究对纤维与UHPC基体的相互作用开展了研究.文献[101]中提出了一种新型的抗拉试验方法（在夹具和试件间采用转换板,使拉应力均匀）用于测试纤维的拔出试验.通过优化UHPC基体的材料配制比例,镀铜直纤维与UHPC的最大等效粘结应力可达到22 MPa,纤维的最大拉应力可达到1 840 MPa,拉出所需要的能耗为71 Jmm-2,其粘结强度、纤维最大应力和拉出耗能分别为HSC的7倍、4倍和20倍；此外,UHPC的拉拔荷载位移曲线达到最大荷载后没有出现像HSC曲线的突然下降现象,表明UHPC与纤维的摩擦因数更大,其密实性较HSC更好[102].文献[103]中研究镀铜直纤维、变形纤维（弯勾纤维和扭转纤维）物理化学界面的粘结性能,变形纤维的粘结强度47 MPa是直纤维的5倍.通过优化UHPFRC的配合比,直纤维的粘结强度可以从10 MPa提高到20 MPa.硅灰对粘结性能有利,最优的硅灰水泥比为20%～30%,当硅灰水泥比为30%时,其粘结强度可提高14%[104].文献[105]中认为,掺入质量分数为3%的钢纤维,其抗压强度、弹性模量、收缩性能和界面性能最好,并给出了粘结应力滑移模型.4材料性能研究
4.1拉、压强度等基本力学性能
在强度等力学性能方面,主要研究内容有抗压强度、抗拉强度、韧性、弹性模量和应力应变曲线、极限应变、泊松比、平均断裂能、延性、热膨胀系数等,其中,抗压强度、抗拉强度是UHPC最基本的力学性能,已开展了大量的研究.
在材料性能的测试方面,与普通混凝土和高强混凝土一样,UHPC也存在着尺寸效应问题,因此如何根据其特点,制定统一的测试标准,已成为研究的主要内容.由于UHPC基体组成材料的最大粒径不超过1 mm,因此除了一般混凝土测试方法外,研究人员还采用了砂浆或胶砂的测试方法.中国学者常采用边长为150 mm（混凝土标准试件）、100 mm（混凝土非标准试件）、70.7 mm（建筑砂浆试件）和40 mm（胶砂试件）等立方体试件和尺寸为150 mm×150 mm×300 mm和100 mm×100 mm×300 mm等棱柱体试件[106112]；国外研究人员常采用Φ76×153,Φ100×200,Φ90×180等圆柱体试件[12,109111].文献[110]中的研究结果表明,如果不掺入纤维,RPC的尺寸效应与普通混凝土或高性能混凝土大致相同,但是如果掺入纤维,RPC的尺寸效应变得明显.文献[112]中认为,与掺入纤维的UHPFRC相比,不掺入纤维的UHPC抗压强度的变异系数较大.总的来说,小尺寸试件所测的强度要大于大尺寸试件,但是各尺寸试件所测强度之间的比值,目前还没有统一的结论. 文献[108]中认为,边长分别为70.7 mm和40 mm的试件对应的是建筑砂浆和水泥胶砂试件规格和测试方法,与现有普通混凝土或高强混凝土的测试方法之间存在一定的差异,不应作为RPC抗压强度的测试试件.鉴于一般检测机构或实验室的压力机能力,文献[17],[106],[108]中均建议采用边长为100 mm的RPC立方体试块为标准测试试件.根据不同形状试件的测试结果可知,立方体试件的抗压强度大于棱柱体的抗压强度,文献[108]中汇总了65个试验样本,得出二者之间的比值为0.87,略高于《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）[113]中规定的高强混凝土C80的二者比值0.82.
目前混凝土抗拉强度主要的测试方法有轴拉试验、劈裂试验和抗折试验3种.由于混凝土材料的抗压强度高,抗拉强度低,且抗拉强度测试难度较大,在结构中发挥的作用较小,因此抗拉强度的测试并没有得到重视,各种测试结果之间的关系以及工程中的应用标准还不统一.虽然UHPC的拉压比与普通混凝土的拉压比相差不大,但是其抗拉强度绝对值已达到10 MPa或更高,在结构受力中能发挥一定的作用,因此,UHPC的抗拉强度研究受到了重视.UHPC的抗拉强度测试方法,基本沿用了普通混凝土的3种测试方法,研究结果表明,同普通混凝土一样,UHPC测得的抗拉强度从高到低依次为轴拉强度、劈拉强度以及弯拉强度,但是对于各种测试结果之间的比值量化关系,目前为止还没有公认的定论[12,91,100,108].
除抗压强度、抗拉强度外,许多研究者对UHPC的其他材性进行了综合性的研究.美国联邦公路局[12]和美国密歇根州交通技术研究院[13]对UHPC的强度、耐久性、长期性能等力学性能进行了较为系统的研究,为其在美国桥梁工程中的应用奠定了理论基础.文献[114]中研究了RPC200的棱柱体抗压强度、立方体抗压强度、劈拉强度、弹性模量、峰值应变、泊松比等参数,并建立了弹性模量和峰值应变的拟合公式.文献[115]中采用超声波技术来测定UHPC的弹性模量和泊松比.文献[110]中认为,ACI公式可以预测UHPC的弹性模量.
Fehling等[116]研究了不同钢纤维掺量UHPC的受压应力应变曲线,认为不掺入钢纤维UHPC受压破坏时呈现爆炸性,无曲线下降段；掺入钢纤维UHPC的应力应变曲线则存在明显的下降段,但是随着钢纤维掺量和分布的不同,曲线下降段的斜率不同.对于应力应变曲线的上升段,不同养护方式所对应的系数也是不一样的[110].Prabha等[109]通过MTS测得不同钢纤维种类和掺量RPC的单轴受压应力应变全曲线,认为RPC的应力应变曲线上升段近似呈直线,下降段的形状则取决于钢纤维含量和种类.纤维的形状（光滑、弯钩、扭转）对抗拉强度、峰值应变和耗能能力的影响较小,而纤维的体积掺量起决定性的作用；光滑纤维与UHPC基体的粘结强度高,所以未必需要弯钩和扭转的纤维[117].Fujikake等[118]采用伺服控制试验机,研究了不同应变率对RPC受拉应力应变全曲线的影响.结果表明,初裂抗拉强度和极限抗拉强度都随着加载速率的提高而增加.
文献[119]中对抗拉和抗压本构关系测试方法进行了改进,研究发现,钢纤维对抗拉强度提高明显,但是对抗压强度和弹性模量提高不明显.文献[120],[121]中由弯曲试验采用反向分析方法来量化UHPFRC的受拉应力应变关系,并将计算结果与直拉试验结果（DTTs）进行了比较,发现峰值应力和对应的应变略微偏大.
Liang等[31,33,108]研究了不同砂胶比、水胶比、钢纤维掺量对RPC强度的影响.结果表明：随砂胶比的增大,RPC的抗折强度、抗压强度均减小；随水胶比的增大,RPC的抗折强度增大,但是抗压强度在水胶比为0.18时达到最大值；随钢纤维掺量的增大,RPC的轴拉强度、劈拉强度和抗折强度均增大,但是抗压强度在钢纤维掺量2%时达到最大值.
4.2体积稳定性
收缩、徐变等体积稳定性是RPC长期性能研究的主要内容[1213,122124].研究结果表明：由于孔隙致密,采用蒸汽养护的RPC收缩和徐变均减小,收缩的速度较普通混凝土快,在24 h内可完成总收缩量的1/2,这有利于预应力RPC构件工厂化生产时生产效率的提高；随着水灰比和高效减水剂掺量的增加,RPC收缩增大[125].对于温度20 ℃、相对湿度50%下养护的RPC,标准试件（75 mm×75 mm×280 mm）1 d的总收缩为377×10-6,7 d的总收缩为488×10-6,其早期收缩占总收缩的77%；与标准试件相比,小试件（25 mm×25 mm×280 mm）的总收缩较大[126].
在RPC中掺入SAP（Superabsorbent Polymer）和SRA（Shrinkagereducing Admixture）可使RPC的自收缩降低[127].在阻止水蒸发方面,采用石蜡效果比较好.在凝结时间试验中,当抗穿透压力为1.5 MPa时,UHPC的应力开始发展,这个时间比初凝时间早0.6 h,该时间被定义为零应力点；自收缩应变比总应变大,15 d时为6.13×10-4.超声波技术可用于测量其早期抗拉强度和弹性模量[128].文献[129]中认为：零应力点是浇注后6 h；从6～15 h,自收缩应变为5.77×10-4；由于自干燥,30 d时,自收缩应变为7.53×10-4；因为玻璃纤维增强复合材料（GFRP）的刚度最低,只有普通钢筋的1/4,采用GFRP的自收缩应力只有采用普通钢筋变形的66.5%～70.1%；钢筋表面特性对自收缩影响不大.文献[130]中认为,掺入纤维可以减少SRA从UHPC中的渗出,减少早期收缩,从而提高UHPC的抗裂性.高温养护加速了水化和自干燥过程,所以UHPC自收缩增加[131].
对于预测长期性能来说,采用拉伸徐变比抗拉强度更合适,因为拉伸徐变更为敏感且重要.热处理和钢纤维对拉伸徐变性能的影响较大,由于纤维基体界面在热处理下变得致密,短直钢纤维能降低UHPC的拉伸徐变[132].对于徐变,虽然徐变系数较小,但是由于材料的强度提高,早龄期加载产生的徐变变形还是相当可观的,因此,工程应用中应尽可能地采用晚龄期加载. 4.3耐久性
对于RPC的耐久性研究,其主要集中在抗除冰盐腐蚀、抗氯离子渗透能力以及抗冻融循环能力等方面[1213,133136].
大量的研究均表明：RPC具有非常致密的细观结构和很强的抗渗透能力以及很好的抗冻融循环能力[137]；UHPC的耐水性比普通混凝土好（以渗出的钙为指标）[138],UHPC具有很好的水密性和愈合裂缝的能力[139],UHPC耐硫酸盐、氯盐,但是不耐高浓度硫酸[140].文献[141]中指出：UHPC的抗弯强度是抗压强度的16%～18%；将冻融循环1 098次构件与放置于20 ℃的水中养护1年的构件相比,其抗压强度和弹性模量反而增加.文献[142]中指出,气体渗透法比孔结构能更准确评价UHPFRC的耐久性；UHPFRC的耐久性较普通混凝土和砂浆好.
4.4其他性能
研究人员对UHPC的其他性能也开展了研究,如高温、抗爆抗冲击、粘结性能等.
UHPC立方体抗压强度在温度达到100 ℃时开始下降,在200 ℃～500 ℃之间时增加,温度超过600 ℃后又开始下降.当温度低于300 ℃时,UHPC立方体抗压强度随着纤维掺量的增加而增加,但是当温度高于300 ℃时,UHPC立方体抗压强度随着纤维掺量的增加而降低.UHPC立方体抗拉强度在200 ℃时开始下降,在200 ℃～300 ℃之间时增加,温度超过300 ℃后又开始下降.当温度低于600 ℃时,UHPC立方体抗拉强度随着纤维掺量的增加而增加,但是当温度高于600 ℃时,UHPC立方体抗拉强度随着纤维掺量的增加而降低.在火灾环境下,UHPC抗拉强度降低速度比其抗压强度快,UHPC强度降低速度和质量损失率低于普通混凝土和高性能混凝土[143145].在UHPC中复掺钢纤维和聚丙烯纤维,聚丙烯纤维在高温下融化后,为蒸汽提供逸出通道,提高了UHPC的抗火性能,但是其效果不如高强混凝土和高性能混凝土[146].
UHPC抗爆性优于普通混凝土[147],穿透深度小于C30混凝土的1/2[148],钢纤维可避免它在动荷载下产生粉碎性破坏[149150].Lai等[151]建立了受冲击后RPC的本构关系,并模拟了其冲击破坏过程.Tai[152]建立了动能量耗能能力与高应变率、钢纤维含量之间的关系.文献[153]中研究了弯曲荷载和剪切荷载下的UHPC动力特性,给出了动力增长系数的变化规律.文献[154]中的研究发现,UHPC在动载下的抗压强度、劈拉强度对应变率和应力率很敏感.文献[155]中采用离散元编制并验证了模拟弹体侵彻的程序CORTUF.
UHPC的粘结性能包括它与钢筋的粘结性能和它与其他混凝土的粘结性能.文献[156],[157]中研究了光圆钢筋与RPC的粘结性能.文献[158]中研究了高强钢筋与RPC的粘结性能,结果表明,与普通混凝土相比,高强钢筋与RPC的荷载滑移曲线上升段较陡,下降段平缓或有回升.文献[159]中研究了碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）筋与UHPFRC的粘结,发现光圆CFRP筋的粘结强度与磨砂CFRP筋的相差不多；随着CFRP筋直径和锚固长度的增大,粘结强度降低,破坏发生在CFRP筋外层.此外,有些学者还研究了RPC的断裂性能[96]、抗裂评价方法[160]、疲劳损伤[161]等.5工程应用研究
5.1基本构件的受力性能
配筋RPC梁和预应力RPC梁受力性能的研究,主要集中在RPC较高的抗拉能力对结构正截面和斜截面抗裂性能与极限承载力影响的分析上,研究结果表明,在设计计算中应以充分考虑RPC材料优良的抗拉能力[162172].与普通梁相比,UHPFRC梁具有更好的极限荷载、刚度和抗裂性能[171].浇注UHPC方法不同,即从梁的中间部位开始浇注和从梁的端部开始浇注,钢纤维的方向不同,UHPC梁的抗弯性能也不同[172].文献[173]中研究了UHPC梁的扭转性能,发现随着配箍率的增加,极限扭转强度和扭转刚度增加,且极限扭转强度随着纵筋配筋率的增加而增加.
与配普通钢筋相比,采用高强钢筋的UHPC梁具有较好的延性和较高的富余承载力[174].在梁中采用UHPC作为受拉钢筋,可承担30 MPa的弯曲拉伸强度,且没有任何滑移现象,梁具有较好的延性[175].与没有钢骨的UHPC梁相比,预应力钢骨UHPC梁具有较高的富余抗剪承载力、裂后刚度以及较好的剪切延性[176].
对UHPC梁板的抗冲击能力也进行了研究,在没有箍筋情况下,冲击荷载作用下的RPC梁产生很多细小的裂缝,发生延性的弯曲破坏[177].在RPC梁中,加载速度的增加将使其极限荷载、荷载位移曲线下降段的斜率和极限挠度得到提高[178].文献[179]中研究了UHPFRC在冲击荷载和静力荷载下的反应；在冲击荷载下,板的强度和断裂能远大于静力荷载时的.文献[180]中对UHPFRC板在冲击荷载下的性能进行了数值模拟,在该模型中考虑了UHPFRC的应变软化,并进行了参数分析.文献[181]中比较了普通混凝土柱和UHPC柱在冲击荷载下的性能,并进行了仿真分析.
RPC抗压强度极高,应用于柱结构具有巨大优势,研究结果表明,与普通钢筋混凝土柱相比,配筋RPC柱具有更为优越的静力和动力性能[182183].然而,当RPC不掺入钢纤维时,在高应力或复杂受力状态下爆裂性破坏现象明显,虽然掺入钢纤维有助于改善RPC的脆性,但是随着RPC抗压强度的增大,其脆性仍呈现增大的趋势.因此,研究人员开展了将RPC置于钢管中的试验研究,结果表明,与普通钢管混凝土相同,钢管对管内RPC也可以发挥套箍效应,其强度与延性均得到了提高[184189].
另一种防止RPC脆性破坏的方法是采用CFRP布包裹RPC柱,研究发现,对于轴压构件,其可提高承载力19%,但是对偏压柱的承载力提高不大[190191].对于纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）管UHPC柱的滞回性能,内部没有配筋的构件和有配筋的构件具有相同的强度和延性；与钢筋混凝土相比,由于FRP的弹性特性,FRP管+纤维混凝土（UHPC Filled FRP Tubes,UHPCFFT）具有很高的抗弯强度和初始刚度,但是延性和位移会小一些,耗能能力相似[192].