导读：在第一期中，我们介绍了什么是超高性能混凝土（UHPC）。目前国际上对UHPC虽有多种定义，但无论是哪种定义，均对其抗压强度做出了具体规定，国外UHPC规范一般要求抗压强度≥150MPa，我国活性粉末混凝土（一种最常见的UHPC）国家标准要求抗压强度≥100MPa。因此，抗压性能是UHPC最基本的力学性能之一。本期将对UHPC抗压性能及其影响因素进行介绍。
一、UHPC的抗压强度
（1）概述
早在1993年，法国学者Richard等研发了活性粉末混凝土（RPC），这是一种最常见的UHPC。按照抗压强度划分，RPC分为200MPa和800MPa两个等级（表1），目前RPC的抗压强度最高达到了810 MPa。
大量研究表明，UHPC的抗压强度不仅与材料组分有关，还与养护制度密切相关。当采用常温自然养护或蒸汽养护（一般为90℃）时，UHPC的抗压强度多为100~230 MPa；当浇筑后预压成型并终凝后蒸压养护（一般为175-250℃）时，其抗压强度可达250~400 MPa；当以钢砂作为细骨料，施以预压成型和高温热养护（250-400℃）时，其抗压强度可达650 MPa以上。
同样是水泥基复合材料，为什么普通混凝土的抗压强度仅约为20-50 MPa，而UHPC可达100-230 MPa，甚至是810 MPa？这与UHPC的配制机理有关。在水泥基复合材料中，水泥基体和骨料间存在界面过渡区（Interfacial Transition Zone，ITZ），成为受力的短板。普通混凝土中水胶比较高（0.4-0.7），且粗骨料体积占比可达75%，使得ITZ中孔隙率高、氢氧化钙（CH）含量高，受力时成为最薄弱的环节，导致抗压强度难以突破。而UHPC基于最大堆积密度配制，剔除了粗骨料，各组分间相互填充，且水胶比较低（一般为0.16-0.2），降低了ITZ中的孔隙尺寸和孔隙率；同时，所掺入的如硅灰等矿物掺合料可与CH进行火山灰反应，形成水化硅酸钙（C-S-H），使得ITZ如同水泥基体一样致密。这些措施提高了材料的致密性（图1），受力时具有更好的均一性，这也是UHPC具有高强度和高耐久性的根本原因。

图1. 细观形貌对比：UHPC（左）、普通混凝土（右）

（2）主要影响因素
材料组分
UHPC 按最大堆积密度原理配制，主要由水泥、细骨料、硅灰、石英粉、减水剂、钢纤维和水等组成，材料组分对UHPC的抗压强度有显著影响。
细骨料
UHPC的抗压强度与细骨料的强度密切相关。因此，若要提高UHPC的抗压强度，必须选用高强细骨料。常规UHPC一般以细石英砂作为细骨料，此时UHPC的抗压强度多为100-230 MPa。丹麦学者Bache以煅烧的铝矾土或精选的玄武岩作为细骨料，配制出了抗压强度为140-400MPa的UHPC；法国学者Richard等以细钢砂作为细骨料，浇筑后采用预压成型，并终凝后进行250-400℃高温热养护，使得UHPC的抗压强度高达650-810 MPa。
钢纤维
钢纤维对UHPC的抗压强度提高有限，但对其变形和破坏模式影响显著。不含钢纤维UHPC的受压破坏过程具有突然性，甚至呈爆炸性；而适量掺入钢纤维后，UHPC的破坏过程变得缓和，无严重的切口、剥离等脆性破坏现象。同时，含钢纤维UHPC的受压应力-应变曲线具有明显的下降段，伴随着短而细的裂缝，且裂缝不连贯，而引起这些效果的根本原因是钢纤维的桥接作用提高了UHPC的横向变形能力。
当UHPC钢纤维含量较低时，受压试件的裂缝主要呈竖向分布，且裂缝数量较少；当含量较高时，裂缝主要沿对角斜向分布，且试件破坏时的应变更高。图2对比了不同纤维含量下UHPC受压破坏时的照片。

（a）无纤维  （b）低纤维含量     （c）高纤维含量

水胶比

水泥基复合材料一般通过水胶比来衡量用水量，这里的“胶”是指胶凝材料（包括水泥、硅灰和其他超细火山灰掺合料）。总体而言，水胶比越低，水泥基复合材料的抗压强度越高（图3），原因是水泥基体-骨料界面过渡区的孔隙数量减少，提高了材料受力时的均一性。UHPC的水胶比一般为0.16-0.2，远低于普通混凝土（0.4-0.7）。由于组分级配合理，且水胶比低，UHPC内部孔隙尺寸集中在2-3纳米之间，且孔隙不连续，提高了材料的致密性，从而改善了受力。

图3. 不同水胶比下水泥基复合材料的抗压强度

由于水胶比低，即使达到强度后，UHPC中也有相当一部分的水泥未水化。研究表明，当胶比为0.2时，约有74%的水泥未水化，这部分水泥充当填料，进一步提高了材料的致密度。在使用过程中，这部分水泥会继续水化，使得UHPC的抗压强度持续增加。Toutlemonde等通过对世界首座UHPC公路桥（位于法国Bourg-Lès-Valence的OA4 和OA6桥，修建于2000年）钻芯取样测试了UHPC的抗压强度，结果发现，UHPC在12年后的抗压强度比28天时的抗压强度增加了20%。无独有偶，Kono等基于日本首座UHPC桥－Sakata-Mirai人行桥（修建于2002年），对通过实桥钻芯获取的试件和建桥时同期制作的、置于实桥环境中的试件进行定期测试。试验结果表明，UHPC的抗压强度在10年间持续增长（图4），同时，这些试件的氯离子扩散系数低于试验时在实验室准备的试件。

图4. UHPC在长期运营中的强度增长现象

此外，由于UHPC未完全水化，开裂后这部分水泥可以继续水化，使得UHPC表现出良好的自愈合能力。
浇筑方向
UHPC的抗拉或抗折性能受浇筑方向影响显著，但抗压强度受此影响很小。Steil等分别按垂直于和平行于浇筑方向进行UHPC立方体抗压试验，结果表明，两类试件抗压强度的差异不超过2%。
养护制度

图5. UHPC四种养护方法示意

自然养护是指UHPC浇筑后置于自然环境中养护28天。在这种养护条件下，UHPC组分的反应活性较弱，强度发展缓慢，且水化反应和火山灰反应形成的硅酸钙C-S-H链较短。但是当养护时间合理延长时，其抗压强度仍然可达200 MPa。
蒸汽养护是指UHPC浇筑完成并终凝后，以90℃的水蒸汽（也可采用热水）进行养护，一般持续48小时。蒸汽养护可以加速水泥的水化反应速度，使得强度迅速发展，并能够提高硅灰等掺合料的火山灰活性，产生额外的硅酸钙水化物，延长C-S-H链的长度，以填充细微空隙，进一步提高力学性能。与自然养护相比， 90℃蒸汽养护可将UHPC的抗压强度平均提高约20-40%。研究还表明，蒸汽养护的开始时间对UHPC的抗压强度影响不大，利用这一特性，可以对不同时段浇筑的UHPC统一养护，以节约施工成本。此外，蒸汽养护还可以使收缩变形在养护期间基本完成，并显著降低徐变系数，从而改善UHPC的长期性能。
蒸压养护是指在UHPC终凝后以175-250℃的水蒸汽进行养护，一般持续4-8小时。这种养护方法可以让UHPC的抗压强度迅速发展，4-8小时内可达200 MPa。同时，蒸压养护可提高水泥基体-钢纤维间的粘结强度，进一步改善UHPC的受力。但应该认识到，对于每一个蒸汽压力和温度，存在一个临界蒸压时间，蒸压时间过长，反而会使得UHPC的力学性能有所下降。
高温热养护是指在终凝后对UHPC进行250-400℃的高温养护，但不通入水蒸气，换言之，这种养护方式仅加温不保湿。当高温热养护温度超过250℃时，使得水化硅酸钙C-S-H脱水，形成一种新的晶体水化产物－硬硅钙石，有助于进一步提高UHPC的抗压强度。目前以高温热养护制备的UHPC的抗压强度最高。Richard等研发RPC800时采用了这一养护方式，抗压强度最高达到了810 MPa。虽然高温热养护可以提高UHPC的抗压强度，但会导致脆性增加。
无论是蒸汽养护、蒸压养护还是高温热养护，其开始时间均在UHPC终凝之后。研究表明，在终凝前对UHPC预压可以进一步提高其抗压强度。预压应力一般在UHPC浇注后、终凝前施加， 这样做有以下好处：1）数秒钟内迅速排除大部分气泡；2）当采用不密水的模板时，数分钟后可将多余的水从模板空隙中排除，研究表明，当施压50MPa、持续30分钟时，可排除20-25%的拌合水，将混合料的堆积密实度提高约2%；3）若预压应力贯穿UHPC的凝结过程，部分化学收缩可以被消除。UHPC的抗压强度与脱模时的相对密实度密切相关（图6），通过预压，可进一步排除材料内部的气泡和水分，从而达到进一步提高UHPC密实度和抗压强度的目的。

图6. UHPC抗压强度与相对密实度的关系

试件类型与试验方法
试件类型（尺寸效应）
Graybeal 对1000多个UHPC试件进行了抗压试验，涵盖了不同形状和不同尺寸的试件（图7）。根据研究结果，总体而言，基于不同形状和尺寸测得的抗压强度相差较小。受加载端板约束效应的影响，基于立方体试件的抗压强度约比圆柱体高5%。此外，基于较小试件测得的抗压强度更高，这一规律与普通混凝土类似，主要原因为：尺寸越大，试件中包含的初始缺陷越多，导致材料强度降低。Abbas等归纳了不同类型UHPC试件间的抗压强度换算系数，如表2所示。

图7. 不同类型的UHPC抗压试件

目前不同国家对UHPC抗压试件的要求不同。我国活性粉末混凝土（RPC）国家标准要求采用100×100×100mm的立方体试件；美国UHPC指南推荐采用Φ76.2×152.4mm的圆柱体试件；而法国UHPC规范要求当纤维长度小于22mm时，采用Φ110×220mm的圆柱体试件，否则采用Φ160×320mm的圆柱体试件，同时规定，当采用其他圆柱体试件或立方体试件时，需要将试验结果换算到标准试件下的结果。

试件端部平整度
Schmidt和Frohlich研究发现，UHPC抗压试件加载端面不平整引起的抗压强度降低值比普通混凝土更为显著。因此，对UHPC进行抗压性能试验时，应对试件两端进行打磨，以确保端面平整（图8）。试件平整度应符合ASTMC39中的有关规定，即任意一个端面的偏角不得超过0.5°。

图8. UHPC轴压试件端部打磨及平整度检查加载速率

由于UHPC的抗压强度较高，若按照普通混凝土试件的加载率进行试验，加载时间将更长。研究发现，当荷载率在0.24-1.7 MPa/s时，UHPC的抗压强度差异小于4%，且对弹性模量和泊松比无明显影响。
目前国际上不同国家推荐的UHPC抗压强度试验加载速率不同，我国RPC国家标准规定为1.2～1.4 MPa/s，美国UHPC指南规定为1.0 MPa/s ，法国UHPC规范规定为0.4~0.8 MPa/s。

二、UHPC的抗压强度发展过程
明确UHPC的强度发展规律对于拆模、预应力施加、收缩开裂控制等都有着十分重要的意义。UHPC从初凝开始逐渐形成强度，而其凝结时间与水泥类型、减水剂的类型与掺量等因素有关，一般初凝时间为10-15小时，终凝时间为12-17小时。与普通混凝土类似，UHPC的抗压强度同样呈渐进式发展，如图9所示。

图9. UHPC抗压强度发展过程实例

Graybeal提出了常温自然养护条件下，UHPC抗压强度的发展方程，如式（1）所示：

式中，fc为28天抗压强度；fc,t为任意龄期t时的抗压强度。
Habel等根据水化反应度方程，提出了自然养护条件下UHPC各种力学指标发展的统一方程，如式（2）所示：

式中，p为UHPC的力学性能指标；r是水化反应度，ro为材料强度开始发展时的水化反应度，当混合料加水32小时后，ro=0.16，90天后r可达0.99；a为计算系数，对于抗压强度取1.1，轴拉强度取2.5，极限拉应变取5，断裂能取4.3，弹性模量取0.8。
目前建立的抗压强度发展方程大多基于自然养护条件。事实上，当采用热养护时，UHPC的抗压强度迅速形成，例如，90℃蒸汽养护下UHPC形成强度一般仅需48小时，175-250℃蒸压养护下则更短，仅需4-8小时。因此，热养护是让UHPC强度加速发展的有效手段。

三、UHPC的受压应力-应变曲线
虽然掺入钢纤维也能提高UHPC的抗压强度，但增幅较小，钢纤维的作用主要还是体现在变形能力和应力-应变曲线上。

若不掺入钢纤维，达到峰值应力后UHPC随即破坏，且破坏过程具有突然性，甚至呈爆炸性；当掺入适量的钢纤维后，UHPC受压时表现出良好的变形能力，且下降段较为平缓。无论掺入钢纤维与否，UHPC受压应力-应变曲线均包含较长的线弹性段，该阶段可达极限抗压强度的80-95%，远高于普通混凝土（一般仅为40-60%），随后是较短的非线性上升段；当掺入了钢纤维时，还将包含较长的下降段（图10）。

图10. 钢纤维对UHPC轴压应力-应变曲线的影响

UHPC在峰值应力下的应变和极限应变均与钢纤维的掺量和类型有关。根据Prabha等的研究，当不掺入钢纤维时，UHPC在峰值应力下的应变和极限应变分别为3437 με和7500 με，当掺入2%长6mm的钢纤维时，相应的应变分别为4442 με和14600 με，变形能力显著提高。此外，UHPC的应变能力还与养护制度有关，Graybeal的研究表明，在自然养护和蒸汽养护条件下，UHPC在峰值应力下的压应变分别为3500 με和4100 με。
按照结构设计的基本原则，用于设计的应力-应变本构关系可基于试验结果，经适当简化，并考虑安全系数后获得。目前一些国家已经对UHPC建立了设计应力-应变曲线方程。图11汇总了法国、澳大利亚、日本、美国等国家相关规范或指南中的抗压应力-应变曲线。

图11. 不同规范或指南中UHPC轴压应力-应变曲线

结语
UHPC的抗压强度不仅与材料组分有关，还与养护制度、试件尺寸、试验方法等密切相关。采用常规的UHPC组分，并进行自然养护或蒸汽养护，可以制取抗压强度为100-230 MPa的UHPC；若采用超硬细骨料（如玄武岩、煅烧的铝矾土或钢砂），浇筑后采用预压成型，并终凝后进行蒸压养护或高温热养护，可以制取抗压强度达800 MPa的UHPC。
UHPC的抗压强度极高，比普通混凝土高了一个数量级，甚至可与钢材相媲美。因此，当UHPC应用于实际工程时，可以显著减小断面尺寸，结构自重仅约为普通混凝土结构的30%～50%。自重的降低不仅可以提高结构的跨越能力，改善抗震性能，还可以减小下部结构尺寸。同时，由于自身强度较高，UHPC结构可以大大简化甚至可以完全取消普通钢筋，简化了施工工艺，降低了劳动力成本，适合于装配化施工。