超高性能混凝土(ultral-high performance concrete，UHPC)是根据颗粒最紧密堆积和纤维增强技术进行设计的新品种水泥基结构材料.它能够充分发挥与利用均布其内部的钢纤维的抗拉强度，从而表现出高抗拉强度、高韧性和应变硬化行为^[1].同时由于UHPC本身的高致密性、多点微裂纹开裂方式以及裂纹自修复性能，使得UHPC具有优异的抗渗性能和耐久性能^[2].UHPC现已广泛应用于公路桥梁、海工结构、防爆工程等领域，但随着大跨结构及高层建筑的快速发展，对混凝土材料提出更高标准.假如在保持UHPC超高力学性能及耐久性的同时，进一步降低其密度，将进一步降低UHPC结构自重、减少地基压力，为建筑的大跨度化、高层化创造更有力条件.

国内外对高强轻质混凝土已经进行了多年研究.丁庆军等^[3]配制出表观密度1 850~2 050 kg/m³、28 d抗压强度50.7~62.9 MPa、抗折强度4.9~8.9 MPa的高强高韧性轻集料混凝土.黄绍龙等^[4]研发出了适用于钢箱梁桥面的轻质高韧性混凝土桥面铺装材料，其表观密度为1 950 kg/m³，抗折强度达9.5 MPa.Iqbal等^[5]研究了钢纤维的掺量对高强轻质自密实混凝土的影响，结果显示，随着钢纤维掺量从0%增加到1.25%，高强轻质自密实混凝土的密度基本保持不变(1 741~1 749 kg/m³)，28 d抗压强度从67.8 MPa下降到59.74 MPa，28 d抗折强度则从3.7 MPa增加到7.62 MPa.上述研究的高强轻质混凝土的力学性能虽然已有大幅提升，但仍显著低于常规密度UHPC的性能.

本文作者之前在新加坡国立大学参与研发了超轻高强水泥复合材料(ultra lightweight cement composites，ULCC)^[6-7]，是一种由高强水泥浆体、均布其中的漂珠和纤维组成的混合物，其密度仅为1 450 kg/m³，但抗压强度高达60 MPa，比强度高达41.3 (N/m²)/(kg/m³).本课题组结合ULCC的设计理念，以漂珠代替部分细砂作为轻集料，采用多元粉体最紧密堆积优化设计方法，进一步把水胶比降低到0.25以内，并加入2%体积掺率的钢纤维，研发出超高性能轻质混凝土(ultra high performance lightweight concrete, UHPLC)，使其在1 950 kg/m³的轻质混凝土密度范围以内，实现80 MPa以上的超高抗压强度和拉伸应变强化特性，该材料将有望应用于桥梁、海洋工程等对结构自重有高要求的结构工程.

本文研究了不同养护制度(标准养护及高温蒸汽养护)及养护龄期对UHPLC力学性能的影响，包括抗压强度、轴拉力学性能和弯曲力学性能，最后利用扫描电镜观察了UHPLC中漂珠的微观形貌，为UHPLC的实际应用与推广提供了基础数据.

1 试验概况 1.1 试验原材料及配合比

UHPLC的基体配合比见表 1，其设计密度为1 800 kg/m³，水胶比为0.22，钢纤维掺量为2%.其中水泥采用江南小野田水泥厂生产的P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥，28 d抗压强度为60.1 MPa；硅灰采用埃肯公司生产的微硅粉，平均粒径为0.10~0.15 μm，比表面积为22 000 m²/kg，SiO₂质量分数为94.48%；细骨料采用粒径范围在0.16~0.3 mm的单级配石英砂和粒径范围在10~300 μm的漂珠，其粒径分布曲线见图 1；减水剂采用粉末状聚羧酸系高效减水剂，减水率为23%；钢纤维采用平直形钢纤维，相关性能参数见表 2.

1.2 试件制备及养护方法

1) 试件制备方法

UHPLC成型搅拌程序为：启动搅拌机→投入粉料(水泥、硅灰、漂珠、石英砂)→干拌3 min→加水和减水剂→搅拌3~5 min(物料达到流化状态)→投入纤维→继续搅拌2 min以上→出料.搅拌完成后，将搅拌物浇筑在钢模中，经抹面后加盖塑料膜，以防止水分快速散失，室温下静置48 h后拆模.

2) 养护方法及试件分类

将脱模后的试件分别用下列2种制度进行养护：1)标准养护：温度为20±3 ℃，相对湿度90%以上；2)高温蒸汽养护：在100 ℃蒸汽条件下恒温养护70 h，升温速率为50 ℃/h，降温速率10 ℃/h.

试件分成A、B、C、D四个组，具体信息见表 3.每组含3个抗压试件、3根轴拉试件以及3根弯曲试件.用于抗压试验的试件是边长100 mm的立方体试件.轴拉试件尺寸见图 2(a)，其中间段的截面尺寸为50 mm×100 mm，均大于纤维长度的三倍值，有助于纤维在试件中的三维均匀分布，降低纤维取向分布的影响.用于四点弯曲试验的棱柱体试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，见图 2(b).

1.3 加载装置和试验方法 1.3.1 轴拉试验仪器

在30 t电子伺服万能试验机上进行UHPLC的轴拉试验.为避免轴拉加载偏心，本课题组设计了一套专用夹具，见图 3.骨头形试件由上下两个特制夹具固定住，中间纯拉段固定有两个矩形金属架，两者之间距离即为试件的测试标距L，本文定为150 mm.两个金属架用来安装精度为0.000 1 mm的4个线性可变位移计(LVDT)，以便测量轴向拉伸变形，并转化为试件的应变值$\varepsilon \left( {\varepsilon = \frac{{\Delta {l_1} + \Delta {l_2} + \Delta {l_3} + \Delta {l_4}}}{{4L}} \times } \right.100\% $，Δl₁, Δl₂, Δl₃, Δl₄为4个位移计变形值，最终与电脑采集的轴拉应力值形成轴拉应力-应变曲线).试验加载速度设置为0.05 mm/min，直至试件拉应力小于峰值应力的20%结束试验，整个试验过程在1 h左右.

1.3.2 四点弯曲试验仪器

本文四点弯曲试验按ASTM C1609^[8]的方法进行.试验装置见图 4，加载装置采用30 t电子伺服万能试验机，试验加载跨度为300 mm，采用等位移加载控制方法.试件跨中两侧对称布置两个光栅位移传感器以测量其挠度值，并与数据采集系统和试验机测得的荷载值形成荷载-跨中挠度曲线.试验加载速度为0.5 mm/min，当荷载值超过0.5 kN时，试验进入正式加载阶段，整个试验过程约15 min.

2 结果与分析 2.1 抗压试验结果

表 4给出了UHPLC的100 mm立方体抗压强度，由数据可知，不同养护制度的UHPLC的抗压强度为90~105 MPa.标准养护条件下，随着养护时间从28 d增加至120 d，UHPLC抗压强度增加10 MPa.高温蒸汽养护3 d的UHPLC-H3d的抗压强度略微超过标准养护28 d UHPLC-N28d的抗压强度，然而再继续标准养护117 d后，抗压强度无明显增长，且低于标准养护120 d的强度.

2.2 轴拉试验结果

轴拉试验中，各类型UHPLC均含3根试件，每根试件的原始试验数据采用插值法筛选出3 000个点，应变的取值范围为0~0.6%，然后绘制出3根试件的轴拉应力-应变曲线，再采用绘图软件Origin9.0对3条应力-应变曲线进行平均和离散性处理，见图 5，最后将每组试件的平均应力-应变曲线汇总于图 6.本文根据极限应变值把UHPLC对应为瑞士SIA 2052规范^[9]的UO(应变软化)、UA(强化极限应变＞0.15%)和UB(强化极限应变＞0.2%)3种等级的高性能混凝土.

从表 3和表 5可知：在标准养护下，随着龄期从28 d增加至120 d，UHPLC的抗压强度和弹性极限抗拉强度f_Ute分别从93.5 MPa、4.10 MPa增加到103.1 MPa、5.72 MPa，说明UHPLC基体强度随龄期增长有所增加.同时，结合图 6和表 5可知：随着龄期增加，UHPLC的极限抗拉强度和极限拉应变分别由5.05 MPa、0.072%增加至7.60 MPa、0.431%，并出现明显的应变强化现象.由于UHPLC的弹性段强度主要由其基体决定，塑性段强度主要由纤维与基体的界面黏结强度所决定，因此说明养护龄期增长对于纤维-UHPLC界面黏结强度也有显著提高作用.

与标准养护28 d的UHPLC-N28d相比，经高温蒸汽养护3 d的UHPLC-H3d的弹性极限抗拉强度由4.10 MPa增加到5.91 MPa，说明高温蒸汽养护可加速基体强度发展.另一方面，其轴拉应力-应变曲线在弹性段之后出现应变软化现象，说明高温蒸汽养护3 d对纤维-UHPLC界面黏结强度的贡献不大，纤维容易脱粘出现软化现象.作为对照，经蒸汽养护3 d再经标准养护养护117 d的UHPLC-H3d-N120d，其轴拉应力-应变曲线与标准养护120 d的UHPLC-N120d的曲线一样出现应变强化现象，且各轴拉性能特征参数基本一致，除了轴拉应变超过0.4%以后的软化段有所差别，见图 6.这说明当养护龄期较长时，蒸养与非蒸养的UHPLC的轴拉力学性能区别较小.

2.3 弯曲试验结果

弯曲试验中，各类型UHPLC均含3根试件，每根试件的原始试验数据采用插值法筛选出3 000个点，挠度的取值范围为0~2 mm，然后绘制出3根试件的弯曲强度-跨中挠度曲线，再采用绘图软件Origin9.0对3条弯曲强度-跨中挠度曲线进行平均和离散性处理，见图 7，最后将每组试件的平均弯曲强度-跨中挠度曲线及包络图汇总于图 8.各曲线都有明显的挠度硬化段.

根据ASTM C1609^[8]计算得到的不同类型UHPLC的弯曲性能参数汇总于表 6.由表 6可知：标准养护条件下，随着龄期从28 d增加至120 d，UHPLC的弯曲峰值强度从18.93 MPa增加到22.43 MPa，弯曲韧性T₁₀₀¹⁵⁰从145.53 J增加到181.93 J，说明随着养护时间的增长，UHPLC的弯曲性能进一步提升，与UHPLC轴拉试验结果表现出的力学性能一致.

与标准养护28 d的UHPLC-N28d相比，经高温蒸汽养护3 d的UHPLC-H3d的弯曲峰值强度从18.93 MPa增加到20.30 MPa，弯曲韧性T₁₀₀¹⁵⁰从145.53 J增加到166.78 J，说明高温蒸汽养护3 d可促进UHPLC的弯曲性能迅速达到标准养护28 d时的水平.经高温蒸汽养护3 d后再经标准养护117 d的UHPLC-H3d-N120d，其各弯曲性能参数均略低于标准养护UHPLC-N120d的参数，说明高温蒸汽养护对UHPLC早期弯曲性能发展有利，对UHPLC后期弯曲性能发展稍有不利.同时从图 7(c)、(d)可看出高温蒸养后的UHPLC的弯曲强度-跨中挠度曲线离散性大，这可能是蒸汽养护过程中材料受热不均，导致材料性能不稳定.

4种类型中，UHPLC-N28d的弯曲峰值强度最小，为18.9 MPa，已达到了RPC140的抗折强度要求^[10]；UHPLC-N120d的峰值强度最大，为22.43 MPa，已达到了RPC160的抗折强度要求，并且其比抗弯强度(抗弯峰值强度与密度的比值)为12.36 (N/m²)/(kg/m³)，表现出良好的抗弯性能.

3 微观结构

为观察UHPLC的内部微观结构，将UHPLC-N28d、UHPLC-N120d、UHPLC-H3d、UHPLC-H3d- N120d分别取样，利用扫描电镜(scanning electron microscope，简称SEM)进行测试.

图 9是UHPLC-N28d基体放大1 500倍后的SEM图.基体比较密实，漂珠周围存在原始孔洞，其内壁光滑，未见到反应产物，说明漂珠在标准养护28 d后仍比较稳定，其含有的无定型SiO₂未与水泥水化产物Ca(OH)₂发生火山灰反应.

图 10(a)、(b)分别是UHPLC-N120d基体放大1 000倍与5 000倍的SEM图.从图 10(a)中可以看出，漂珠与水泥浆体的界面黏结较好.部分漂珠内壁形成了须状的水化产物，见10(b)，其长度约为10 μm.

图 11是UHPLC-H3d基体放大1 200倍的SEM图.UHPLC-H3d漂珠周围存在多处原始孔洞，但无明显反应产物出现.

图 12(a)、(b)分别是UHPLC-H3d-N120d基体放大1 000倍与15 000倍的SEM图.从图 12(a)中可看出，UHPLC-H3d-N120d漂珠内壁同样出现显著的多处孔洞.与UHPLC-H3d不同，其漂珠内壁产生了纵横交错的层片状水化产物，这与作者之前关于漂珠在轻质水泥基材料中的碱骨料反应研究^[6]中发现的水化产物铝钙矾石(aluminum tobermorite，Ca₅Si₅Al(OH)O₁₇·5H₂O)相似.

4 结论

1) 标准养护条件下，随着龄期增加，UHPLC的抗压强度增加，轴拉和弯曲性能显著提高，并出现明显的应变强化现象，说明养护龄期对UHPLC基体强度和纤维-基体的界面黏结强度均有提高作用.

2) 高温蒸汽养护3 d可促进UHPLC的抗压强度和弯曲性能迅速达到标准养护28 d时的水平，显著缩短养护龄期，然而其轴拉应力-应变曲线在弹性段之后出现应变软化现象，说明高温蒸汽养护3 d对于纤维-UHPLC界面黏结强度的增长贡献不大.

3) 经高温蒸汽养护3 d后再经标准养护117 d的UHPLC的抗压强度、弯曲峰值强度均低于标准养护120 d的UHPLC的强度，说明高温蒸汽养护3 d不利于UHPLC基体后期强度发展，但是其轴拉性能特征参数基本一致，说明纤维-UHPLC界面黏结强度主要受龄期影响.

4) 标准养护120 d后漂珠内壁出现须状水化产物.经高温蒸汽3 d后再经标准养护117 d的漂珠内壁出现纵横交错的层片状水化产物.

5) 标准养护120 d的UHPLC设计密度为1 800 kg/m³，实测密度为1 815.2 kg/m³，水胶比为0.22，100 mm立方体抗压强度为103.1 MPa，极限抗拉强度为7.60 MPa，极限拉应变为0.431%，出现明显的应变强化现象.同时，弯曲峰值强度达22.43 MPa，弯曲韧性T₁₅₀¹⁰⁰为181.93 J，达到了RPC160的抗折强度要求.