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UHPC（超高性能混凝土）一百问，你想了解的都在这（上）

001.UHPC基底材料的设计原理是什么？

紧密堆积。这是所有致密粉末材料设计的基本原理之一。可参看粉末冶金的相关知识。

002.如何选择UHPC用纤维？

考虑性价比，可优先选用金属纤维，其次是非金属纤维。不同纤维混合使用时，需小心实验后再合理选用。

003.为何不建议UHPC使用大尺寸骨料？

这涉及材料断裂力学问题，包括原始裂纹尺寸大小和缺陷密度问题；也涉及材料匀质性问题，如大颗粒的空间分布问题；还涉及多孔材料中的传质问题，如缺陷尺寸、连通性和缺陷密度问题。

除非必要（或构件断面尺寸足够大），一般不宜采用>5mm的骨料(除非确实必要，如减缩、降温、降低成本等）！

004.UHPC适用于哪些场合？

常规混凝土不能满足要求的地方！

有高抗渗、高抗冻、高抗盐侵蚀要求的地方；

有高抗震、抗爆、抗裂要求的地方；

超大跨度结构、大型壳结构、曲面结构;

旧结构的修补与加固等……

005.如何保证UHPC的基本品质？

无纤维基底材料的立方体(100x100x100mm)抗压强度不低于150MPa，抗拉强度不低于5MPa，渗透性比C80低两个数量级，且无肉眼可见气泡；这些也都是入门级品质要求。

另外，应免除常规混凝土(包括HPC)的常见劣化问题（包括钢筋腐蚀、冻融破坏、碱-骨料反应和硫酸盐侵蚀）困扰，这样的UHPC才配得起真正UHPC的称号；如果仍受这些劣化现象困扰，那就配不上UHPC的称呼。

006.UHPC的抗磨和耐火性能也能高出C80很多吗？

水泥基材料的抗磨性能和抗火性能均需特殊设计，与材料的抗压强度或致密性没有固定关系。

UHPC的抗磨和耐火性能可以设计得非常优异，但与C80相比，不易实现数量级或几个数量级程度的提升。

007.UHPC的弹模为何不容易达到55GPa以上？

材料的弹模本质上取决于材料中主要结合键类型。UHPC仍然是水泥基材料，结合键类型没有发生本质变化，不可能显著提高。

008.什么样的UHPC性价比较高？

以目前国内生产水平看，标准立方抗压强度在150~200MPa之间，抗拉强度在7~12MPa之间，渗透性低于C80两个数量级的UHPC材料性价比较高；随着未来技术发展，这些指标将会发生变化。

009.UHPC最大弱项是什么？

和其它水泥基材料一样，不耐酸腐蚀（包括硫酸盐菌的侵蚀，虽然比OPC好很多）。

自收缩更大，早期开裂敏感性理论上更强（实际不一定）。

010.为何要对UHPC进行蒸养？

主要是消除UHPC的后期经时水化带来的不良影响，如收缩开裂. 徐变等；另外，可提高UHPC的强度和致密程度。

充分蒸养（又称湿热养护、热养护、“热处理”等）能让常温下可水化的胶凝材料尽早完成水化，减少后期经时变化。

所以，有条件蒸养的就尽可能蒸养，不必一味追求免蒸养技术。免蒸养并不总意味着先进，要因材、因境随机应变为好！

011.结构上怎么用UHPC?

这就要看建筑师和结构工程师的手艺了！

UHPC是一大类、或系列材料，它和预应力天生是绝配！掺纤维的UHPC与不掺纤维的UHPC基体材料，和预应力都是绝配！对于蒸养的UHPC，和预应力配合最为理想！很多情况下，和先张预应力配合最棒！

普通配筋时，情况稍复杂！让人烧脑的是如何用好那几个MPa的UHPC抗拉性能！

如果想用UHPC的耐久性能，那就容易多了，用途也会变得极其广泛！比如你可以把它用作结构蒙皮或护套，也可用它来做既有结构的加固，都很棒！

对于裂缝控制或承载力控制的场合，使用UHPC时，考虑上可能要有所不同。

总之，就看你想更多地用它的力学性能，还是耐久性能，还是其综合性能？不能言尽。

012.UHPC结构设计上常遇到的问题有哪些？

一是如何用好UHPC的抗拉性能(包括不掺纤维的UHPC基体材料）？

二是如何降低工程造价？

013.如何用好UHPC的抗拉性能？

尽可能多地将UHPC用在有高韧性或有抗疲劳要求的地方，比如抗震、抗爆工程、地下防护工程、重载铁路工程等。

对于预应结构，可考虑降低几MPa的外加预应力。对于非预应力结构，可将其用于一些有抗拉要求的部位。可通过采用不同配筋，巧妙地进行结构设计。

014.银行金库、寺庙地宫是不是特别适用？

当然！各种金库、寺庙建筑（包括地宫、佛塔、大殿等“千年建筑”）、棺椁、安全房等统统适用。

015.如何降低UHPC的成本或工程造价？

成本或造价本质上是市场问题。追求品质的人一般会把品质保证放在首位，然后再考虑成本优化，不一定非要降低。

如果从耐久性上考虑，选用UHPC的全寿命周期成本应该更低。

如果结构设计人员能充分利用UHPC的力学特性，在结构优化上多下功夫，再综合考虑施工和装配成本，应该能做到不显著增加工程造价，甚至会某种程度上降低！

对于高品质和高要求的结构物，以及一些特殊工程，不能总把降低工程造价作为首要前提！否则做不出传世佳作。

016.UHPC的抗剪性能如何？

肯定要比传统混凝土好得多。不过，在目前的抗剪验算方法上显不出优势。

加上很多人担心纤维取向带来的各向异性的不确定性，目前在抗剪应用上还有些保守。好在很多人都在努力，相信未来会有好的结果。

017.如何减少免蒸UHPC的早期收缩？

除常规的减缩和微膨胀手段外，目前还没有令人眼前一亮的技术，需要更多的技术创新。

由于UHPC的水胶比很低（通常<0.16），即使采用微纳米材料（如沸石、分子筛类）预饱水技术也不能理想地解决此问题。

将来在高分子材料、微纳米颗粒料的表面预处理上多下功夫，看有无突破此技术难题的可能。

采用掺加坚固粗骨料的方式来减少收缩，其前提是不能显著降低材料的抗渗性和力学性能，否则就落入高强HPC范畴了，不再具有UHPC的优异品质。

在没有成熟有效的综合减缩方法以前，宜尽量减少现场浇筑，多多采用工厂蒸养预制。

不过，对于有密封防护护套的灌浆加固场合，可大量采用现浇UHPC，也可掺加适量粗骨料。

018.UHPC有没有一些特殊的收缩问题？

有。可暂时叫它“物理收缩”，它是大量微细颗粒体自身的特有问题，与传统OPC和HPC不同。这也是采用常规手段不能解决相应问题的原因之一。

019.采用大体积UHPC时，需要注意些什么？

尽量避免采用大体积UHPC，如果不得不采用，需特殊设计，不能机械化地一浇了之。

主动采用大体积UHPC并不意味着你的结构设计或施工水平就高!

不得不采用时，从减小温升和减缩角度考虑，可以适当掺加一定量的粗骨料，前提是不能显著降低其品质；也可采用适量预饱水微细粉体材料。

能否采用水化热抑制剂需由实验确定。

020.难道用UHPC，首先要考虑轻、薄、脆、透的应用场合？

不是首先要考虑这些场合，而是过去那些重、厚、笨、死的混凝土结构在采用UHPC后，通过结构优化，会变成这些样子！

021.UHPC为啥要测抗拉性能？

UHPC区别于OPC、HPC的典型性能就是它的抗拉性能，这也是结构设计人员最感兴趣的力学性能，所以要测。

022.UHPC为啥要用直拉试验？

因为最直接，最省事！

有些国家用UHPC的抗弯性能来反算它的抗拉性能。对于不掺纤维的基底材料来讲，应该是存在固定换算关系的；对于掺纤维的UHPC，应该不存在唯一换算关系，所以还不如直接测量来得痛快！

对于直拉试验，不同国家采用的试件形状和尺寸也不尽相同。有的采用板状试件，有的采用哑铃（狗骨）试件，有的采用棱柱体；有的采用切口试件，有的不采用切口试件；有的试件要求打磨掉表面浮浆层，有的则不要求；测试时，有的要求试件与夹头固接，有的则要求铰接，等等。

这些测试结果之间能否进行直接换算，除理论推导修正外，还应考虑试件尺寸效应和具体测试技术之间的差别，最好通过做对比试验来加以确定。

023.UHPC的弹性段应变怎么测比较方便？

用纸基应变片测就比较方便。

若用引伸计或位移计，需要的精度和数据采集速率都比较高，很昂贵；万一触头有滑动，数据很难看。千万别用精度不高的数字千分表去测！

024.UHPC的初裂及初裂后的应变不易测准，怎么办？

纸基应变片只要贴好了，很容易获得UHPC的初裂时间和应变，甚至初裂后的部分裂缝扩展应变也可获得。

初裂后的应变确实不易测准。无论你采用多好的引伸计或位移计，都不易测准。因为试件有时会发生扭转，位移计触头有时会发生滑移等。所以要多测一些试件，找出代表的数据来反映材料的直拉特性；发表时可将所有数据同时发表，千万不能捡其中最牛的曲线去发表，更不能拿其中最牛的曲线去吹牛，不然牛皮吹多了，也总有吹破或掉坑里的时候。

某种意义上讲，初裂后的应变数据也仅可用作参考；对于那些“特别好、特别理想”的裂后应力应变曲线，有时可不必特别当真。

025.能用GB/T50081的UHPC抗弯强度换算为T/CBMF37的抗拉强度吗？

绝不可以呀！除非你测量的是不掺纤维的基体材料；或是你参考了国内外标准测试方法，对掺纤维UHPC的抗弯试验进行了改进，并在大量试验和数据统计分析基础上找到了换算关系及误差波动范围，否则就别去机械化地进行“理论”换算；因为单单因试件尺寸效应引起的误差，你就无法忽略！

026.只有抗弯强度测试条件怎么办？

可否请结构设计单位（或通过监理建议设计单位）提供相关的抗弯强度要求最小值或范围？

027.UHPC的抗弯性能可否用于材料或产品检验和进场验收？

完全可以。对于材料供应商和使用方来讲，可通过合同进行约定。

如果只规定了材料或产品的抗拉性能，若满足以下情况，供需双方仍可按抗弯性能对材料或产品进行检验和进场验收：

（1）供应商有足够的自测数据可证明其所提供的UHPC材料或产品的抗拉性能和抗弯性能指标之间存在稳定的对应关系；

（2）经供需双方认可的第三方测试证明供应商所提供的UHPC材料或产品的抗拉性能和抗弯性能指标之间存在稳定的对应关系。

028.如何建立UHPC抗弯性能与抗拉性能指标间的关系？

可参照GB/T50081的四点抗弯试验，规定试件尺寸为100x100x400mm，在试件跨中底部粘贴纸基应变片来检测其初裂抗弯强度，在试件中和轴的跨中位置设置位移计来检测试件的抗弯强度；这样通过大量试验和数据统计来找出抗弯初裂强度和抗弯强度分别与T/CBMF37所测的弹性极限抗拉强度和峰值抗拉强度间的对应或换算关系，并同时确定出其误差范围。

需要注意的是，应变变化无法对应！

029.如何建立UHPC的劈裂性能与抗拉性能指标间的关系？

别用立方体劈裂试验，可选用巴西劈裂试验，即采用GB/T50081中的圆柱体劈裂试件Ф100x200mm，在底圆中心粘贴纸基应变片或位移计来检测试件的初裂强度或劈裂强度，然后再与T/CBMF37所测的弹性极限抗拉强度或峰值抗拉强度进行比对，通过大量数据统计看能否建立起对应或换算关系。

注意：掺纤维UHPC的劈裂圆柱体的初裂强度和劈裂强度并不易测准；不掺纤维的基底强度间可能会找到合适的换算关系。

030.小8字模或比例放大的8字模试件可用做UHPC的抗拉试件吗？

肯定可以用作拉伸试件，用来测试初裂强度和抗拉强度技术上可行的，但是其应变数据不好用，因为其基准拉伸长度区间明确。

另外，小8字模试件尺寸小，纤维在其中的分布与实际构件有显著差别，故由它测得的强度值会明显高于实际值。

031.UHPC抗拉试件有的要求从一头浇筑，有的不要求，为什么？

国外的试件制备有的有这样的要求。这主要是考虑了新拌UHPC的流动性和纤维分布以及取向的影响。

如果特别重视浇筑方式及纤维取向的影响，可参考法国和瑞士的一些做法。可参考实际浇筑工艺，浇筑成型大尺寸构件，然后从该构件中的不同部位，考虑不同纤维取向而切取一定数量的试块，将切割的试块加工成标准测试试件进行性能测试。

无论哪种方式，只要测试试件数量足够多，总是可以找到材料的典型代表性统计数据的。

032.有的规定蒸养试件要冷却到室温才可进行测试，不这样做行吗？

考虑到温度变形，要粘贴应变片和安装位移计等测试工序，最好能冷却到室温并在统一测试条件下进行测试。

如果只是横向比较，或想尽快知道某个特征值是否达到了规定要求，如初裂强度或抗拉强度，也可规定一个相同测试条件，如蒸养后即刻测，也是可以的，当然如果你能操作的话。不过，不同温度下的测试结果是不能直接比较或等效的，尽管有的数据对温度或湿度不一定那么敏感。

033.机械加工的直拉试件与直接浇筑的试件哪个更好？

不能说哪个更好！这不仅取决于机械加工或浇筑水平，还取决于材料特性。

如果机械加工要求不明确，或加工质量不佳，造成试件受拉区或变截面区有肉眼不可见缺陷，就可能产生负偏差；另外，一些机械加工用的油脂污染，也可能带来不良影响。

直接浇筑试件的成型面通常是试件的薄弱区域，直拉时多半会由此开裂。如果纤维明显分布不均，可能会引起剪切破坏或试件扭转，测试结果的离散性可能更大。

鉴于浇筑成型面的这些影响，浇筑试件的直拉测试结果通常会比机械加工试件的小，也就是说，如果要达到同样的规定值，用直接浇筑试件来进行测试，结果会更加保守一些；另外，考虑实际施工状况，直接浇筑试件的测试结果相对于机械加工试件的结果可能会更加偏安全一些。

034.为何国内外多采用哑铃（狗骨）试件作为直拉试件？

这都是基于大量有限元计算和实际试验后确定的。当然，还考虑了测试的便宜性和可操作性。

真正的学问在于试件变截面和直拉区的设计，重点是要消除局部应力集中。

035.用板状试样做直拉不是更方便？

方便是方便，可是纤维取向的影响有时不可忽略！

036.直拉试件的截面尺寸是不是越大越好？

不一定。试件截面尺寸越大，拉力机的量程也要越大，但测量精度就不一定能保证。另外，试件尺寸越大，尺寸效应，特别是缺陷影响程度可能越大，测量结果离散性有时会更大。

直拉试件的截面尺寸若能兼顾实际构件的典型截面尺寸和测试设备的精度，那应该是比较合适的。

037.力控制和位移控制加载方式哪个更合适？

不好说哪个更合适。有人认为弹性段用力控制更合适，裂后用位移控制更合适；有人认为统一用力控制或用位移控制都可以。

如果能结合实际构件的使用工况，则可规定出合适的加载方式。不好规定时，可选定某种加载方式进行对比即可。

038.UHPC的初裂强度与基体材料的抗拉强度有关系吗？

有。UHPC的初裂强度通常与基体的抗拉强度较为接近，通常情况下可能略高于基体抗拉强度10~20%。初裂应变也与基体的较为接近，比如基体的若在150~160微应变时，掺纤维的可能在180~200微应变。

因此，UHPC弹性段的贡献70~80%来自于基体贡献；所以说，只有做好了UHPC基体材料，才能做好UHPC，原因就在于此！

039.裂后性能与基体强度是什么关系？

裂后变形性能取决于纤维性能和纤维与基体的界面粘结强度。

当纤维抗拉强度和变形能力强时，如果它与基体的结合强度越高，则更容易实现表观应变硬化；否则，越不易。

一般地，基体强度越高，越致密，纤维的亲水性越高，两者之间的粘结强度就越高。所以说，高的基体强度对UHPC裂后的变形性能贡献也相对较大。

040.UHPC的初裂应变、峰值应变、极限应变怎么取？

对于抗压或抗拉的初裂应变，通常可取为200(150~200)微应变；

峰值压应变可取为2000(1500~2000)微应变，极限压应变可取为4000微应变；

对于表观应变硬化的UHPC，可规定其峰值拉应变不低于1500微应变，极限应变不低于1500~2000微应变。

041.UHPC不总在含氯环境中，为何要用氯离子扩散系数表征它的抗渗性？

水泥基材料的劣化(含碳化)都离不水，所以过去常用渗水压或渗水系数来表征材料的抗渗性。它的测试原理是要求水能在压力作用下稳定流动；当然，这一要求也适用于其它流体，如油或其它有机液体(可参见钻井或石油领域的相关论著)。

当水泥基材料中的孔隙结构不允许流体在其中流动时，物质粒子的扩散就成为其中主要的传质过程。在水溶液中，迁移能力较强的粒子是氢离子、氢氧根离子和一些卤素离子，如氯离子。由于氢、氢氧根离子材料中事先大量存在，定量测量技术门槛高，再加上考虑劣化环境因素的影响，人们就选用氯离子在其中的扩散难易来间接反映水泥基材料的抗渗性；此时，氯离子只是一个量测水泥基材料抗渗性高低的尺子，并不一定要求材料在含氯环境中使用才这样做，不少人在这一点上产生了误解，卡了壳！

法国采用透气性、表面吸水率、电迁移下的氯离子扩散系数来表征UHPC的抗渗性。大家一定要注意：水泥基材料中的气体传输要比水或氯离子传输复杂得多，除了化学反应要摒除外，还要考虑气体在孔隙中的物理和化学吸附与吸收，以及含水率的影响；即使对于渗透较高的OPC或HPC，其测量结果争议性都比较大，更不用说用于渗透性极低的UHPC了，在测试技术上完全不用考虑！

对于表面吸水率，由于UHPC的孔隙率很低，孔径很小，连通性很差，所以，采用表面吸水率来表征UHPC的渗透性完全不可取，大家也不必考虑。

对于电迁移下的氯离子扩散系数测试，请大家记住：凡是采用显色深度来计算扩散系数的方法，对于UHPC完全可以放弃！即使对于HPC，其测量误差通常也高于25%，可是一些明知它存在严重缺陷的“专业”人员，却仍死死抱住不放，这里面除了一些私利外，也给实际工程检测结果的”合理“调整预留了很大随意空间（试验方法误差越大，有些人越喜欢）！

即使NEL法也不能完全适用于当前的UHPC，它所测的结果只是UHPC本体特性的一个间接反应，好在测量结果看上去还相对凑合。

这就是为什么目前仍暂时选用氯离子扩散系数来表征UHPC抗渗性大小的一些原由，它也适用于HPC的情况。

因此，对于UHPC的抗渗性表征方法还应进行深入探索。示踪原子（或离子）法看上去可行，但操作性差；文献中的EPMA法本就存在严重错误，大家不必在该方法上浪费时间。

042.NEL法的英文全称到底是什么？

NEL指Nernst-Einstein-Lab；Lab指Laboratory；指基于能斯特-爱因斯坦方程的氯离子扩散系数室内试验方法。

本来还有一个NEF法，即Nernst-Einstein-Field方法，当年看到那么多丑陋的事，寒心了，就没有再往外推了。

【忍不住吐槽一下：到目前为止，国内所用的ASTM C1202试样夹具相当一部分是直接抄袭路老师90年代的改进设计版本；网上还在售卖的NEL-PDR检测和配套设备都是直接抄袭和盗版路老师本世纪初的开发版本；还有人将其它电测法与NEL法捆绑在一起就算作自己的科研成果，真是好笑~正是由于这些人的一知半解，加上个别标准制订者的偏见，让一个好端端的试验方法就这样毁掉了~】

043.UHPC的抗渗性必须做吗？

设计有要求时则必须做。

一般地，当UHPC的基体抗压强度和掺纤维UHPC抗压强都能达到150MPa及以上者(掺纤维不当时，强度有时会降低)，可以免除抗渗性能检验。

044.能用直接浇筑的圆块来测量UHPC的抗渗性吗？

绝对不可以！因为其表面皮肤效应不可忽略，一定要按规定要求做。

045.如何判定NEL法测试结果的合理性？

测试中得到的伏安曲线越是接近通过原点的直线，则测试结果越准确、越合理；平行试样的测试结果越相近，则测试质量越好。

046.NEL法测试结果离散较大，怎么办？

有条件重做的重做。无条件重做的，视平行测试结果的数据分布，取中间值或最大值作为该材料的测试值。若从严要求的话，取最大值。

047.NEL法测量时，如何消除电极与试样间的接触电阻？

用饱盐溶液将铜电极表面或试件被测区湿润即可。

048.NEL法饱盐试件可以反复测试吗？

不可以。因为第二次测量时的初始条件已与初次测量时不同了。

若遇到中途停电，或设备出问题，或其它随机事件，就想在测试一遍后再进行第二次测量，那该怎么办呢？可将饱盐的试件在饱盐溶液中自然浸泡72h或一周以上再来测量；如果是一批试件，则需同批同条件重测，且选用同一批次数据，不可前后批数据混杂。

049.NEL法饱盐试件可以反复饱盐吗？

不可以。除非你就想看看会发生什么变化。

050.NEL法最大的缺点是什么？

目前尚无法事先知道试件饱盐是否饱透了，只有在测量中或测试后才可以知道。

怎么叫饱盐饱透了呢？只要测试过程中得到的伏安曲线是近似过原点的直线就算是饱透了！绝不是像有些人想象的那样，用压力机劈开试件，喷上显色剂，看到满眼的氯离子才算饱透！为什么？这需要由材料缺陷密度和连续通道模型来解释。

（待续）

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