引言超高性能混凝土（high performance concrete,UHPC）通常是用水泥、细集料、各种纤维、矿物掺合料、高效减水剂等加水后进行拌合，经过凝结和硬化之后形成的一种具有优良的抗压强度、抗拉强度和较高耐久性能的混凝土。在UHPC中掺入钢纤维能够有效改善UHPC的缺陷，而废旧钢纤维在混凝土中的使用大大地保护了环境，实现循环利用。文中主要从基本力学性能及其构件方面对超高性能混凝土及钢纤维对其性能的影响研究进行简要介绍。1超高性能混凝土的发展历程及研究状况1.1发展历程超高性能混凝土是新型材料发展过程中具有创新性的水泥基建筑材料。在1950年以前，混凝土的抗压强度大致能达到40 MPa。20世纪70年代后期，减水剂和具有高活性的掺合料研发使用，使混凝土的抗压强度达到60 MPa。1994年，De Larrard首次将这种新型材料称为超高性能混凝土。Larrard 等[1]在活性粉末混凝（reactive powder concrete，RPC）研究的基础上使用石英砂（粒径最大为0.4 mm）作为骨料，结合均布超细致密体系(DSP)原理，能够减少材料内部的微裂缝和孔隙，所制备的混凝土28 d抗压强度达到160 MPa以上。在之后的研究中，超高性能混凝土材料的研究应用用RPC制备原理作为基础，在如今水泥材料发展中成为主要的研究方向之一[2]。1.2国内外研究现状黄政宇[3]教授使用硅酸盐水泥和硅灰、减水剂，短钢纤维，研制出抗压强度达到以及超过200 MPa的新型混凝土。覃维祖[4]等通过在RPC的基础上加入短钢纤维，不添加粗骨料进行颗粒级配的优化，以及在热养护条件下来进行RPC的制备，研制的混凝土相比普通混凝土具有较好的均匀性、较高的密实度、较好的微观结构，提高了抗压强度，加入钢纤维可以有效提升抗弯强度及抗拉强度。刘斯凤[5]等通过将石英粉和硅灰用外掺料和细骨料替代，其抗压强度最高能达到200 MPa。阎培渝[6]探讨了超高性能混凝土的力学特性、适用情况及其优缺点，分析了超高性能混凝土的制备原理。钢管与UHPC的结合提高了构件的强度以及结构延性，相比于普通混凝土，UHPC有优异的流动性能，在实际施工中更加适用。黄政宇[7]等研究了加入纳米CaCO3（NC）以及纳米SiO2（NS）对UHPC性能的作用。研究发现，掺入纳米CaCO3（NC）以及纳米SiO2（NS）可以有效提升超高性能混凝土的基本力学性能。史才军[8]等就UHPC常用原材料组成对其流动性及强度发展的影响进行了研究。结果表明，水胶比是影响UHPC性能的关键因素。冯乃谦[9]等介绍了超高性能自密实混凝土（UHP-SCC）的组成与性能特点，阐述了UHP-SCC具有优异的技术经济效果和光明的未来发展前景。Nancy[10]等研究以确定生产和使用玻璃砂(GS)部分或全部替代UHPC中的QS的可能性。结果表明：GS替代50%和100%QS时，热固化2天后抗压强度分别为196 MPa和182 MPa左右，而参考UHPC100%QS时抗压强度为204 MPa。Zeger [11]等研究了再生混凝土骨料与钢纤维混合用于超高性能混凝土中的抗压强度、弯曲抗拉强度和弹性模量。Ketan[12]等通过单纤维拉拔试验，定量分析了钢棉掺量对UHPC纤维基体黏结性能的影响。在钢纤维增强UHPC中加入钢棉提供了多尺度增强，显著改善了UHPC的纤维基体黏结和力学性能。Aktham H. Alani[13]等研究了以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为材料，将超细棕榈油燃料灰(UPOFA)与切碎的回收废瓶混合，对超高性能混凝土工程性能和运输性能的影响。结果表明，用UPOFA增强PET纤维可以制备具有良好工程性能和运输性能的UHPPGC。将废弃材料引入混凝土建筑中，既能减少水泥消耗，又能防止环境污染，节约能源。Mircea POPA[14]等通过使用硅酸盐水泥、硅灰、石英粉、钢纤维、减水剂、安山岩混凝土用砂和碎骨料混合配制成UHPC，其抗压强度达到了160 MPa。研究表明，设计超高性能混凝土的混合物是至关重要的，其将决定结构性能水平。Wang[15]等提出了一项纤维增强聚合物(FRP)约束的超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)的抗压性能试验方案的结果。试验结果表明，在提供足够的FRP约束条件下，UHFRC具有良好的延性。然而，由于其超高强度和独特的微观结构，FRP约束的UHPFRC可能比FRP约束的NSC和HSC表现出更多的脆性行为。与FRP约束的NSC和HSC相比，FRP约束的UHFRP的约束效率较低。2超高性能混凝土的性能特点（1）超高性能混凝土超高的力学性能。通过加入较短的钢纤维，使UHPC的抗压强度大大提升，同时也增强了UHPC的抗折强度以及韧性。发展初期使用长度2 mm～6 mm、直径0.15 mm～0.4 mm的平直光圆钢纤维，所配制超高性能混凝土的抗拉强度可达30 MPa，断裂能可达到1 500 N/m～40 000 N/m。掺入异形钢纤维增强了超高性能混凝土的抗拉强度、变形能力、断裂能或韧性。（2）超高性能混凝土优异的耐久性。超高性能混凝土具有优异的耐久性。没有冻融循环、碱-骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、抗磨耗等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高[16]。（3）超高性能混凝土的缺点。虽然UHPC有较多的优良性能，但也有一些缺点。例如，UHPC的水泥用量比较高，达800 kg/m³至～1 000 kg/m³[17]，加大了水化热，会产生一定收缩[18]。在实际工程应用中，采取的养护条件为蒸汽或蒸压养护，而这种养护条件比较复杂，以至于 UHPC在实际施工中使用受限。UHPC中存在着较多的未水化的水泥颗粒，会对混凝土结构造成不利影响[19]。一些研究表明，UHPC应力应变关系表现为直线关系，在到达峰值时发生突然破坏，相比于普通混凝土，表现出较大的脆性[20] 。3废旧钢纤维在超高性能混凝土中的力学研究3.1废旧钢纤维混凝土研究进展关于废旧钢纤维混凝土的研究，国内外展开了大量研究。意大利萨兰托大学的团队围绕回收轮胎钢纤维对混凝土力学性能的增强效果开展了系列研究。他们为了评估混凝土与纤维的黏结特性并确定临界纤维长度，进行了纤维的拉拔试验，并对黏结机理、最大黏结应力和残余黏结应力进行了评估。结果表明，拉拔试验中回收钢纤维试样和工业钢纤维式样相似，其中回收钢纤维主要是由于纤维中有橡胶的存在，纤维的不规则性使得黏结性能得到有效地提高；通过分析不同黏结强度下的破坏类型，提出了回收钢纤维的临界嵌入长度为20 mm～30 mm；回收钢纤维的掺入和工业钢纤维的掺入对混凝土抗压强度的增强效果相当，且裂后表现也类似[21]。G Centonze团队对受弯构件和混凝土板的试验研究中，评价了回收钢纤维的裂后性能，并通过与工业钢纤维的对比，评价回收钢纤维的有效性[22]。Leone[23]对回收轮胎钢纤维混凝土的工作性能、抗压和抗拉强度、韧性和抗剪性能进行了分析，并与工业钢纤维混凝土和普通硅酸盐混凝土进行了比较。考虑到科学文献中的不同实验工作，对剪切强度进行了广泛的比较研究。高玲玲[24]通过对比测试不同掺量的回收钢纤维和普通钢纤维混凝土，研究探讨混凝土的弯曲韧性。由研究结果可知：在混凝土中掺入一定的回收废旧钢纤维，可以有效地增强混凝土的韧性。关于回收轮胎钢纤维对混凝土梁柱节点的增强效果的研究表明，随着回收轮胎钢纤维掺量的提高，试件的基本性能参数均得到了明显的改善，使节点的耗能能力显著地提升[25]。在混凝土梁中，回收钢纤维的加入能够改善开裂性能，改善效果略低于工业钢纤维[26]。综合上述文献可知，回收轮胎钢纤维能够改善混凝土的缺陷，与工业钢纤维混凝土的性能相当：混凝土与废旧钢纤维之间有良好的黏结性[21]；废旧钢纤维混凝土有着较好的裂后性能[22]；废旧钢纤维能够很好改良普通混凝土的脆性缺陷，改善普通混凝土的基本力学性能[27]，可以改善水泥基复合材料的韧性[28]。在混凝土掺入一定的回收轮胎废旧钢纤维，能够有效增强混凝土的抗剪能力；回收钢纤维对梁和梁柱节点等结构构件有着明显的提升效果；工业钢纤维的大部分已知性能可以引用推广到回收废旧钢纤维混凝土中[23]。3.2钢纤维及废旧钢纤维对超高性能混凝土的影响针对钢纤维超高性能混凝土而言，国内外在回收钢纤维超高性能混凝土运用上的相关研究较少，而对关于钢纤维在超高性能混凝土中的运用研究较为丰富。Ragalwar K[29]提到钢纤维通常用于超高性能混凝土中，以增加弯曲韧性和断裂韧性。然而在UHPC中，钢纤维的力学性能没有得到充分利用，这一点可以从UHPC基体中拔出的大多数钢纤维在拉伸或弯曲试验中基本没有损坏得知。因此，利用钢丝绒来改善钢纤维与UHPC基体之间的结合。通过拉拔试验，定量分析了超高性能混凝土中钢纤维含量对纤维基体结合的影响。与不掺钢丝绒的UHPC混合料相比，掺钢丝绒的UHPC混合料的弯曲性能有明显改善。因此，通过在钢纤维增强超高性能混凝土中掺入钢纤维，可以提供多尺度的增强，从而有效提高UHPC的纤维基体结合和力学性能。Yang Juan[30]通过对比两种回收废旧钢纤维与三种工业钢纤维组成的UHPC基本力学性能，研究了它们在高温下的爆炸剥落行为。徐朦[31]进行了多种异形钢纤维对超高性能混凝土力学性能的影响的试验研究，研究了钢纤维形状对其的基本力学的影响。李旦[32] 通过掺入不同长径比和不同掺量的不锈钢纤维来研究该种纤维对UHPC的基本力学性能的影响，同时将不锈钢纤维和镀铜钢纤维的超高性能混凝土放置在氯盐环境下，来对比研究对其表面锈蚀的影响。在力学性能上，不锈钢纤维与普通钢纤维类似，其掺入能使UHPC的基本力学性能得到提高。而纤维掺量能够有效地提高其基本力学性能，且对韧性指数的提高也有着十分显著的效果，加入不锈钢纤维能够明显地增强UHPC的抗锈蚀性能。吴峥[33]研究了直线型和端钩型两种钢纤维对UHPC的流动性、基本力学性能和裂后性能的影响，同时利用荷载-挠度曲线分析不同钢纤维对UHPC性能的影响。Le H[34]对12根钢管超高性能圆钢管混凝土短柱和中柱进行了试验研究。采用强度和应变增强指数（SI和SE）、塑性指数（DI）和强度比（SR）等性能指标，研究了体积分数分别为1%和2%的钢纤维对复合材料力学性能的影响。结果表明，钢管作为UHPC柱的约束方法，在强度和延性方面都有显著的提高，从而限制了UHPC的超脆性破坏。此外，钢纤维对试验柱的强度和延性没有明显的影响。但是，钢纤维的存在对中间柱的破坏模式有一定的影响，并使中间柱的延性略有提高。高绪明[35]研究了不同形状以及不同长径比的钢纤维对于超高性能混凝土基本力学性能的影响，研究变量为纤维掺量以及长径比，通过荷载-挠度曲线来反馈不同钢纤维掺量对超高性能混凝土的增强增韧效果。研究发现：随纤维长径比的增大超高性能混凝土的抗压强度变化很小，而抗弯拉强度却有不同程度的增大；对于超高性能混凝土的流动性来说，纤维类型种类对其影响并不大。杨娟[36]等通过利用废旧轮胎钢纤维来制备含有粗骨料的UHPC，来探究对其基本力学性能的影响。研究发现，含有橡胶颗粒的回收轮胎钢纤维超高性能混凝土有效改善了其韧性性能。4结语文中回顾了UHPC的发展历程及国内外研究进展，介绍了UHPC所具备的超高的基本力学性能以及优异的耐久性，指出目前UHPC存在的一些缺陷，可知UHPC具有明显的性能优势，市场应用前景广阔。