超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)是一种新型的土木工程材料,与普通混凝土相比,具有极其优异的力学性能和耐久性能,不仅可作为新型的特殊构件,也可以应用于基础设施的维护与加固工程。然而传统的UHPC在实际工程中并未得到广泛应用,其中主要原因之一是该配合比中只含有大量的水泥(1100-1300 kg/m3) 和硅灰 (200-350 kg/m3) , 使得其生产成本极其昂贵; 并且水泥和硅灰的有效利用率仅为30-40%,这极大地浪费了资源和能源。因此利用矿物掺合料取代传统UHPC配合比中的部分水泥或硅灰,是解决UHPC高成本和高能耗的有效方法之一。然而目前缺乏不同矿物掺合料对UHPC宏观性能与微观机理的系统性研究,这严重制约了生态型UHPC的研究与应用进展。本文针对上述问题,应用多种现代测试技术,系统性地研究了石灰石粉、F级与C级粉煤灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土与煅烧粘土对UHPC的宏观性能、水泥水化和微结构演变的影响。试验研究揭示了:(1)石灰石粉和C级粉煤灰能够改善UHPC基体的工作性,降低混凝土的粘度,F级粉煤灰在超过一定掺量下会降低混凝土的流动性。粒化高炉矿渣和煅烧粘土的应用增加了混凝土的粘稠性,降低混凝土的工作性。(2)矿物掺合料的应用会降低单位体积内水泥的含量,改变UHPC体系内有效水灰比w/c值的大小。过高掺量的矿物掺合料会显著提高w/c,使得体系中缺乏足够的水泥参与水化反应,混凝土在后期水化中缺乏足够的C-S-H凝胶;矿物掺合料取代量过低时,仍然有大量的水泥未得到有效利用。UHPC体系中水泥含量与总水量需要保持合适的平衡关系,满足“完全水化理论”有效w/c值,即0.4左右。满足该平衡关系且拌合物工作性较好的UHPC基体,在常温密封养护条件下,56天的抗压强度均能达到150 MPa左右,例如掺加石灰石粉、F级粉煤灰和C级粉煤灰的UHPC抗压强度值分别为 169.6 MPa、167.4 MPa 和 142.9 MPa。(3) F级粉煤灰的火山灰反应和粒化高炉矿渣的水硬性反应对水泥水化的影响较小,然而C级粉煤灰和锻烧粘土(特别是偏高岭土)中可以溶解出大量的铝离子,在孔溶液中形成大量的钙矾石AFt和单碳型碳铝酸盐AFm-Mc,消耗了体系中大量的自由水。该化学反应与水泥水化产生了对自由水的竞争关系,水泥的水化受到严重的抑制,这也影响了体系中Ca(OH)2的生成与消耗。石灰石粉的化学活性取决于UHPC体系中可溶解性铝离子的含量,CaC03与铝离子反应生成AFm-Mc。钙矾石和单碳型碳铝酸盐相的大量形成能够显著降低UHPC的孔隙率,然而对于掺加C级粉煤灰的UHPC,由于生成的钙矾石尺寸较大,与硅灰和水泥水化产物相互混合,对孔结构的细化作用并不明显,但是对于掺加煅烧粘土的UHPC,由于颗粒堆积体系不同,孔结构一定程度上得到细化。(4)选择合适的矿物掺合料取代水泥或硅灰,不仅能够维持UHPC极其优异的力学性能,提高材料的使用效率,还能改善混凝土的流变性能,降低高效减水剂的使用量,这有助于降低UHPC整体的生产成本和CO2排放量,有利于UHPC的大规模普及利用和可持续发展。