1.1 研究背景

二十世纪末期以来，我国土木工程建设高速发展，工程建设从质到量有了巨大的飞跃，其中工程建设中运用最广泛最重要的材料便是混凝土。传统的混凝土是由水泥、石子、砂子和水按照一定比例混合均匀，并凝结硬化后形成的人造石材。由于其原料来源丰富、成本较低、工艺简单、具有良好防火防灾性能而被广泛运用于各种工程中。但传统混凝土存在脆性大、自重大、抗拉性能差等问题，已逐渐不能满足一些工程的技术需要。尤其是二十世纪末以来，随着土木工程行业的发展，对混凝土性能提出了更高的性能要求，促使混凝土朝向更高强度、更高韧性、更高耐久性的方向发展。在科研工作者近几十年的努力下，混凝土行业取得了较多突破，例如自密实混凝土、纤维增强混凝土、高性能混凝土等，其中超高性能混凝土是最具创新力的新型水泥基复合材料之一。

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC）是近年来发展迅速，被定义为抗压强度超过150MPa的一种新型水泥基复合材料。与普通混凝土相比，UHPC具有许多优势：抗压强度至少为150MPa，在蒸气养护条件下可以达到200-400MPa，强度约为普通混凝土的3-5倍；UHPC通常加入钢纤维增强其内部结构，抑制内部裂缝扩散，使得其具有优异的韧性与断裂性能；利用最紧密堆积原理使得UHPC内部具有极其致密的体系，实现了超凡的耐久性能，如几乎无碳化，氯离子渗透和硫酸盐渗透也几乎为零，耐磨性良好等，可大幅度提高工程的使用寿命，减少工程维修次数；在开裂情形下，由于UHPC内存在大量未水化水泥颗粒，使得混凝土具有一定的自修复功能。而大量的工程实践证明，现行的普通混凝土桥梁在实际工程运用中存在经济性、环保性、耐久性等一系列技术难题。因此，结合UHPC特性，超高性能混凝土在桥梁工程中的运用成为国内外学者的研究热点。

然而，虽然UHPC相较普通混凝土具有较大优势，但在桥梁工程运用中依旧存在一些亟待解决问题。比如超高性能混凝土通常使用高剂量的水泥（一般为800-1200kg/m³），且要加入较多的外掺料和外加剂，使得UHPC存在高能耗高成本的问题。因此，研制低能耗低成本的UHPC可大程度上促进其在桥梁工程中的应用。虽然目前国内对UHPC在桥梁的应用研究较多，但依旧存在一些问题，制约了UHPC在桥梁工程中的应用。其中一大制约UHPC在桥梁中应用的因素便是UHPC的能耗与成本，克服了能耗与成本可以大大推进UHPC在桥梁工程以至于其他工程的大量使用；此外虽然国内外对UHPC成本与能耗方面已经作了较多研究，目前已有一些可以参考的生态型超高性能混凝土，而且制备技术也已经基本成熟，但国内还没有典型关于生态型超高性能混凝土在桥梁工程中应用的案例。由此看来，研制一种生态型超高性能混凝土，并尝试将其应用于桥梁中是必要的也是具有突破性的。

生态型超高性能混凝土在国内外已经研究较多，目前UHPC正朝向生态化的方向发展，而生态化既是目前UHPC研究的热点之处，也是其研究的重点与难点。其中UHPC水泥与硅灰用量较高是导致其高能耗与高成本的主要原因。使用废弃材料部分取代水泥或者硅灰等组分，可以降低UHPC成本和能耗，是目前有效制备生态型混凝土的途径。考虑到铅锌尾矿粒径与水泥相近，本课题拟研究回收铅锌尾矿取代水泥以制备生态型超高性能混凝土。

铅锌尾矿是矿石经粉碎和浮选精矿、中矿后余下的微粒状固体堆积废弃物。铅锌尾矿大量堆存不仅占用大量土地，而且会带来工程灾害加剧、水体污染、植被破坏、沙漠化等一系列环境问题；特别是铅锌尾矿中的重金属离子通过淋滤，风化氧化，大气循环等作用侵入环境中，增大污染地域，严重加剧环境污染。目前，在建材邻域一个热点方向是将铅锌尾矿用于煅烧制备水泥熟料。但这个方法存在重金属离子固结程度较低，重金属离子易浸出侵入污染环境的问题。由此考虑利用 UHPC 稳定铅锌尾矿中的重金属离子，实现对重金属离子的固结，以达到减少重金属离子浸出进而保护环境的目的。

基于此，本课题利用最紧密堆积模型，将铅锌尾矿回收，用于取代UHPC中的部分水泥，以研制一种铅锌尾矿基生态型超高性能混凝土，并将其应用于桥梁中，以达到经济环保的目的。

1.2 国内外研究进展

（1）生态型超高性能混凝土研究进展

目前UHPC正朝向生态化的方向发展，而生态化既是目前UHPC研究的热点之处，也是其研究的重点与难点。超高性能混凝土的主要原材料是水泥、硅灰、细骨料、水和减水剂。其中UHPC水泥与硅灰用量较高是导致其高能耗与高成本的主要原因。使用废弃材料部分取代水泥或者硅灰等组分，可以降低UHPC成本和能耗，是目前有效制备生态型混凝土的途径。本文利用废弃材料取代超高性能混凝土中的部分水泥，因此对国内外取代水泥制备生态型超高性能混凝土的典型研究成果进行了简要概述：

NguyenVan Tuan研究了使用稻壳灰取代水泥的可行性，研究结果表明，在利用稻壳灰取代30%的水泥可以制备得到抗压强度超高150MPa超高性能混凝土。Ye等研究表明了稻壳灰取代水泥可以有效降低UHPC的自收缩，并且由于稻壳灰含有较多的活性二氧化硅可以促进UHPC中水泥的水化程度。谢友均等使用粉煤灰替代UHPC中30%-40%的水泥，经高温养护后制备得了抗压强度大200MPa的超高性能混凝土；Li和Ehsan等研究表明粉煤灰替代水泥可以有效降低UHPC的自收缩，但是会增大其干燥收缩。

综上所述，利用废弃物取代水泥制备UHPC是可行的，但需要合理控制废弃物的取代率。利用废弃物取代水泥，一方面可以降低UHPC能耗同时对其某些材料性能也有所改善，另一方面也可以变废为宝，实现废物资源化利用，有助于环境保护。但目前的研究主要是从废料直接取代UHPC中的水泥，未考虑废料取代水泥后对体系紧密堆积的影响，因此对废料取代后对UHPC体系堆积程度的影响也应该进行分析与评价。

（2）超高性能混凝土桥梁研究进展

UHPC是当今国际上非常具有创新性的一种新型复合水泥基材料。UHPC由于其优异的力学性能与耐久性能，自UHPC研发成功起，便在高层建筑、大跨度桥梁、水利工程和国防工程等领域进行运用。许多公路桥梁服役环境恶劣，如高盐环境、盐水冻融，高盐环境中氯离子侵可引发钢筋锈蚀，硫酸盐环境侵蚀会造成混凝土体积变形，这使得结构达不到设计的服役年限就需要维修加固，甚至结构失效。超高性能混凝土由于优异的耐久性使得桥梁设计实现超长寿命具有了可行性，大量围绕桥梁设计和应用的研发相继得以开展。据不完全统计，到2016年底，世界各国应用UHPC材料的桥梁已超过400座（其中超过150座桥梁采用UHPC作为主体结构材料）。因此对国内外典型的UHPC桥梁进行概述：