UHPC材料设计的理论基础
（一）孔与强度的关系
1949年所提出的Balshin公式表示了水泥基材料孔与强度的关系为：σ=σ0（1-P0）A.
其中，σ0代表理想强度，P0代表孔隙率，这表明材料的强度与孔隙率呈反比关系，而孔隙是决定材料宏观性质的关键因素。因此，如何制备出孔隙率较低的材料是提升水泥基强度的一个重要切入点。
许多研究者尝试从细微观的角度制备低孔隙率材料以解决问题，如采用极低的水胶比以降低材料的孔隙率，但对于UHPC的制备这只是其中一个必要条件，不是**条件。，1972年，D.M.Roy提出了用高压压制成型的方法在材料制备过程中压制成孔隙率很低的高强材料，但该方法很难应用于实际，无工程应用价值。因此，如何“有效”降低水泥基材料的孔隙率是制备高等级混凝土的必经之路。
（二）减少孔的途径的新思路
1978年，Bache提出了从细观尺度颗粒堆积入手从而实现密实度的新思路，即DensifiedSystemwithUltra-FineParticles,简称DSP理论。如水泥净浆、超塑化水泥净浆和DSP体系的密实度示意图所示，堆积水泥颗粒，再将更加细小的硅灰颗粒堆积在水泥堆积体系的空隙中，以实现高密实度和低孔隙率。
UHPC材料设计与制备的基本理论前提是必须保证颗粒之间的紧密堆积，这可以通过“数学模型”的方法求解。大卫·希尔伯特在1900年曾提出“如何使用全等多面体构造zui密集空间”这一问题，如图所示。在上述前提下，我们可以利用数学方法解决混凝土科学的问题，即利用数学模型求解颗粒的堆积问题，保证颗粒的紧密堆积，使孔隙率降低，从而制备出高强的水泥基材料。
UHPC材料设计的方法
制备UHPC材料的成分多样，如硅灰或纳米硅材料、大颗粒的粗骨料和细骨料等。各成分颗粒粒径分布不均，并不是由单一粒径堆积，而是由纳米、微米、毫米多尺度的粒径堆积。
2014年，团队使用ModifiedAndreasen&Andersen（MAA）设计配合比模型，完美的将UHPC内所有颗粒的关系展现出来，以实现颗粒间zui紧密堆积。这一研究成果得到了同行学者的广泛关注与肯定。ModifiedA&AModel设计配合比模型如图所示。
但颗粒紧密堆积后水、减水剂等液体材料的加入可能会对整个堆积体系造成影响。因此，团队在2017年用“曲线救国”的思路，尝试绕开水和减水剂对颗粒堆积的影响，用数学、物理的方法建模，研究每一个变量对UHPC性能的影响，寻找出zui容易制备UHPC的配方。但此方法仍不够严谨，并不知道在具体制备时内部会发生什么样的反应。在2019年，团队将水和减水剂植入到颗粒紧密堆积体系当中，并建立了湿堆积密实度与力学性能之间的关系，进一步把UHPC内部的孔细分到不同的尺度，借助仪器、计算机等观察堆积情况。湿堆积密实度颗粒优化这一成果可以作为UHPC制备过程的理论基础。加入水和减水剂后的湿堆积密实度分析结果如图所示。
除了上述问题外，由于颗粒的形状是类球形，钢纤维的形状是长棒状，二者在几何上有十分大的差异，所以钢纤维的加入对于颗粒堆积体系也有较大的影响。为决这一问题，团队通过寻找钢纤维“等效直径”的思路，即尝试找到长棒状钢纤维对整个周围颗粒堆积湿堆积密实程度的影响，进而将长棒状的钢纤维转换为具有“等效直径”的球形颗粒，将钢纤维等效直径纳入UHPC颗粒堆积模型的研究。钢纤维等效直径纳入UHPC堆积模型如图所示。
，团队目前正在朝着“人工智能”和“大数据”的思路来制备UHPC,如：基于人工神经网络的优化设计与性能预测，在以湿堆积为理论基础的指导之上**的制备UHPC.利用人工智能制备的UHPC密实度分析结果如图所示。
综上所述，近年来，本课题组针对UHPC优化设计的发展思路和材料新技术方面的成果可以为以下几个方面：一是针对UHPC内干颗粒的紧密堆积提出了MAA模型进行设计，并研发了颗粒紧密堆积设计软件；二是考虑到水和减水剂的加入及对干颗粒堆积的影响，研究水和减水剂耦合作用下的湿堆积密实度的化设计；三是考虑到钢纤维的植入问题，采用将长棒状钢纤维以等效直径的方法纳入紧密堆积模型中。
基于前期的研究成果，课题组独立开发了UHPC配合比设计软件。该UHPC颗粒堆积的设计软件还在不断升级中。对于原材料种类复杂、尺寸不一、物化性能差异较大的UHPC材料设计具有较好的适应性。
，还有一个很关键的问题一直被忽略—全材料尺度紧密堆积的超高性能混凝土，即UHPC内部发生的化学反应。这些颗粒堆积在化学反应的作用下是否会受到影响？会发生什么变化呢？这一问题仍需要认真思考，目前这一部分的研究正在进行。
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