超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是一类具有优异力学性能、耐久性能的先进水泥基材料,在超高层建筑、市政设施、石油、核电、海洋以及军事设施等工程上具有广泛的应用前景。然而,超高性能混凝土存在对原材料品质要求高、能耗大、成本高等问题,严重制约超高性能混凝土的发展和应用。通过废弃物取代水泥等高能耗组分制备生态型超高性能混凝土是降低超高性能混凝土能耗和成本、促进其发展应用的有效途径。然而,现有研究并未提出合理的生态型超高性能混凝土设计方法。在已有文献中,常用的方法是利用工业副产品或其它废弃物直接按水泥组分的质量百分比取代,通过废弃物取代量对超高性能混凝土性能的影响来确定最优掺量。由于缺乏充分的理论支撑,上述方法制备的超高性能混凝土往往存在性能降低明显,废弃物利用效率相对较低等问题。针对上述问题,本文提出了一种基于最紧密堆积的生态型超高性能混凝土设计方法,并通过二次饱和D-最优设计方法验证其适用性。在此基础上,根据替代材料在粒径尺度上的差异,分别利用铅锌尾矿(替代细粉料)、废弃礁石砂(粉)(分别替代细粉料和细骨料)和建筑废弃物(同时替代细粉料和细骨料)设计制备了三种生态型超高性能混凝土,并对其工作性能、力学性能、耐久性能和生态性能进行评价。具体内容包括:(1)超高性能混凝土基体的密实堆积结构是保证其优异性能的重要因素。其中,基于修正的安德森模型(Modified Andreasen and Andersen model,MAAM)的配合比设计方法是制备密实结构超高性能混凝土的有效手段。但修正的安德森模型没有考虑水和减水剂对超高性能混凝土堆积体系影响。因此,其适用性存在争议。本文利用二次饱和D-最优设计方法,采用湿堆积密实度作为评价指标,建立了超高性能混凝土各组分(包括液相)与湿堆积密实度的关系,验证了基于MAAM的超高性能混凝土配合比设计方法的适用性。实验结果表明,基于MAAM的配合比设计方法能够制备具有密实结构和优良性能的超高性能混凝土。(2)在上述研究(验证基于MAAM的超高性能混凝土配合比设计方法的适用性)的基础上,提出了基于最紧密堆积理论的生态型超高性能混凝土的设计方法,即:通过研究废弃物(替代材料)的加入对超高性能混凝土体系密实度的影响,建立其与超高性能混凝土组分间的合理取代关系(不同于传统的质量取代,本研究基于最紧密堆积理论,根据废弃物的物理性质,选择与其颗粒分布近似的组分或多组分混合物,采用体积取代方法),从而减少废弃物掺加对超高性能混凝土的紧密堆积体系的影响,制备出性能优异的生态型超高性能混凝土。(3)基于上述理论设计方法,开展了使用铅锌尾矿取代水泥制备生态型超高性能混凝土的研究,通过研究铅锌尾矿的加入对超高性能混凝土堆积密实度、水化进程、微观结构发展和性能的影响进一步验证生态型超高性能混凝土设计方法的适用性。实验结果表明,使用该方法制备的铅锌尾矿基(铅锌尾矿取代30%水泥)超高性能混凝土的工作性能、抗渗性能与未掺加铅锌尾矿的超高性能混凝土相当,铅锌尾矿基超高性能混凝土的28天抗压强度超过150MPa。使用生态型超高性能混凝土设计方法制备的铅锌尾矿基超高性能混凝土不仅能明显降低超高性能混凝土的能耗,还能减少其早期水化放热和自收缩,进而减少超高性能混凝土构件由温度应力、温差应力和自收缩应力导致的开裂风险。除此之外,超高性能混凝土的密实结构能有效固化铅锌尾矿中的重金属离子,这也为铅锌尾矿的回收利用提供了新途径。(4)基于生态型超高性能混凝土设计方法,开展了利用礁石砂(粉)制备生态型超高性能混凝土的研究,研究了礁石砂(粉)的加入对超高性能混凝土堆积密实度、水化进程、微观结构发展和性能的影响。结果表明,通过利用生态型超高性能混凝土的设计方法,能制备出工作性能、抗压强度和抗渗性能优异的礁石基生态型超高性能混凝土(工作性能与未掺加礁石砂(粉)的组别相同,抗压强度和抗渗性能优于未掺加礁石砂(粉)的超高性能混凝土)。礁石砂替换河砂不仅发挥了物理填充效应,还能够发挥内养护作用。内养护作用一方面促进了超高性能混凝土后期强度增长,另一方面有效降低超高性能混凝土的早期自收缩。SEM结果表明,相比于河砂与超高性能混凝土浆体的界面结合,礁石砂与超高性能混凝土浆体结合更紧密。(5)通过分析建筑废弃物的粒径分布,使用建筑废弃物同时取代水泥和河砂,对超高性能混凝土堆积体系影响最小。掺加30%以内建筑废弃物的超高性能混凝土力学性能与基准组持平。建筑废弃物中存在石灰石粉,后者加速早期水化速率。SEM结果表明,建筑废弃物与超高性能混凝土浆体结合紧密。综上所述,本研究首先从超高性能混凝土设计方法所面临的问题出发,利用二次饱和D-最优设计方法,采用湿堆积密实度作为评价指标,验证了基于MAAM的超高性能混凝土配合比设计方法的适用性;在此基础上,提出了基于最紧密堆积理论的生态型超高性能混凝土的设计方法;最后,应用该生态型UHPC设计方法,分别利用铅锌尾矿、废弃礁石砂和建筑废弃物,设计和评价了三种生态型超高性能混凝土。生态型超高性能混凝土的设计和制备,一方面进一步验证了基于最紧密堆积理论的生态型超高性能混凝土设计方法的适用性,另一方面为超高性能混凝土的生态化发展提供了一个合理的思路。同时,为各种建筑废弃物、工业副产品、回收材料的处置与再生问题提供了相应的解决方案。这与我国目前提倡的“绿色化发展”与“青山绿水美丽中国”发展策略是一致的,也为建筑材料今后的发展方向奠定了理论基础。