Ultra-high-performance concrete (UHPC) is a type of cement-based composite for new construction and/or restoration of existing structures to extend service life. UHPC features superior workability, mechanical properties, and durability compared with conventional concrete. However, some challenges limit the wider application of UHPC, such as low workability for large-volume production, high autogenous shrinkage, insufficient flexural/tensile properties, and unpredictable durability after concrete cracking. Therefore, this paper reviews the state-of-the-art technologies for developing UHPC mixtures with improved properties. This review covers the following aspects: (1) the existing design methodologies; (2) the typical ingredients (e.g., binders, aggregates, chemical admixtures, and fibers) for preparation of UHPC and the underlying working principals; (3) the technologies for improving and controlling key properties (e.g., workability, autogenous shrinkage, compressive performance, tensile/flexural properties, and durability); and (4) the representative successful applications. This review is expected to advance the fundamental knowledge of UHPC and promote further research and applications of UHPC.

This paper investigates the effects of hybrid micro-macro steel and micro steel blended with synthetic fibers and of the fiber content on key properties of a cost-effective ultrahigh-performance concrete (UHPC). Eleven mixtures are prepared using three types of fibers: micro steel straight fibers (SF), macro steel hooked-end fibers (HF), and polyvinyl alcohol (PVA) fibers. The fiber content of SF is increased from 0 to 5%. At a fiber content of 2%, different combinations of micro-macro steel and micro steel-PVA fibers are considered. The minislump flow of all mixtures is fixed to 280±10 mm by adjusting the high-range water reducer (HRWR) dosage to ensure self-consolidating characteristics. The investigated properties include the HRWR demand, plastic viscosity, compressive strengths, tensile and flexural properties, and autogenous shrinkage. The plastic viscosity increases with the steel fiber content. At a fiber content of 2%, increasing the content of PVA or HF increases the plastic viscosity. Compared with the reference UHPC mixture made with 2% SF, the incorporation of 1% SF and 1% HF increases the flexural strength, toughness, and tensile strength by approximately 25, 30, and 20%, respectively, and reduces the autogenous shrinkage by 25%. The addition of 1.5% SF and 0.5% PVA increases the flexural strength and toughness by 10 and 15%, respectively, and decreases autogenous shrinkage by 40%. Increasing the SF content from 2 to 5% does not significantly improve the flexural properties, but notably reduces autogenous shrinkage.

Low flexural strength and toughness have posed enduring challenges to cementitious materials. As the main hydration product of cement, calcium silicate hydrate (C–S–H) plays important roles in the mechanical performance of cementitious materials while exhibiting random microstructures with pores and defects, which hinder mechanical enhancement. Inspired by the "brick-and-mortar" microstructure of natural nacre, this paper presents a method combining freeze casting, freeze-drying, in situ polymerization, and hot pressing to fabricate C–S–H nacre with high flexural strength, high toughness, and lightweight. Poly(acrylamide-co-acrylic acid) was used to disperse C–S–H and toughen C–S–H building blocks, which function as "bricks", while poly(methyl methacrylate) was impregnated as "mortar". The flexural strength, toughness, and density of C–S–H nacre reached 124 MPa, 5173 kJ/m3, and 0.98 g/cm3, respectively. The flexural strength and toughness of the C–S–H nacre are 18 and 1230 times higher than those of cement paste, respectively, with a 60% reduction in density, outperforming existing cementitious materials and natural nacre. This research establishes the relationship between material composition, fabrication process, microstructure, and mechanical performance, facilitating the design of high-performance C–S–H-based and cement-based composites for scalable engineering applications.