用超高性能混凝土造橋

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超高性能（UHPC）因其具有高強度、高韌性等類金屬的優良性能，在國內外橋梁工程中的應用進展迅速。近年來，UHPC在我國橋梁工程中也逐步得到實踐和應用。

混凝土作為最大宗的建筑結構材料，在橋梁、市政、工民建等領域應用廣泛。超高性能混凝土（UHPC）也稱為活性粉末混凝土（RPC）采用最大堆積密度理論，利用毫米級的細骨料，微米級的膠凝材料和亞微米的硅灰形成致密堆積，同時采用鋼纖維或高分子纖維增韌，經養護后高強、高韌性，具有類金屬特性，在公路、橋梁等建設中得到了成功應用。

目前的公路橋梁按承重材料主要分為混凝土橋梁、鋼橋和鋼混3種結構，各有優勢，但也存在一定缺點。人們在減輕工程自重、提高荷載強度和耐久性方面發掘了超高性能混凝土的應用優勢，并逐步應用于工程實踐。

超高性能混凝土的特點

超高性能混凝土問世距今已有20多年，由勞爾（Larrard）和賽德蘭（Sedran）首次提出，后經Bouygues公司和拉法基公司合作開始商業化，將各種微集料以最佳堆積方式進行配合比設計，由毫米級、微米級及亞微米級的材料進行致密填充，同時加入短鋼纖維增韌，強度一般在150兆帕以上，水膠比在0.2以下，輔以高性能減水劑保證UHPC良好的自流平性能。與常規混凝土材料相比，UHPC具有較高的強度，遠超普通混凝土的韌性及更均勻的內部結構。有研究推算，UHPC材料的使用耐久性最高可達200年，對于提高混凝土結構的耐久性、延長結構的服役壽命是一項重大突破。

由表1可以看出，UHPC抗壓強度是普通混凝土的3倍，抗折強度是普通混凝土的約10倍，能夠承受較大的徐變，表現出優異的使用性能。

表1 UHPC與普通混凝土的主要力學和耐久性指標對比

UHPC性能的影響因素

通過將標準砂進行磨細，按照水泥:硅灰:粉煤灰:細砂:水:B32高效減水劑:短鋼纖維=1:0.25:0.20:1.25:0.23:0.013:0.25配制了活性粉末混凝土。經蒸汽養護后測試混凝土的抗壓強度為210.1兆帕，抗折強度為38.8兆帕，斷裂能為每平方米21千焦。相關研究人員就地取材，利用天然細骨料和外摻料代替傳統石英粉和硅灰配制UHPC，經過蒸汽養護，最高強度達200兆帕，抗折強度達50兆帕，在市政井蓋制造上得到應用。

相關研究人員還研究了河砂和石英砂等細集料對超高性能混凝土的性能影響，結果發現同條件下，河砂制備的UHPC的流動性略低于石英砂制備的UHPC；河砂制備的UHPC與石英砂制備的UHPC的抗壓/抗折強度均可達140兆帕/20兆帕以上，收縮也較小，粒徑小于1.18毫米的河砂綜合性價比最佳。將納米級材料對超高性能混凝土進行改性，可以獲得更高的水化反應效率，試驗研究納米碳酸鈣（CaCO3）和納米（二氧化硅）SiO2能夠增加混凝土的黏聚性，提高UHPC的抗折強度和韌性，但面臨成本和分散問題。

纖維的加入能夠為超高性能混凝土提高增韌，提高UHPC的抗折強度，不同纖維對UHPC的影響也有所差異。鋼纖維體積摻量增加，UHPC抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度都有不同程度的提高，且鋼纖維體積摻量為1.0%至1.5%時混凝土抗劈裂強度和抗折強度增長最快，增長最快，鋼纖維的長徑比對混凝土增韌增強效果產生一定影響，大長徑比的鋼纖維抵抗荷載的能力更強。

外摻玄武巖纖維制備UHPC，研究其對超高性能混凝土力學性能的影響，測試了各配比的立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度。研究結果表明：玄武巖纖維對混凝土各項強度指標均有提高，當玄武巖纖維摻量為每立方米2千克時，UHPC的綜合性能最佳，取得了良好的力學性能。

混凝土良好的養護制度能夠提高水泥等膠凝材料的水化程度，提高超高性能混凝土的力學強度和耐久性，目前UHPC常用的養護方式有熱水養護、蒸汽養護和干熱養護。

相關研究人員研究了納米氧化硅和納米碳酸鈣在UHPC的增韌機理，并進行了熱水養護，發現熱水養護對混凝土強度提高明顯。其他學者的研究同樣發現熱水養護相比自然養護和常溫水養對超高性能混凝土的強度和韌性提高更為明顯。

Super BridgeI人行斜拉橋

德國Grtnerplatz橋

在研究了自然養護、60攝氏度蒸汽養護48小時、90攝氏度蒸汽養護48小時3種養護制度對UHPC力學性能的影響，研究結果發現，蒸汽養護可以改善混凝土的微觀結構，提高混凝土強度，且高溫蒸汽養護對混凝土抗壓強度提高更為顯著。有人研究了升溫速度、預養護時間和恒溫溫度等蒸汽養護參數對UHPC抗折強度的影響，研究發現升溫速度越快，內部裂紋增多，混凝土抗折強度下降，預養護時間越長，UHPC抗折強度越高，恒溫時間適當增加有利于混凝土強度增長。

干熱養護制度對超高性能混凝土的影響與溫度有關，干熱養護溫度從150攝氏度提高至200攝氏度時，混凝土抗折和抗壓強度都有所提高，同時養護時間增加混凝土強度也會有所升高，這是因為高溫下的水泥水化反應和火山灰反應消耗了氫氧化鈣，改善了界面過渡區，但楊吳生的研究發現干熱養護時間延長會使得混凝土抗壓強度和抗折強度降低，這說明干熱養護在提高UHPC性能的同時也要注意恒溫時間。

影響UHPC性能的因素還有施工水平、使用部位及服役環境等。超高性能混凝土作為新型性能材料，目前施工工藝主要為預制拼接，或者采用灌漿方式作為工程加固。良好的養護水平對于超高性能混凝土性能發揮尤為重要，作為特殊混凝土，對施工人員的技術要求較高，應區別于普通混凝土相對粗放的施工，精細化的生產管理對超高性能混凝土性能尤為重要。

UHPC國外橋梁工程應用進展

超高性能混凝土自從問世以來，以其較高的強度、超強的韌性在建筑工程領域得到應用，特別與鋼筋組合發揮了其作為結構材料的獨特性能。

UHPC可以減輕橋梁的自重，增強橋梁整體的觀賞性。超高性能混凝土在國外應用時間較長，世界上最早將UHPC應用于工程領域的是法國，世界第一座使用UHPC建造的橋梁為加拿大魁北克省舍布魯克橋，該橋跨度60米，橋梁腹桿采用直徑為150毫米鋼管RPC，下弦使用了高380毫米的RPC預制梁。美國第一座UHPC橋梁建于2005年，位于愛荷華州，跨度33.5米。其后，UHPC在世界范圍內得到關注，并在橋梁工程建設中得到大膽嘗試。其中，韓國推廣UHPC橋梁的建設，新技術不斷創新。韓國建設了世界上第一座UHPC拱橋——仙游橋，該橋具有跨度大（120米），主拱厚度低（30毫米），π型截面，其中拱肋的UHPC采用蒸汽養護制得。

另外一座橋梁為Super BridgeI人行斜拉橋，該橋于2009年建成，由獨塔、板梁與斜拉索構成，板梁呈扇形，共3片。其中，兩片為18.5米的UHPC梁，UHPC混凝土水膠比為0.24，摻加2%的短鋼纖維，預制節段先進行48小時自然養護，再經90攝氏度蒸汽養護48小時，預制后的橋梁表觀良好，抗壓強度達到180兆帕，抗彎強度20兆帕，抗拉強度20兆帕，體現出優良的力學性能。

德國在UHPC橋梁方面開展了大量研究，并實現了項目應用。2007年，德國建成了世界首座UHPC鋼組合橋梁——Grtnerlatz橋，共6跨，橋長133.2米，UHPC在組合結構和橋面板中得到應用，上弦桿通過環氧樹脂膠進行連接。

此外，奧地利在2010年建成了世界首座UHPC公路拱橋，總長154米，主拱跨徑70米，拱軸線采用多邊形，采用UHPC施工后大大減少了橋面厚度，取得了良好的外觀效果。日本和馬來西亞也相繼建成了UHPC橋梁。據不完全統計，目前使用UHPC建造的橋梁己超過400余座，國外橋梁在使用UHPC建造方面取得了長足的進步。

UHPC在國內橋梁中的應用進展

我國UHPC研究相對較晚，但學者針對UHPC的良好性能表現出極大的研究興趣，黃政宇、覃維祖、蒲心誠等國內一批早期的學者對UHPC的制備及性能進行了跟蹤和研究。我國截至2017年使用UHPC材料的橋梁共有32座，第一座為2006年在遷曹鐵路工程中修建的灤柏干渠大橋，12片T梁為超高性能混凝土預制，梁高1.35米，高跨比1/14.8，跨中腹板厚度18厘米。

2016年建成的湖南長沙北辰三角洲UHPC人行天橋，為世界首座全預制拼裝UHPC混凝土橋，長度為70.8米、寬度為6.5米，采用預制拼接，跨度大，橋墩部分整體預制吊裝，大大縮短了橋梁的建設周期，由于自重減輕，厚度降低，美觀度提升。

大岳高速公路洞庭湖大橋是超高性能混凝土組合鋼橋面

2017年通車的上海嘉閔高架南延伸段工程，其中袁家河橋為全國首座采用UHPC預制π梁的UHPC-RC組合梁橋，橋梁跨徑22米，橋寬17.75米。袁家河橋上部結構采用UHPC-RC組合梁，為UHPC預制π梁與普通鋼筋混凝土（RC）橋面板組成的組合結構橋梁。橋梁橫橋向布置7片UHPC預制π梁，單片UHPC預制π梁長22米，寬2.5米，高0.93米，頂板最薄處僅5厘米，大大降低了自重，吊裝時施工速度大幅提高。

青島海灣大橋應用了海工高性能耐久混凝土

超高性能混凝土在國內人行步道的成功應用拓展了UHPC的應用范圍，上海申通地鐵總結了超高性能混凝土的應用案例后，結合上海閔浦二橋使用超高性能混凝土的情況，得出UHPC在上海地鐵工程應用的可行性，同時超高性能混凝土在國內電纜槽蓋板、橋梁加固等得到應用，2007年超高性能混凝土在襄渝鐵路二線山區橋梁實現了示范展示。

超高性能混凝土以其高抗拉強度和類金屬的拉伸應變性能，以及優異的裂縫寬度控制能力等特點在世界范圍內的橋梁工程中得到了應用，但也面臨原材料的選擇和養護工藝的優化等問題。由于目前UHPC研究理論較多，國內應用案例相對較少，行業缺乏對超高性能混凝土定義、性能等統一的規范性認識，對超高性能混凝土推廣造成了一定影響。隨著對UHPC制備工藝的研究深入，UHPC在橋梁工程中的應用潛力會得到更深入挖掘，并在裝配式橋梁構件的生產有所作為。