超高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用

馬 斌, 陳曉飛, 丁志文, 陳 利, 李斌成

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

超高性能混凝土（UHPC）是近30年來從混凝土力學(xué)性能和耐久性角度發(fā)展起來的最具創(chuàng)新性的水泥基結(jié)構(gòu)工程材料之一。第一代超高性能混凝土CRC(Compact-Reinforced Composite)誕生于丹麥奧爾堡[1-2]。CRC以燒結(jié)鋁土礦為骨料，摻入鋼纖維以提高材料的韌性。受當(dāng)時(shí)高效減水劑性能的影響，CRC或早期UHPC由于其自身的缺陷，很難通過振動(dòng)達(dá)到令人滿意的均勻性粘度。隨著設(shè)計(jì)原則的改進(jìn)和高效減水劑(聚羧酸)的引入，UHPC自密實(shí)混凝土的施工性能與早期的CRC或RPC相比有著共同的特點(diǎn)[3-4]。

1 UHPC的組成

UHPC的材料成分包括：（1）水泥；（2）級配良好的細(xì)砂；（3）石英砂；（4）硅灰和其他礦物摻合料；（5）鋼纖維；（6）高效減水劑。去除粗集料可以改善UHPC的均勻性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用級配良好的細(xì)砂、石英砂和硅灰改善了UHPC的高密度，降低了UHPC的孔隙率。此外，鋼纖維具有不同的拉應(yīng)力，有效減緩了混凝土裂縫的發(fā)生。為了減少摻水量，提高混凝土強(qiáng)度，摻入大量高效減水劑，但要注意摻量，避免混凝土的緩凝。

超高性能混凝土的配合比是一個(gè)重要的研究課題。世界上不同地區(qū)在水質(zhì)、水泥、硅灰等混合物方面都有各自獨(dú)特的特點(diǎn)，鋼纖維由于制備技術(shù)水平的高低可能有所不同。此外，不同地區(qū)的環(huán)境也會(huì)影響UHPC的最佳配合比[5]。因此，為了獲得理想的UHPC材料性能，有必要通過不同地區(qū)的試驗(yàn)確定最佳配合比，避免直接使用現(xiàn)有的配合比數(shù)據(jù)。這可能是制約超高強(qiáng)混凝土在橋梁工程中廣泛應(yīng)用的重要因素之一。

固化溫度對UHPC材料的性能也有影響。常用的養(yǎng)護(hù)方法有三種：室溫養(yǎng)護(hù)、90℃左右高溫養(yǎng)護(hù)和200℃蒸汽養(yǎng)護(hù)[6]。一般而言，室溫養(yǎng)護(hù)下UHPC的強(qiáng)度比90℃高溫養(yǎng)護(hù)低10%～30%。200℃以上的蒸汽養(yǎng)護(hù)可獲得較高的強(qiáng)度，但由于設(shè)備有限，一般采用前兩種養(yǎng)護(hù)方法。

2 UHPC的材料性能

與普通混凝土相比，UHPC具有許多優(yōu)點(diǎn)。包括機(jī)械性能和耐久性。

2.1 壓縮性能

UHPC混凝土在力學(xué)性能方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在抗壓方面。雖然鋼纖維含量和養(yǎng)護(hù)條件對其強(qiáng)度有影響，但其極限抗壓強(qiáng)度基本可以保持在100MPa以上。試驗(yàn)的UHPC單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)176.9MPa，與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致[7-8]。許多研究積極探索符合區(qū)域條件的UHPC匹配方案。在我國，加入粗集料的極限抗壓強(qiáng)度已達(dá)到170.3MPa。

影響UHPC抗壓強(qiáng)度的主要因素有蒸汽壓力條件、固化時(shí)間、纖維含量、試樣幾何尺寸、加載速率等，在未經(jīng)處理的情況下，UHPC的平均抗壓強(qiáng)度仍顯著高于普通混凝土，且UHPC的抗壓強(qiáng)度有顯著提高，蒸汽養(yǎng)護(hù)對UHPC強(qiáng)度的形成有著非常重要的影響。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，高溫固化難以實(shí)現(xiàn)，而采用常溫固化則面臨著材料強(qiáng)度的浪費(fèi)[9]。因此，如何在室溫固化條件下制備出足夠強(qiáng)度的UHPC，對UHPC的推廣應(yīng)用具有重要影響。

2.2 力學(xué)強(qiáng)度

橋梁施工中一般不考慮混凝土的抗拉性能。但加入鋼纖維后，UHPC的拉伸強(qiáng)度有所提高，且在拉伸后仍能保持一定的拉伸應(yīng)力。研究表明，當(dāng)鋼纖維含量控制在3%左右時(shí)，UHPC的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度與鋼纖維含量成正比，鋼纖維含量對材料強(qiáng)度影響明顯。不同類型的鋼纖維也會(huì)影響UHPC的拉伸性能[10-11]。此外，端鉤鋼纖維比其他類型的鋼纖維更有優(yōu)勢。鋼纖維的加入提高了UHPC的斷裂能，大大降低了混凝土的脆性。構(gòu)造鋼筋與鋼纖維的組合可以優(yōu)化構(gòu)件形式，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

通常，通過直接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的UHPC（無纖維）的平均拉伸強(qiáng)度為7～10 MPa。日本規(guī)范中的平均抗拉強(qiáng)度值建議為5 MPa，而法國SETRA/AFGC規(guī)范中的直接抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度值分別為8MPa和8.1MPa 。另一方面，UHPFRC（包括纖維）的抗拉強(qiáng)度通常較高，范圍為7～15 MPa。

2.3 耐久性

UHPC具有很低的水膠比、較高的堆積密度和較低的孔隙率，因此在應(yīng)用中可獲得較高的抗有害介質(zhì)侵蝕性、較低的滲透性和較好的耐磨性能。有研究學(xué)者在硫酸銨、硫酸鈣、乙酸、硝酸鹽和海水的環(huán)境中測試了UHPC的耐久性能。試驗(yàn)結(jié)果非常令人鼓舞，因?yàn)閁HPC構(gòu)件沒有重量和強(qiáng)度損失。UHPC在抗氯離子滲透性、抗碳性和耐磨性方面均優(yōu)于普通混凝土[12-13]。因此，在特殊環(huán)境條件下（特別是腐蝕性環(huán)境下）具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用

3.1 袁家河大橋

該橋是中國第一座采用UHPC PI梁的組合梁橋。橋跨22m，橋?qū)?7.75m，截面布置7根UHPC預(yù)制PI梁。整體式UHPC預(yù)制PI梁寬2.5m，高0.93m，腹板厚度10cm，頂板最薄處僅5cm。超高強(qiáng)混凝土梁的自重僅為相同截面?zhèn)鹘y(tǒng)空心梁的一半。因此，UHPC預(yù)制PI梁的吊裝時(shí)間可大大縮短，每根UHPC梁的平均吊裝時(shí)間僅為21.5分鐘。此外，由于橋梁上部結(jié)構(gòu)重量較輕，可以減少永久荷載作用在下部結(jié)構(gòu)樁基上的應(yīng)用，也可以減少施工中使用的材料和施工難度。因此，整個(gè)橋梁建設(shè)的總成本不會(huì)大幅增加。該工程在我國未來快速城市橋梁建設(shè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

3.2 UHPC在橋梁連接件中的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全、持久的公路交通系統(tǒng)，必須考慮橋梁的各個(gè)部分，包括連接件（如橫向和豎向連接件、可伸縮連接件等）。在橋梁工程中，為保證連接性能，傳統(tǒng)的預(yù)制構(gòu)件連接方法需要復(fù)雜的細(xì)部鋼筋結(jié)構(gòu)，這增加了連接區(qū)域的施工難度。UHPC材料具有高抗壓強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度、低蠕變、高耐久性等特點(diǎn)，為預(yù)制橋梁體系的連接設(shè)計(jì)和施工問題提供了解決方案之一[14]。UHPC可以簡化連接區(qū)域鋼筋的細(xì)節(jié)，從而提高構(gòu)件的可施工性，簡化現(xiàn)場裝配過程。UHPC材料允許使用小型、簡單的連接，同時(shí)提供更好的整體性能。

3.3 UHPC在橋面鋪裝中的應(yīng)用

橋面鋪裝屬于橋梁結(jié)構(gòu)的直接磨損部分，不僅受車輛摩擦的影響，還受雨水沖刷和熱膨脹的影響。近年來，隨著我國交通荷載的不斷增加，橋面鋪裝層的使用壽命急劇下降，一些研究者考慮用UHPC材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋪裝材料來緩解這一問題。

3.4 榕江大橋

榕江大橋?yàn)?0m+70m+380m+70m+60m雙塔雙索面組合梁斜拉橋，中跨為520m鋼箱梁，邊跨為60m+60m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁大梁路面層采用SMA瀝青混凝土（SMA-13），下層先采用環(huán)氧瀝青混凝土（EA-10），但效果不明顯。然后在鋼主梁上鋪設(shè)一薄層UHPC層，將鋼箱梁改造成STC組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，這種設(shè)置大大提高了橋面鋪裝的韌性和耐久性。

3.5 虎門大橋

正交異性鋼橋面板具有承載力高、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度鋼橋中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋪裝層的缺陷成為制約其發(fā)展的重要因素。以虎門大橋橋面改造工程為背景，進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和疲勞荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC路面未出現(xiàn)明顯裂縫，實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)及其它損傷指標(biāo)也未超過材料強(qiáng)度承載力。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC用于橋面鋪裝具有良好的性能。

4 超高強(qiáng)混凝土在大跨度橋梁中的應(yīng)用前景

目前，大跨度橋梁出現(xiàn)的裂縫類型主要有：（1）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的一般撓度和裂縫；（2）鋼橋面鋪裝和橋面結(jié)構(gòu)裂縫；（3）鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫。

大跨度橋梁混凝土梁的撓度和裂縫效應(yīng)一直是一個(gè)嚴(yán)重的問題。目前，學(xué)者們提出了單向預(yù)應(yīng)力UHPC薄壁連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)來解決這些問題，并對UHPC連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。研究表明，這種新型超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)能有效地減少梁橋的裂縫和撓度。采用抗拉強(qiáng)度很強(qiáng)的UHPC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土作為橋梁體系，可以大大提高橋面的剛度，顯著提高鋪裝層的應(yīng)力，降低鋼結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力，有效減少裂縫[15-16]。

近幾十年來，大跨度橋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展日新月異。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的創(chuàng)新往往與新材料的應(yīng)用有關(guān)。UHPC在這方面有很大的潛力。

5 UHPC其他方面的研究

5.1 抗震性

UHPC材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，用UHPC材料增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能具有很大的潛力。

UHPC自應(yīng)用于橋梁工程以來，其抗震性能一直受到眾多研究者的關(guān)注。在MCEER（美國地震工程研究多學(xué)科中心），研究人員進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以評估兩個(gè)預(yù)制橋面球頭T梁與現(xiàn)場澆筑UHPC連接的抗震性能。通過一系列振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)果，可以得出結(jié)論，短直鋼筋超高強(qiáng)混凝土連接在高水平地震荷載下具有足夠的抗震性能。

5.2 防爆抗沖擊性能

UHPC的特性還包括在防爆和抗沖擊方面的顯著優(yōu)勢。研究表明，與普通鋼筋混凝土柱相比，超高強(qiáng)混凝土柱的塑性損傷和水平位移小得多。因此UHPC柱具有較好的防爆性能[17]。

有研究學(xué)者測試了不同UHPC目標(biāo)的穿透深度和爆炸損傷。結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)高性能混凝土具有較好的抗爆性能。并利用非線性有限元顯式動(dòng)力分析軟件建立了數(shù)值分析模型。結(jié)果顯示，柱的抗彎能力和抗剪強(qiáng)度是提高抗爆能力的重要手段，還分析了材料組成、試驗(yàn)方法、加載方式和應(yīng)變速率對UHPC沖擊性能的影響。

6 結(jié)語

UHPC材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性，可以改善橋梁構(gòu)件接縫的連接完整性，減少橋面鋪裝的變形和裂縫問題，提高橋梁的承載能力。但目前僅用于中小型橋梁或人行天橋。UHPC可望用于解決常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的一般撓度和裂縫、鋼橋面鋪裝層的損傷和鋼結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫等問題，鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫及與大跨度橋梁相關(guān)的一系列具有挑戰(zhàn)性的問題。盡管現(xiàn)階段UHPC材料成本較高，養(yǎng)護(hù)要求高，設(shè)計(jì)規(guī)范缺乏，但越來越多的研究者、橋梁專家們認(rèn)識到了其在橋梁工程中的應(yīng)用潛力。對UHPC的制備工藝、材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和性能指標(biāo)等方面的深入研究，將促進(jìn)UHPC的廣泛應(yīng)用，降低材料成本。