橋梁施工中高性能混凝土的應用研究

趙睿

（貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

在當前的橋梁工程建設過程中，為適應不同的使用功能要求，作為最常用的施工材料，對混凝土提出了更嚴格的要求，這就要求在實際施工中采用高性能混凝土，但高性能混凝土和傳統(tǒng)混凝土在很多方面都存在較大差異，需要在各個階段中引起重視，以此保證高性能混凝土施工質量，達到預期的功能目標和效果。列舉了高性能混凝土的特點以及在工程項目中的應用推廣。

1 高性能混凝土

高性能混凝土最早出現(xiàn)在20世紀80年代末，典型代表為高強度、高流動性與高耐久性混凝土，具體可分成以下幾種類型：其一，無須進行振搗的混凝土；其二，高強度混凝土；其三，高耐久性混凝土。相較于傳統(tǒng)混凝土，高性能混凝土在配合比設計中采用了不同的思路，即高性能混凝土將耐久性作為主要技術指標之一，在實際的配合比設計和生產配制過程中滿足不同階段對混凝土性能提出的要求。處于塑性期時，高性能混凝土將表現(xiàn)出極為優(yōu)異的性能，當拌和水量為170～180kg/m3時，高性能混凝土實際坍落度不低于240mm，但傳統(tǒng)混凝土通常不超過50～70mm[1]。因高性能混凝土還有突出的自密性特點，所以澆筑成型十分方便和容易，基本不需要進行振搗，在沒有采取嚴格保證措施的情況下，也可以形成密實度極高的混凝土，強度也能不斷增加，為更多新型結構設計創(chuàng)造了便利條件，即便在截面形狀較為復雜且鋼筋布置較為密集時，也不需要對高性能混凝土進行振搗，依靠自身具備的填充性成型，可以在振搗設備使用受限的情況中使用，極大地減輕工作人員自身勞動強度，實現(xiàn)對勞動條件的有效改善。另外，在高性能混凝土當中加水后連續(xù)攪拌90min 的時間，依然可以保持優(yōu)異工作性能，這對現(xiàn)場施工，特別是夏季施工極為有利。在混凝土不斷硬化的過程中，高性能混凝土中基本不會產生由于干縮或水泥的水化反應造成的初始裂縫，如果混凝土內部存在這些裂縫，除了會導致結構外部產生不同程度的破壞，還會導致內部鋼筋發(fā)生銹蝕，導致結構產生早期破壞。

在混凝土施工階段，相較于用水量一致，且摻有高效減水劑等外加劑的普通混凝土，相較于高性能混凝土，不論干縮量或真空失水量，都有很大程度的減少，特別是后者，能減少近一半，說明高性能混凝土內部孔縫被明顯減小，表現(xiàn)出良好抗?jié)B性，最終起到提高耐久性的作用。高性能混凝土的出現(xiàn)無疑是混凝土材料重要突破，在實際工程中大量應用將帶來很大效益[2]。

2 UHPC 高性能混凝土

UHPC 高性能混凝土的設計理念是最大堆積密度理論，其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積。UHPC 是一種新型高性能水泥復合材料，具有超高耐久性和力學性能，UHPC 是采用優(yōu)化級配的細骨料、高標號水泥、超細高活性礦物參合料、微珠超細粉以及特殊的有機化學添加劑等材料在UHPC 結構體系中產生多級填充效應。通過提高組分的細度與活性，不使用粗骨料，使材料內部的缺陷（空隙與裂縫）減小到最少，以獲得更高的強度和耐久性[3]，見圖1。

圖1 UHPC 組成結構

2.1 耐久性高

由于UHPC 高性能混凝土的致密性，材料表面具有很高的光潔度，外界有害介質很難侵入UHPC 中，凍融循環(huán)、海洋環(huán)境、硫鋁酸鹽腐蝕和碳化下，能夠耐受各種有害物質滲透到基體內部，有效抵御環(huán)境破壞，例如：凍融、雨雪、火、冰雹，可以暴露在各種侵蝕環(huán)境下。

2.2 強度高

高性能混凝土國際上系指抗壓強度在150MPa 以上，并具有高韌性，高耐久性的水泥基復核材料的統(tǒng)稱，普通混凝土的抗壓強度差不多在15～60MPa。而UHPC 高性能混凝土抗壓強度可達到200MPa 以上[4]。

2.3 工作性、可持續(xù)性高

由于UHCP 中分散的細鋼纖維可大大減緩材料內部的微裂縫的擴展，從而使材料表現(xiàn)出高韌性和延性。質量輕尺寸大，造型多樣，工期短后期維護方便。可做平板、曲面、鏤空等各種造型。特別是在市政項目，注重景觀，外觀的項目運用較多[5]。

2.4 抗壓性能

提高組分的細度與活性，不使用粗骨料，使材料內部的缺陷（孔隙與微裂縫）減到最少，以獲得超高強度與高耐久性。提高組分的細度與活性，不使用骨料，使材料內部的缺陷（空隙與微裂縫）減到最少，以獲得超高強度和高耐久性[6]。

3 高性能混凝土橋梁方案研究

云南某高速公路項目，場區(qū)位于橫斷山脈南段，橫斷山脈與云貴高原分界段，海拔1707.4～1792.4m，相對高差85.0m。地貌類型屬侵蝕堆積山間盆地地貌，橋位跨越盆地地帶，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）查得測區(qū)地震動反應譜特征周期為0.45s，地震動峰值加速度為0.20g，場區(qū)地震基本烈度為VIII 度。云南處于高地震烈度區(qū)，局部地區(qū)有活動斷層，且地質條件較為復雜[7]。

在該項目某特大橋中，提出了采用鋼-UHPC 高性能混凝土組合梁的形式。由于此橋地勢平坦，穿越基本農田，跨越等級道路、河溝等。在方案階段提出了預制小箱梁、鋼混組合梁、鋼-UHPC 組合梁的方案。對30m 跨徑的預制小箱梁、鋼混組合梁、鋼-UHPC 組合梁的上部結構自重及經(jīng)濟性進行了對比見表1：

表1 上部結構自重及經(jīng)濟對比表

由表1 可知，鋼-UHPC 組合梁具有自重輕，耐久性高、強度高等有點，特別是處于高地震烈度區(qū)的橋梁有一定的好處，可以減輕地震作用效應，由于UHPC 高性能混凝土自重輕，可以有效減小下部結構尺寸。UHPC 高性能混凝土不僅強度高，抗?jié)B透、碳化、抗凍融、腐蝕，耐久性優(yōu)于普通混凝土。由于橋位區(qū)域有兩條活動斷裂層，橋區(qū)地震基本烈度為VIII 度且地質條件較差，雙層橋地震作用效應明顯，為加抗震設防設計，對預制小箱梁、鋼-UHPC 組合梁進行分析，得到E2 地震作用下的內力如表2。

由表2 可知，鋼-UHPC 組合梁由于上下部尺寸和自重大幅度下降，結構輕盈，使地震作用效應大幅下降，其中墩底控制性彎矩減少40%，蓋梁彎矩和支座橫橋向位移減少50%以上，橋梁抗震安全得到提高。

表2 E2 地震作用下的內力對比表

4 高性能混凝土材料選擇與施工養(yǎng)護

4.1 材料選擇

同時要實現(xiàn)混凝土的高性能化，除選擇優(yōu)質、合適的組成材料外，各項組成材料的摻入比例及混凝土的配合比設計工作也至關重要。對高性能混凝土進行生產配制時，要以工程實際要求為依據(jù)，結合環(huán)境條件確定適宜的原材料類型及質量。保證各類原材料技術性能與質量達到要求是使高性能混凝土有良好和性能的關鍵，在設計階段必須引起相關人員的高度重視。高性能混凝土配合比參數(shù)要以強度、耐久性和流動性要求為依據(jù)確定[8]。

4.2 施工運輸

將高性能混凝土生產制備完成后，應盡快運送，并在運輸?shù)綀龊蟊M快進行澆筑。在運送和澆筑高性能混凝土的過程中，應盡量減少或徹底避免離析現(xiàn)象的發(fā)生。高性能混凝土的運輸與澆筑都應嚴格按照預定方案實施；進場的混凝土在經(jīng)過檢查確認質量合格、沒有離析現(xiàn)象時才能用于澆筑[9]。

4.3 養(yǎng)護

養(yǎng)護對混凝土有關鍵的作用，直接影響混凝土的性能，高性能混凝土早期強度增長較快。采用多種養(yǎng)護技術才能有力保障混凝土的強度和耐久性能。在冬季與炎熱的季節(jié)，應制定合理有效的保溫措施，使養(yǎng)護過程中混凝土內外部溫度差在20oC 以內[10]。在混凝土的強度達到模板拆除要求，同時內外部溫差及表面和環(huán)境氣溫之間的溫度差在20oC 以內后，即可開始拆模[11]。

5 高性能混凝土應用

目前國內外已經(jīng)有很多項目應用了UHPC 高性能混凝土。UHPC 高性能混凝土在橋梁工程中的應用，可以優(yōu)化橋梁結構尺寸、增大跨徑、增加承載力、耐久性和壽命周期的同時保持較小的變形，跨海、跨江大橋橋墩采用UHPC 高性能混凝土耐久性好，抗海水侵蝕。

興義環(huán)高項目峰林特大橋，橋面板為混凝土預制橋面板，長寬方向尺寸遠大于厚度方向，考慮加工及運輸過程中可能存在的開裂問題，因此采用C60 玄武巖纖維混凝土。玄武巖纖維混凝土的應用有效解決了預制橋面板易開裂的技術難題。重遵高速項目桐梓隧道地質特點：特長隧道、煤系地層、瓦斯、弱堿水（碳酸鹽和硫酸鹽），高覆蓋層導致高應力段等因素，把噴射混凝土設計為抗高應力、抗弱堿水破壞、抗?jié)B漏（漏水漏氣）、抗燃燒的高性能噴射混凝土。

6 結語

高性能混泥土的發(fā)展與推廣是未來必然的趨勢，推廣應用高性能混凝土是對工程設計、混凝土生產、施工、養(yǎng)護、驗收多個環(huán)節(jié)全面、系統(tǒng)的提升。UHPC高性能混凝土承載能力高，耐久性高，工作性能高，且自重輕可以減少鋼材的使用，結構輕盈，使地震作用效應大幅下降，隨著技術的進步與成熟，相關制度與規(guī)范的完善，標準化、工廠化的UHPC 高性能混凝土將具有很高的工程應用價值。

綜上所述，高性能混凝土是一種全新的混凝土技術，該技術的應用能提高工程混凝土結構技術性能，改善質量，提高強度和耐久性。以上對高性能混凝土特點及其在橋梁工程中的應用進行分析和總結，旨在為相關工作人員提供參考依據(jù)，保證高性能混凝土在橋梁工程中的應用發(fā)揮出應有的作用。