超高性能混凝土在橋梁工程中的應用研究

黎均權

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

眾所周知，橋梁工程是公路工程建設中的重要組成部分，一定程度上制約著交通基礎建設的發展。混凝土以就地取材、生產耗能低、工藝簡單、適應性強等優勢，以及良好的結構性能和經濟性能，成為橋梁工程中的重要結構組成材料，被廣泛應用于公路橋梁建設中。大量工程實踐表明，隨著混凝土結構使用時間的延長，其各項力學性能均出現了“老化”甚至是“病害”等耐久性問題，致使混凝土結構壽命和結構安全度降低，嚴重影響結構的正常使用與運行，甚至造成了巨大的經濟損失[1]。隨著國內外大跨度橋梁以及特種結構的迅猛發展，對混凝土的各方面性能提出了更高的要求。因此研究發展具有超高強度、超高韌性和超長耐久性特點且維護少的混凝土成為一個亟待解決的關鍵問題。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一種高強度、高韌性、高耐久性的新型纖維增強水泥基復合材料，其力學性能和耐久性能也明顯優于普通混凝土(OC)和高強混凝土(HSC)，且具有良好的工作性能、抗疲勞性能以及高環保性的特點[2-3]。基于這些優良的材料特性，UHPC具有很高的工程應用價值，且比OC和HSC具有更大的優越性和更廣闊的應用領域，可應用于建筑工程、橋梁工程、港口和海洋工程、市政工程、隧道及地下工程、水利工程及核廢料隔離與控制等諸多工程領域[4]。本文研究UHPC的基本力學性能、耐久性能和工程應用概況，以期為國內UHPC進一步的實際推廣和橋梁工程應用提供參考。

1 UHPC的力學性能

UHPC依據最緊密堆積理論進行設計，采用低水膠比，通過摻入高活性的礦物摻合料以及采用高溫養護激發礦物活性，輔以鋼纖維的摻入，使UHPC的孔隙率顯著降低，顯著提高基體的密實度，從而獲得極高的強度[5]。UHPC、高強混凝土(HSC)和普通混凝土(OC)的性能指標對比如表1所示。從表1中可以看出，UHPC的抗壓強度、抗彎拉強度和彈性模量均明顯優于HSC和OC。此外，UHPC本身致密的結構和鋼纖維的摻入，使得UHPC基體與鋼纖維之間的粘結性能和斷裂后應變硬化性能得以顯著提高，在一定摻量范圍內，UHPC的極限粘結強度與鋼纖維摻量呈良好的線性關系，UHPC的極限粘結強度隨著鋼纖維摻量的增加而增大[6]。楊久俊等通過研究發現，在摻入適量的鋼纖維后，UHPC的韌性有效提高，斷裂性能則增大了34倍，具有極高的斷裂韌性[7]。

表1 RPC200與HSC的性能對比表[8]

雖然UHPC具有優異的力學性能，但UHPC性能影響因素較多，其影響因素主要有膠凝材料的礦物組成與顆粒級配、水膠比、鋼纖維的幾何尺寸與摻量、養護條件等，不同因素的影響機理和程度也各不相同[9]。例如，Yu通過研究發現，在一定摻量范圍內，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強度逐漸提高，且UHPC抗壓強度的增加速率與鋼纖維摻量呈良好的線性關系，即隨著鋼纖維摻量的增加而增加[6]。Kazemi和Lubell[10]通過研究兩種不同尺寸試件在不同摻量鋼纖維下對UHPC抗折強度的影響，其測試結果如圖1所示。從圖1中可以發現，相比于未摻入鋼纖維的UHPC，摻入4%鋼纖維的UHPC其抗折強度提高了近兩倍以上。黃政宇等[11]通過試驗研究發現，養護制度對UHPC抗壓強度有著顯著的影響，在熱水養護條件下，UHPC的抗壓強度可達170 MPa，而在高溫養護條件下則達到200 MPa以上，認為其影響程度與砂膠比、水灰比和鋼纖維摻量有關。另外，PR Prem等[12]研究結果表明，在常溫水養護、熱水養護和蒸汽養護等不同養護條件下，UHPC的抗壓強度在熱水養護條件下其力學性能表現為最優。這主要是由于隨著養護溫度的提高，UHPC基體內部水泥水化反應機理發生變化，有助于快速生成致密的水化產物，加上基體內部活性礦物摻合料的微集料填充效應和晶核效應，有效填充基體內部的空隙，顯著改善基體的孔隙結構，降低基體的孔隙率，極大提高基體的密實度。如圖2所示，隨著養護溫度的提高，UHPC基體的孔隙率顯著降低，當養護溫度從20 ℃升到180 ℃時，UHPC的孔隙率約降低了64%[13]。混凝土的孔隙率與抗壓強度呈線性關系，隨著孔隙率的降低，混凝土的抗壓強度逐漸提高。

圖1 鋼纖維摻量對UHPC抗折強度的影響曲線圖[10]

圖2 養護溫度對UHPC孔隙率的影響曲線圖[13]

因此，在實際工程應用中，應準確把握UHPC的制備原理及其影響因素，克服制約UHPC實踐工程應用的影響因素，提高施工工藝水平，使其更加廣泛而成熟地應用于橋梁工程建設中，將有助于顯著提升橋梁工程建設的質量。

2 UHPC的耐久性

2.1 抗氯離子滲透性

混凝土的抗氯離子滲透性能是評價混凝土耐久性能的重要指標之一。混凝土中的氯離子遷移是引起鋼筋銹蝕的重要原因，當氯離子濃度超過一定的閾值，則鋼筋上的鈍化膜將會被破壞，在一定條件下鋼筋將會被腐蝕，從而降低結構的安全性能，導致嚴重的工程問題。

研究人員通過測定氯離子擴散系數來評價混凝土抗氯離子滲透性能，氯離子擴散系數越小，混凝土的抗氯離子滲透性能越高。國外學者Roux等[14]通過試驗測得C30、C80和UHPC的氯離子擴散系數分別為1.1×10-13m2/s、6.0×10-13m2/s和0.2×10-13m2/s，UHPC的氯離子擴散系數比OC要高出一個數量級。Thomas等[15]通過試驗測得UHPC的氯離子擴散系數為1.3×10-13m2/s；Dobias等[16]同樣通過試驗，測試不同條件下的UHPC試件，發現所有UHPC試件的氯離子擴散系數均低于1.4×10-13m2/s。國內學者安明喆等[17]通過試驗，測得UHPC和HSC的氯離子擴散系數分別為2.22×10-13m2/s和15.44×10-13m2/s，UHPC的氯離子擴散系數明顯要低于HSC；此外，未翠霞等[18]利用NEL-PD型電測儀分別測定了UHPC和C60混凝土的氯離子擴散系數，測試結果表明UHPC的氯離子擴散系數遠低于C60混凝土，僅為C60混凝土的1/6～1/5。由此可見，UHPC的氯離子擴散系數均很低，基本處于10-13m2/s的數量級甚至更小，明顯低于HPC和OC，表現出優異的抗氯離子滲透性能。

2.2 抗碳化

未翠霞等[18]通過研究發現在進行碳化試驗28 d后，在大摻量粉煤灰活性粉末混凝土中并未觀察到碳化現象，而C80混凝土的平均碳化深度為1.37 mm。UHPC試件放在二氧化碳環境中養護90 d后，在UHPC試件中也沒有觀察到碳化現象；而在二氧化環境中碳養護6個月后，觀察到碳化深度也僅為0.5 mm[19]；碳化1～3年后，UHPC試件的碳化深度也僅約為1.5～2.0 mm，比HSC和OC低2.5～4.5倍[20]。此外，卡塞爾大學對活性粉末混凝土和超高性能混凝土在90 ℃低壓蒸汽養護下進行長期的碳化測試，UHPC在二氧化碳環境中養護3年后，UHPC的最大碳化深度也僅為1.7 mm。由此可見，相比于HSC和OC，UHPC擁有更為優異的抗碳化性能。碳化是一個擴散過程，CO2侵入混凝土毛細孔隙系統，與混凝土內部水化產物反應，使混凝土內部喪失高堿性環境。當碳化深度超過混凝土的鋼筋保護層時，鋼筋鈍化膜將受到破壞，鋼筋就會發生銹蝕，從而影響結構的安全度。混凝土的抗碳化性能越強，越有利于延長混凝土結構的服役壽命和使用壽命，降低其運營成本。

2.3 抗凍性

楊吳生等[21]通過對UHPC的耐久性能研究中發現，經300次凍融循環后UHPC的耐久性系數≥100，說明UHPC具有極好的抗凍性能。此外，學者們通過研究發現，經過300次凍融化循環后，檢測發現UHPC試件中并沒有發生很大的質量損失，幾乎為零；經過600次凍融循環后，UHPC的耐久性系數≥100，且由此引起的質量損失也幾乎為零；甚至在經過800次凍融循環后，UHPC試件中也沒有觀察到凍融破壞現象[22-24]。此外，學者通過研究UHPC試件經過凍融循環后的相對動彈性模量的變化情況，發現在經過1 000次凍融循環后，普通混凝土、高強度砂漿和UHPC的相對動彈性模量分別下降了61%、22%和10%，UHPC的抗凍性能優于前兩者[25]；但在300～1 500次的凍融循環作用下，UHPC試件的相對動彈性模量基本沒有改變，這說明了UHPC具有優異的抗凍性能[26]。凍融循環是寒冷地區混凝土結構惡化的主要原因，混凝土在接觸水又受凍的環境下容易發生凍融破壞，導致混凝土表層剝落、開裂、強度降低乃至破壞。而由此引起的工程問題和經濟損失不容忽視，解決這一問題的主要措施就是提高混凝土的密實度，最大限度地降低孔隙率，減少內部的連通孔隙。UHPC具有很低的水膠比，拌和時水幾乎能完全反應，混凝土內部幾乎沒有多余水分，而且結構致密均勻，孔隙率低且孔徑小，致使外界水分難以進入，加之自身強度非常高，抵御凍融循環破壞性能非常強，因此，UHPC的應用將有效減少混凝土結構的凍融病害問題。

2.4 耐腐蝕性

楊吳生等[21]將養護后的UHPC試件分別置于自來水和人工海水中浸泡180 d后發現，UHPC的抗壓強度和抗折強度并沒有降低，說明UHPC并未受到侵蝕。葉青等[27]通過研究也發現UHPC混凝土的抗化學侵蝕能力明顯優于HSC。此外，未翠霞等[18]通過對大摻量粉煤灰活性粉末混凝土進行耐硫酸鹽侵蝕試驗，發現大摻量粉煤灰活性粉末混凝土具有優異的耐硫酸鹽侵蝕性，認為其主要原因是：大量粉煤灰的摻入保證了其流動性能，且粉煤灰與硅灰的火山灰效應使得水泥石中Ca(OH)2的含量減少，改善了集料與水泥石界面結構，Ca(OH)2在界面富集和結晶定向排列的問題得到解決，形成了致密的內部結構，從而大大提高抗滲性能，進一步阻止了硫酸鹽溶液侵蝕作用。國外學者Pierard等[28]將UHPC試件放在硫酸鹽溶液中浸泡500 d后，發現UHPC試件也未發生侵蝕和破壞，表明UHPC具有很強的抗腐蝕性能。

3 UHPC在橋梁工程中的應用

結合目前公路橋梁發展情況來看，中小跨徑橋梁的上部結構形式主要以小箱梁、T梁和空心板為主，由于普通混凝土自身材料性能的限制，橋梁斷面尺寸一般較大，結構自重在橋梁總荷載的占比大，尤其是在大跨徑混凝土箱梁橋中更為明顯，給人以笨重感，缺乏美觀。此外，在運營較長時間后，混凝土梁橋表現出較多的病害，如梁體開裂、主跨撓度過大、鋼筋銹蝕等，致使橋梁結構功能退化，安全度降低，嚴重影響結構的正常使用[29-31]。

基于UHPC優異的力學性能和耐久性能，UHPC不僅能顯著減少混凝土用量，降低橋梁自身重量，且其抗折強度相對較強，相比于普通的混凝土橋梁能承受更大的彎曲和拉力，即使是受力開裂之后，仍具有相對較好的抗拉性能。因此UHPC不僅能顯著提高橋梁的承載能力，減少橋梁的變形，提高橋梁的安全性和可靠性，而且提高了橋梁的經濟效益和社會效益，尤其是在大跨度橋梁的應用中這種優勢更為明顯[29]。據不完全統計，截至2016年年底，世界各國應用UHPC材料而建成的橋梁已超過400座，其中采用UHPC作為主體結構材料的超過150座。

UHPC在橋梁工程中的主梁、華夫板、濕接縫連接、舊橋加固等方面的應用取得了良好的經濟效益，且在世界各國橋梁工程中的應用越來越成熟、廣泛。UHPC橋梁在充分利用UHPC材料的高強度和高耐久性情況下，可以有效減少橋梁的斷面尺寸，從而顯著降低橋梁結構的自重(結構自重僅為普通混凝土結構的2/5～3/5倍)，進而提高橋梁結構的跨越能力[29，32]。超高性能混凝土與普通混凝土之間的性能對比如表2所示，從表中數據可以看出UHPC各方面的性能指標均明顯優于普通混凝土，說明UHPC擁有非常優異的斷裂韌性性能和變形性能，能顯著改善橋梁結構的抗震性能，提高結構的抗震能力[32]。同時，由于自身非常高的強度和優異的耐久性能，UHPC可以優化結構的配筋甚至取消普通鋼筋的配置，一定程度上簡化了橋梁的施工工藝，有效延長橋梁的服役壽命，降低結構的生產成本和運營維護成本，更有助于結構的裝配化施工，在橋梁工程中具有廣闊的發展前景。UHPC的推廣與應用將有效解決現有橋梁結構中難以解決的技術問題，如因主梁或板的橫向連接構造失效而產生的單梁(板)受力問題、大跨徑預應力混凝土箱梁橋的梁體開裂和主跨撓度過大的問題，以及橋梁在運營過程中出現的各類耐久性問題等，這對于提升我國的橋梁設計質量、設計水平具有重要意義。

表2 超高性能混凝土與普通混凝土之間的一般技術指標典型值對比表

4 結語

UHPC作為一種具有高強度、超高韌性和超長耐久性的新型建筑材料，不僅能滿足橋梁工程在結構和跨徑等方面的需求，有效減少橋梁結構的自重，降低建筑材料的用量，提高橋梁的安全可靠性，而且在惡劣的環境中也具有良好的適應能力，有效延長橋梁結構的使用壽命。UHPC的推廣及應用對于解決現有橋梁結構中難以解決的諸多技術問題具有重要意義，更有助于推動橋梁工程行業的發展，在橋梁工程中具有廣闊的發展前景。雖然國內外學者對UHPC在橋梁工程方面進行了許多的研究，也取得了許多重要的成果，但在UHPC的實際工程應用上仍舊缺乏系統而深入的研究，更缺乏相應具有指導性的工程規范或應用指南。今后應加強推廣UHPC在橋梁工程上的研究與應用，在借鑒國內外先進經驗的同時，有效結合工程實例展開技術專題研究，積極完善其相應的技術標準、應用指南或工程規范，為UHPC在橋梁工程的建設提供可靠的理論指導，推動橋梁工程行業的不斷發展與進步。