UHPC研究及其在橋梁工程中的應(yīng)用

摘 要：超高性能混凝土（UHPC）因優(yōu)異的機(jī)械及耐久性能，已廣泛應(yīng)用于各種類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。基于此，對(duì)UHPC的特性及其在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行全面綜述，總結(jié)其在各種橋梁構(gòu)件中的應(yīng)用，包括無(wú)接縫橋梁所使用的墩、箱梁、橋面和連接板。

關(guān)鍵詞：UHPC；橋梁；強(qiáng)度；耐久性

中圖分類號(hào)：TU528" " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2025）02-0108-03

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）被定義為抗壓強(qiáng)度超過(guò)150 MPa的膠凝復(fù)合材料，除高抗壓強(qiáng)度外，UHPC還具有卓越的耐久性以及極低的孔隙率，高堆積密度和低滲透性。通過(guò)去除粗骨料（gt;5 mm）并補(bǔ)充膠凝材料，可以使用水泥、水、填料、細(xì)骨料和減水劑來(lái)生產(chǎn)UHPC。添加纖維增強(qiáng)材料可顯著增加UHPC的韌性，改善UHPC在拉伸狀態(tài)下的延展性能。因此可使用增強(qiáng)鋼筋，或足夠高體積的鋼纖維，以產(chǎn)生可持續(xù)的花絲，從而形成堅(jiān)固輕便的混凝土結(jié)構(gòu)，這種UHPC通常稱為超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（UHPFRC）[1]。

橋梁是我國(guó)UHPC的主要應(yīng)用領(lǐng)域。鋼橋面的UHPC鋪裝是UHPC最有價(jià)值的應(yīng)用之一。在橋梁工程中，UHPC已被應(yīng)用于主梁結(jié)構(gòu)、拱橋、華夫板橋面結(jié)構(gòu)、橋梁接縫及舊橋加固等多方面，世界各國(guó)使用UHPC的橋梁超過(guò)400座CCPA-UHPC分會(huì)，2021年我國(guó)UHPC用量超過(guò)7萬(wàn) m2，UHPC預(yù)混料約為10萬(wàn)t。本文回顧UHPC特性，其在橋梁工程中的應(yīng)用以及限制其廣泛使用的挑戰(zhàn)。總結(jié)UHPC的性能，然后探討UHPC在橋梁工程中針對(duì)橋墩、大梁、橋面板和連接板等不同橋梁組件的應(yīng)用，討論UHPC未來(lái)研究需求。

1 UHPC屬性

1.1 成分和配比

常規(guī)混凝土通常由波特蘭水泥、細(xì)骨料、粗骨料、摻合料、水制成，UHPC通過(guò)去除粗骨料，用活性粉末摻和料（例如粉煤灰和微硅粉）替代一部分水泥，并添加高效減水劑以實(shí)現(xiàn)低水膠比比來(lái)生產(chǎn)水泥基材料。

唐咸遠(yuǎn)等[2]驗(yàn)證了微硅粉在提高UHPC的密度和抗壓強(qiáng)度方面的作用。盡管抗壓強(qiáng)度很高，但如果不使用分散的纖維增強(qiáng)材料，UHPC的張力相對(duì)較弱，且因塑性和干燥收縮而容易破裂。為了解決這一問(wèn)題，將抗張強(qiáng)度為200～2 600 MPa的鋼纖維引入混凝土混合物中。UHPC通常具有較低的水膠比（≤0.2），但低w/c值降低了UHPC的可加工性。研究顯示添加鋼纖維對(duì)UHPC有正向可加工性影響，即使在較高的纖維用量下，直徑比較小的纖維也可產(chǎn)生更多可加工混合物。為了提高UHPC可加工性，可以添加一定量的高效減水劑，提升UHPC密度，這與其他影響因素一起，使得UHPC具有極低孔隙率，從而可制約氣體和液體的滲透，帶給UHPC較好的耐久性。

UHPC具有優(yōu)越的性能，但由于使用了大量的水泥、纖維而導(dǎo)致成本較高，限制了應(yīng)用。當(dāng)前對(duì)UHPC優(yōu)化的研究，主要集中在降成本和增加拌合物可塑性。由于較低的w/c，UHPC水化作用較少，加入增塑劑，可增加混凝土可塑性。可以使用某些填充材料代替水泥，現(xiàn)有研究表明，使用偏高嶺土、納米材料、天然沸石等，可獲得高強(qiáng)度低成本UHPC材料。

也有研究利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)UHPC配比進(jìn)行優(yōu)化，保障性能的前提下降低成本。例如使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），預(yù)測(cè)UHPC抗壓強(qiáng)度和坍落度，利用遺傳算法（GA）優(yōu)化配比，達(dá)到降本提效的目的。

1.2 固化方式

與普通混凝土一樣，UHPC中膠凝材料的水合，是波特蘭水泥的水合以形成硅酸鈣和氫氧化鈣，然后它們可以與礦物摻合料反應(yīng)以形成硅酸鈣水合物（C-S-H）。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢栽鰪?qiáng)UHPC混合物中的火山灰反應(yīng)，從而提高水合速率并形成額外的C-S-H。這些C–S–H可以填充小孔，從而導(dǎo)致致密的微觀結(jié)構(gòu)和改善的機(jī)械性能。現(xiàn)有研究證明蒸汽處理可顯著提高UHPC抗壓強(qiáng)度。UHPC的最佳固化技術(shù)是熱固化，標(biāo)養(yǎng)條件下144 MPa的UHPC材料，熱固化后28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)196 MPa。

1.3 耐久性

耐久性是評(píng)估混凝土各種應(yīng)用適應(yīng)性的重要參數(shù)。具有卓越耐久性的混凝土可使結(jié)構(gòu)使用壽命更長(zhǎng)，從而降低維護(hù)和維修成本。相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)和低孔隙度UHPC，使其具有出色的抵抗?jié)撛谟泻η治g性介質(zhì)（如氯化物、水、二氧化碳和氧氣）滲透的能力。研究均表明，具有低孔隙率的高密度基體可以防止有害流體的滲透和擴(kuò)散，從而延遲腐蝕的發(fā)生。UHPC的低孔隙率還使其具有出色地抵抗凍融破壞的能力。考慮到由于凍結(jié)水的體積將增加約9％，因此，普通強(qiáng)度混凝土孔內(nèi)水體積的增加會(huì)導(dǎo)致周圍混凝土破裂并導(dǎo)致開裂。低孔隙率可以減輕水在混凝土中的滲透，從而有助于提高UHPC抗凍融破壞性[3]。

1.4 智能化

隨著智能建筑和土木工程的發(fā)展，UHPC的智能化成為了一個(gè)重要的研究方向。智能化UHPC不僅能夠提升結(jié)構(gòu)的性能和安全性，還能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自感知和自監(jiān)測(cè)。自感知UHPC（SSUHPC），通過(guò)在UHPC中添加導(dǎo)電添加劑（如鋼纖維），使其具備自感知功能，外部荷載作用下表現(xiàn)出機(jī)電效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)原位自監(jiān)測(cè)。利用建筑信息模型（BIM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)UHPC構(gòu)件的信息化管理和智能施工。3D打印技術(shù)為UHPC施工提供了更高的設(shè)計(jì)自由度和施工效率，國(guó)內(nèi)首座混凝土3D打印UHPC曲線梁橋的建成，展示了3D打印在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛力。

2 UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于橋墩

橋墩是橋梁的主要組成部分之一，可將靜載荷和活荷載從上部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)。作為橋梁中廣泛使用的橋墩樣式，箱形截面可以通過(guò)減小橋墩的自重來(lái)有效降低橋墩中的慣性力。但是，在1999年的南投地震和2008年的汶川地震等大地震中，都觀察到了箱形橫截面墩的破壞。這主要是由于NSC碼頭延展性和使用壽命的限制。

橋墩是橋梁的主要組成部分之一，可將靜載荷和活荷載從上部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)。被廣泛使用的橋墩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是鋼管混凝土（CFST）柱，也可用于多層建筑物和其他支撐結(jié)構(gòu)的建造，具有較高的軸向強(qiáng)度和理想的延展性。隨著UHPC被引入橋梁的建設(shè)中，已對(duì)UHPC填充鋼管柱（UHPCFT）的性能（軸向承載力和延性）進(jìn)行了廣泛的研究。此外，UHPC還已成功用于修復(fù)橋墩中嚴(yán)重受損的鋼筋混凝土（RC）柱。根據(jù)已報(bào)告的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用UHPC護(hù)套修復(fù)RC色譜柱將顯著提高柱測(cè)試樣品的耗能能力，循環(huán)載荷抵抗力，延展性，強(qiáng)度和剛度[4]。

國(guó)內(nèi)UHPC大橋案例豐富，例如沾臨黃河特大橋，該橋主橋采用UHPC組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，橋面板采用UHPC材料，形成了一整套材料驗(yàn)收及施工標(biāo)準(zhǔn)。杭瑞洞庭大橋采用鋼-UHPC輕型組合結(jié)構(gòu)，橋面剛度較傳統(tǒng)橋梁提高40倍。咸陽(yáng)市高科一路跨渭河大橋，采用鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)，施工面積達(dá)13 000 m2，顯著提升了橋面的耐久性和抗疲勞性能。益陽(yáng)青龍洲大橋是國(guó)內(nèi)首座鋼-UHPC組合梁雙塔自錨式懸索橋。廣州鶴洞大橋東西引橋大修采用鋼-UHPC組合連續(xù)梁橋，預(yù)制橋面板規(guī)格多樣，施工復(fù)雜但效果顯著。

盡管具有強(qiáng)度和延展性優(yōu)勢(shì)，但與UHPC在橋墩中的應(yīng)用相關(guān)的相對(duì)較高的成本限制了其廣泛使用。根據(jù)研究[5]，UHPC的使用可以減小橋墩的橫截面，進(jìn)而可以減少材料使用量。要充分利用UHPC的優(yōu)越強(qiáng)度并減小橫截面尺寸，就需要具有大的縱向增強(qiáng)率的密閉UHPC圓柱體。盡管他們的結(jié)果證實(shí)了在主要橋梁子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用UHPC代替常規(guī)混凝土的可行性，但是由于缺乏比較數(shù)據(jù)，使用UHPC進(jìn)行橋墩可實(shí)現(xiàn)的成本降低仍然不清楚[6]。

2.2 應(yīng)用于橋梁

UHPC梁的設(shè)計(jì)主要考慮強(qiáng)度極限狀態(tài)下的構(gòu)件強(qiáng)度。由于梁端的腐蝕，橋式構(gòu)件的強(qiáng)度會(huì)大大降低，這表明需要對(duì)有害物質(zhì)滲透具有實(shí)質(zhì)性抵抗力的材料。先前的研究已證實(shí)UHPC增強(qiáng)了抗腐蝕能力。但是，由于UHPC的高成本，其在橋梁中的應(yīng)用主要是作為修補(bǔ)材料。例如，UHPC已用于包裹鋼梁的腐蝕損壞的端部。在這種新穎的修復(fù)方法中，將UHPC面板通過(guò)剪力螺柱連接到大梁上，該剪力螺柱焊接到腹板和圍繞腐蝕區(qū)域的法蘭上。UHPC大梁還具有質(zhì)量更輕的優(yōu)點(diǎn)，可用于鋼筋混凝土組合橋梁，以降低連續(xù)和大跨度橋梁的建造成本，與傳統(tǒng)的復(fù)合梁相比，鋼-UHPC復(fù)合梁的自重可以降低約35％[7]。

2.3 應(yīng)用于橋面板

橋面甲板使用壽命的終止與劣化問(wèn)題相關(guān)，例如開裂，剝落和分層，也可能受負(fù)載和溫度效應(yīng)的影響。UHPC作為一種創(chuàng)新解決方案正在興起，可以解決各種橋梁設(shè)計(jì)，施工和修復(fù)問(wèn)題。

UHPC在橋梁中的一種新興應(yīng)用是通過(guò)薄而黏結(jié)的UHPC覆蓋層來(lái)修復(fù)橋面板。UHPC覆蓋層可以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并防止氯化物和水進(jìn)一步滲透，同時(shí)使橋結(jié)構(gòu)上的附加荷載最小化。UHPC覆蓋層在橋面中的成功應(yīng)用之一是改進(jìn)了Chillon[8]高架橋（圖1），該橋由兩座平行的混凝土公路橋梁組成，在瑞士建于19世紀(jì)60年代后期[9]。為了確保Chillon高架橋的安全性，2015年在橋面板頂部添加了45 mm的UHPFRC層，用作橋面板和主梁的外部抗拉鋼筋，從而增加了面板的極限承載能力和剛度，有效預(yù)防了水等離子的滲入。

對(duì)于大跨度橋梁，正交異性鋼甲板（OSD），因其自重輕，承載力強(qiáng)和施工方便等優(yōu)點(diǎn)而成為常用的橋梁甲板系統(tǒng)。但OSD容易出現(xiàn)疲勞裂紋，特別是在蓋板和縱向加勁肋之間的焊接處。這主要是由于在承受交通負(fù)荷時(shí)容易疲勞的細(xì)節(jié)中引入了大量的應(yīng)力循環(huán)。為了解決與OSD相關(guān)的疲勞問(wèn)題，當(dāng)前的研究涉及使用UHPC層來(lái)修復(fù)現(xiàn)有的正交異性甲板。例如，邵旭東[9]等人提出了一種輕量級(jí)的復(fù)合甲板（LWCD），它由一個(gè)帶有UHPC覆蓋的OSD組成，LWCD具有較高的局部剛度，可以有效延長(zhǎng)橋面板的疲勞壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)UHPC的成分，力學(xué)性能，耐久性以及其在不同橋梁構(gòu)件中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的綜述。盡管UHPC已被廣泛用于橋梁的設(shè)計(jì)和施工中，但在UHPC的材料性能和應(yīng)用方面仍存在一些限制和不確定性。具體如下。

第一，UHPC相對(duì)較高的成本是其設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。為了降低UHPC的成本，已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，以通過(guò)用其他合適的材料代替更昂貴的硅粉和水泥來(lái)優(yōu)化UHPC混合物。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)很少報(bào)道不同UHPC混合物的相對(duì)成本優(yōu)勢(shì)，并且缺乏比較研究。因此，需要UHPC進(jìn)行全面的成本分析和評(píng)估，以供將來(lái)研究之用。

第二， UHPC的良好機(jī)械性能和耐用性有助于其在橋梁中的應(yīng)用，不僅適用于新建橋梁，而且還適用于現(xiàn)有橋梁的改造，但降低UHPC成本的方法尚未得到很好的開發(fā)，這表明需要進(jìn)一步研究以擴(kuò)展橋梁中的UHPC應(yīng)用。

第三，為了將UHPC的應(yīng)用擴(kuò)展到無(wú)縫橋，用于連接板的UHPC的力學(xué)性能和破壞機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

第四，UHPC的相對(duì)較高的成本以及有限的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范，限制了UHPC在橋梁中的應(yīng)用。因此，需要進(jìn)行大量研究以優(yōu)化UHPC混合物，改進(jìn)制備技術(shù)并建立設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從而為UHPC在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用提供實(shí)用指導(dǎo)。

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