超高性能混凝土的結構性能及其在橋梁工程中的應用綜述

中圖分類號：U444文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.051

文章編號：1673-4874（2025）03-0179-04

0 引言

根據混凝土的多尺度微結構特征[1-2]，引入不同尺度的纖維、微納粉體或火山灰材料，如粉煤灰和硅粉，基于最緊密堆積理論提升混凝土的力學性能[3-8]，已被用于開發具有高強度、高延性和高耐久性的超高性能混凝土（UHPO）。關于UHPC材料性能的研究最為廣泛，比如強度[9]、彈性模量[10]、耐久性[11]等，學者們針對上述材料的基本性能開展了大量的試驗研究和文獻綜述，能夠對UHPC的材料設計提供指導。但UHPC要進入工程應用，也必須對其結構性能進行充分的研究和掌握，才能直接指導UHPC的結構設計，推動其得到大規模的工程應用。目前已經有不少文獻針對UHPC的結構性能開展了研究[12]，但相關的文獻綜述卻較少。

在全球范圍內，UHPC的應用已取得成功[13]，其中以橋梁工程的應用最為廣泛。因此，本綜述的目的是總結以往UHPC的結構性能，并以此為基礎，著重討論UHPC在我國橋梁工程中的應用案例，進而對未來的研究和工程應用提出一些建議。

UHPC的結構性能

1.1UHPC與鋼筋的黏結性能

工程應用中的UHPC構件通常采用配筋形式，因此，UHPC與鋼筋的良好黏結性能是保證橋梁構件和結構正常工作的前提[14]。與常規高強度混凝土相比，UHPC具有更好的黏結性能，所需的黏結長度比常規混凝土要短得多。Qi等15研究了混凝土保護層厚度、鋼筋埋設長度和鋼筋直徑對UHPC中鋼筋黏結性能的影響，研究發現，因混凝土保護層厚度不足導致劈裂破壞，埋置長度短導致混凝土錐形破壞，相應的黏結強度較低，如圖1所示為混凝土保護層厚度對鋼筋-UHPC界面破壞模式的影響。當混凝土保護層厚度從0.5 D 增加到2 D 時，黏結強度提高229. 8% ，拉拔能提高 401.4% 。

普通混凝土中多采用混凝土強度預測鋼筋黏結強度，但UHPC中由于高摻量纖維的加入，僅采用強度很難準確預測鋼筋的黏結強度。因此，Qi等[15提出了一種基于纖維基體離散概念的理論黏結強度模型，該模型與文獻收集的343個試驗數據吻合良好。Li等1開發了機器學習方法預測UHPC中的鋼筋黏結強度，也取得了很好的預測效果。

1.2配筋UHPC梁性能

配筋梁的受彎性能是混凝土結構構件的最基本性能。楊松霖等[17]研究了配筋UHPC梁的受彎性能，發現鋼纖維摻量為 2×01.% 時，UHPC梁比配筋相同的混凝土梁承載力提高 20%～40% ，延性系數提高約當 4～7 倍，端鉤纖維的增強效果比啞鈴狀纖維更顯著。而配筋梁的受剪性能脆性較大，采用UHPC效果更好。鄧宗才等[18]研究表明，混雜纖維能夠有效改善UHPC梁的抗剪變形能力，配筋梁的脆性剪切破壞轉變為延性破壞模式。

基于纖維增強聚合物（FRP）優于金屬材料的耐腐蝕、高拉伸強度比等優勢，在惡劣環境下可以考慮采用FRP配筋以提高結構耐久性。Zeng等19研究了不同種類纖維-FRP格柵增強超高性能混凝土復合板的抗彎性能，發現PE纖維可以作為鋼纖維的替代品，開發出一種新型的用于抗彎的無鋼材FRP格柵-UHPC復合板。與添加 1% 或 0.5% 的 12mm PE纖維的UHPC板（無FRP格柵）相比，相同纖維添加量的FRP格柵-UHPC板的抗彎承載力分別提高了167. 76% 和201. 08% 。在纖維長度接近或相同的情況下，在FRP網格-UHPC復合板中使用PE纖維比使用鋼纖維和玄武巖纖維具有更高的硬化

剛度和更強的抗彎能力。

1.3配筋UHPC柱性能

配筋構件的受壓性能也是混凝土結構構件正截面的基本受力性能之一。Lee等[20]研究了 120MPa 和200MPa抗壓強度的UHPC柱的耐火性能，分析摻入不同類型纖維包括聚內烯、尼龍和鋼纖維的影響。對24根小尺寸柱進行了3h的標準ISO834加熱曲線測試，主要參數是聚丙烯纖維的長度和每種纖維的含量比例。此外，還研究了天然集料和電弧爐氧化渣集料之間的差異。根據重量損失、剝落深度和剝落面積，將試件的耐火性能按剝落程度進行分類。測試結果表明，聚丙烯、尼龍和鋼纖維的混雜纖維增強在防止剝落方面最為有效。在小尺寸柱的火災測試之后，制作了抗壓強度約為200 MPa 的全尺寸柱，并在柱荷載下進行了ISO834火災曲線的嚴重火災條件測試。研究發現，通過分別混雜0.2、0.2和0.5體積百分比的聚丙烯、尼龍和鋼纖維增強，可以獲得具有優越耐火性能的UHPC柱。

1.4UHPC-FRP組合結構

UHPC-FRP組合結構具有更加顯著的性能優勢。FRP約束UHPC的抗壓延性顯著提高，但其破壞機制和應力-應變行為仍需進一步研究。Zhang等21研究了使用纖維增強聚合物（FRP）套管或管材作為約束裝置對超高性能混凝土（UHPC壓縮性能的影響，證明適用于FRP約束普通混凝土的應力路徑無關假設不適用于FRP約束UHPC；通過修改約束壓力以考慮應力路徑依賴性的影響，提出了一個分析導向模型。

1.5UHPC與普通混凝土的界面黏結性能

由于具有優異的抗壓強度、高抗拉能力和極低的滲透性等特性，UHPC適用于對老化普通強度混凝土（NSC）結構進行耐久修復和加固。然而，成功的修復取決于UHPC-NSC界面在整個使用壽命中，在各種荷載和工作條件下的良好黏結性能。Zhang等22通過斜剪、劈裂抗拉和直接抗拉試驗，研究了NSC基底與UHPC層之間的黏結特性，發現在合適的表面粗糙度和基底濕度下，UHPC-NSC復合試樣滿足ACI546-06中規定的最小界面黏結強度要求。

2UHPC應用于橋梁的具體案例

2.1UHPC的總體應用現狀

由于具備優異的力學性能、耐久性和綠色環保特性，近年來，UHPC在建筑、交通和水利工程中越來越受歡迎。UHPC項目的施工簡便性，以及減少結構構件尺寸的能力也提高了UHPC在許多國家的普及程度。根據混凝土市場調查，2016年全球UHPC市場規模估計為8.92億美元，預計到2025年將達到18.673億美元[23]。UHPC市場在全球各國引起了廣泛關注，如中國、新西蘭、韓國、德國、意大利、法國、加拿大、日本、馬來西亞、荷蘭、斯洛文尼亞和美國等。在過去的二十年里，世界各地的研究人員和工程師進行了全面的研究，嘗試將UHPC技術商業化作為可持續建筑材料。文獻顯示，已有超過

200座橋梁使用了UHPC構件[24]

2.2UHPC在橋梁工程中應用的具體案例

2.2.1UHPC用于新建橋梁

由于UHPC很好地滿足了輕質高強的要求，大多數UHPC結構只需要典型鋼筋混凝土或預應力混凝土構件截面深度的 50% ，就能實現高達 70% 的減重，同時UHPC又具有優異的耐久性，能夠很好地滿足橋梁工程隊混凝土材料的要求。因此，迄今為止UHPC在橋梁工程中的應用最為廣泛。

UHPC在橋梁工程中的應用很多，例如梁、梁式結構、橋面板、保護層、不同構件之間的現場澆筑接頭等。1997年，在加拿大謝布羅克市的馬戈格河上建成的世界上第一座預應力混合人行橋；2001年，建成了博日一瓦爾賽橋。隨著技術的進步，跨度較大的橋梁也開始逐步建造，韓國的世宗大橋，主跨長 120m ，于2002年使用UHPC建造，并于2004年竣工。世宗大橋是當時世界上利用UHPC建造的最長跨徑橋梁，其材料用量比標準混凝土施工減少了近 50% ，而強度特性相同。在日本，2003年建造了跨度為50m的坂田未來人行橋。根據2013年FHWA的報告，美國和加拿大已經建造或正在建造55座UHPC橋梁。在歐洲大約有22座UHPC橋梁，在亞洲和澳大利亞有27座UHPC橋梁。

工廠化預制UHPC能夠提升其生產質量，加快現場施工進度，因此在新建橋梁工程中橋面板中得到比較多的應用。2024年9月，武天高速公路城隍互通立交鋼一UHPC混合梁橋面板安裝完成，橋梁主梁采用“槽型鋼箱梁與UHPC橋面板\"的混合結構。其采用工廠預制的方法生產了18cm厚120MPa級的UHPC橋面板，在鋼混組合結構中的應用顯著提升了橋面結構的綜合性能，具體包括以下4個方面：（1）與常規混凝土橋面板相比，UHPC橋面板的重量減輕了 gt;30% ；（2）有效控制了負彎矩區的裂縫問題；（3）預制周期從6個月縮短至1個月，加快了施工效率；（4）卓越的耐久性降低了后期維護成本，節約了整個項自的費用。此外，枝江百里洲長江大橋等也采用了UHPC預制橋面板。

而現場澆筑施工UHPC則以其整體性好，傳力可靠的優點被用于節點或連接區段。2024年，在廣西當時建設中的最大跨度斜拉橋—全長2273m的平南特大橋項目中，鋼-混凝土結合段采用了現場澆筑的UHPC技術。這一結合段位于橋的中跨部分，起始點位于距離索塔中心線向中跨方向12m的位置，另一端則與鋼箱梁段相接。該結合段的構成包括3.5m的混凝土箱梁段 ?2m 的鋼-UHPC混凝土結合段、3m的剛度過渡段以及1m的鋼箱梁段，總長為 9.5m. 。由于UHPC材料具備優越的力學性能，能夠更平滑地過渡結構的受力和形變，因此更適宜用作鋼－混凝土結合段的材料。現澆UHPC在橋面鋪裝中的應用也較多，2024年7月，醴婁高速公路E匝道2號橋梁、中山馬鞍島環島路5號景觀橋、奉建高速白帝城長江大橋等項目中，均采用了現澆UHPC橋面鋪裝。

除了常規的預制和現澆施工UHPC工程外，新的

UHPC施工工藝也開始被用于橋梁工程中。2024年7月，中建八局工程研究院、三公司聯合東南大學張亞梅教授團隊、南京綠色增材智造研究院共同完成了國內首座混凝土3D打印UHPC曲線梁橋的示范應用，這也為3D打印技術在橋梁工程中的應用奠定了基礎。

2.2.2UHPC用于老橋改造

UHPC在老舊橋梁改造工程中的應用也很有潛力，包括橋面板、橋梁結構替換、接縫連接、鋼橋加固維修等。2024年，國道310線牛津河橋進行翻新改造，新橋的上部結構采用UHPC與橋面板組成的組合梁，該工程中采用了預制UHPC工字梁吊裝施工，以加快工程進度。

在橋梁的加固改造、維修和改造中，對于豎向構件，如橋墩，使用常規澆筑施工效率較低，因此噴射UHPC技術就得到了應用。2024年9月，中交二航局將噴射UHPC用于跨海大橋橋墩濕接頭防護。位于全球三大強潮海灣之一的杭州灣海域的杭州灣跨海大橋，因其所在區域風浪猛烈、潮汐變化巨大、海流湍急、環境條件艱苦，橋墩的濕接頭在歷經15年的使用后出現了裂縫和缺陷等病害。工程技術人員研發了一套噴射UHPC施工技術，該技術特點包括超長保持流動性、超遠距離輸送、快速硬化、超高強度和卓越的抗滲性。具體表現為，噴射UHPC的保持流動性時間 ，輸送距離 gt;50m ，凝結時間lt;10min，1d的抗壓強度gt;80MPa，抗滲等級達到P40以上。

我國大量的橋梁采用鋼梁，而鋼梁端部也就是支撐部位很容易銹蝕，從而引起橋梁結構嚴重損傷和承載能力下降，并且鋼梁的維修難度很大、成本較高。美國Connecticut大學開展了在鋼梁端部支撐部位銹蝕區域外側直接采用UHPC進行包裹加固的試驗和工程應用，達到維修加固的目的，大大降低了鋼梁維修的成本和施工難度。

3結語

3.1結論

結構性能研究綜述發現，與常規高強度混凝土相比，UHPC具有更好的黏結性能，所需的黏結長度比常規混凝土要短得多。通過機器學習等新技術可以較好地預測UHPC中的鋼筋黏結強度。在彎曲和剪切荷載作用下，UHPC梁比配筋相同的混凝土梁承載力和延性均有顯著提高。FRP格柵增強超高性能混凝土復合板也具有良好的受彎性能。FRP約束UHPC的抗壓延性顯著提高，但其破壞機制和應力-應變行為仍需進一步研究。UHPC與普通混凝土之間的界面黏結能夠較好地滿足規范要求。

文獻綜述發現，UHPC在橋梁工程中的應用已較為廣泛。包括新建和維修橋梁中的梁、梁式結構、橋面板、保護層、不同構件之間的現場澆筑接頭等。在這些工程應用中也已探索出不同的UHPC施工工藝，包括預制、現澆、3D打印、噴射UHPC等，為UHPC的大面積推廣應用奠定了技術基礎。

3.2展望

目前的配筋UHPC計算模型需要進一步提高精度和可靠性，特別是在預測鋼筋UHPC構件的抗彎和抗剪強度方面。同時，建立統一的規范對于在實際工程中促進鋼筋UHPC結構的應用至關重要。由于在橋梁工程中需要承受長期的動態、疲勞荷載等，需要進一步的研究來深入探究UHPC材料、配筋構件、黏結界面的疲勞和動態力學特性，這將進一步推動UHPC在橋梁工程中的廣泛應用。

目前UHPC在國內橋梁中的應用大多仍以橋面鋪裝層、接縫部位、加固補強等局部使用等為主，UHPC在橋梁中作為主要受力結構構件的應用也需要進一步加強。另外，需要進一步加強針對UHPC不同施工工藝的材料新拌性能基礎研究和施工設備的研發，比如，3D打印、噴射UHPC、鋪裝一體化施工等，以進一步推動UHPC的大面積推廣應用。

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收稿日期：2024-12-12