超高性能混凝土在橋梁工程中運用初探范文

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摘要：超高性能混凝土（UHPC）由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，在各種結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，近年來對其性能的研究也得到了迅速的發(fā)展。UHPC由于造價較高，在橋梁工程中的應(yīng)用受到限制，但對UHPC在不同橋梁構(gòu)件中的受力性能知之甚少。該文綜述了超高強混凝土的性能及其在橋梁工程中的應(yīng)用，以期為今后的研究提供參考。總結(jié)了無縫橋梁在橋墩、主梁、橋面、連接板等橋梁構(gòu)件中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；橋梁工程；實際應(yīng)用；抗震；耐久性

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-ReinforcedComposite)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。受當時高效減水劑性能的影響，CRC或早期UHPC由于其自身的缺陷，很難通過振動達到令人滿意的均勻性粘度。隨著設(shè)計原則的改進和高效減水劑(聚羧酸)的引入，UHPC自密實混凝土的施工性能與早期的CRC或RPC相比有著共同的特點[3-4]。

1UHPC的組成

UHPC的材料成分包括：（1）水泥；（2）級配良好的細砂；（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特的特點，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)護方法有三種：室溫養(yǎng)護、90℃左右高溫養(yǎng)護和200℃蒸汽養(yǎng)護[6]。一般而言，室溫養(yǎng)護下UHPC的強度比90℃高溫養(yǎng)護低10%~30%。200℃以上的蒸汽養(yǎng)護可獲得較高的強度，但由于設(shè)備有限，一般采用前兩種養(yǎng)護方法。

2UHPC的材料性能

與普通混凝土相比，UHPC具有許多優(yōu)點。包括機械性能和耐久性。

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)護條件對其強度有影響，但其極限抗壓強度基本可以保持在100MPa以上。試驗的UHPC單軸抗壓強度可達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度已達到170.3MPa。影響UHPC抗壓強度的主要因素有蒸汽壓力條件、固化時間、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的平均抗壓強度仍顯著高于普通混凝土，且UHPC的抗壓強度有顯著提高，蒸汽養(yǎng)護對UHPC強度的形成有著非常重要的影響。但在實際應(yīng)用過程中，高溫固化難以實現(xiàn)，而采用常溫固化則面臨著材料強度的浪費[9]。因此，如何在室溫固化條件下制備出足夠強度的UHPC，對UHPC的推廣應(yīng)用具有重要影響。

2.2力學(xué)強度

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，當鋼纖維含量控制在3%左右時，UHPC的拉伸強度和彎曲強度與鋼纖維含量成正比，鋼纖維含量對材料強度影響明顯。不同類型的鋼纖維也會影響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，通過直接拉伸強度試驗獲得的UHPC（無纖維）的平均拉伸強度為7~10MPa。日本規(guī)范中的平均抗拉強度值建議為5MPa，而法國SETRA/AFGC規(guī)范中的直接抗拉強度和彎曲強度值分別為8MPa和8.1MPa。另一方面，UHPFRC（包括纖維）的抗拉強度通常較高，范圍為7~15MPa。

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。試驗結(jié)果非常令人鼓舞，因為UHPC構(gòu)件沒有重量和強度損失。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。

3UHPC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UHPCPI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梁的吊裝時間可大大縮短，每根UHPC梁的平均吊裝時間僅為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，整個橋梁建設(shè)的總成本不會大幅增加。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。

3.2UHPC在橋梁連接件中的應(yīng)用

為了實現(xiàn)一個安全、持久的公路交通系統(tǒng)，必須考慮橋梁的各個部分，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材料具有高抗壓強度、高抗拉強度、低蠕變、高耐久性等特點，為預(yù)制橋梁體系的連接設(shè)計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，同時提供更好的整體性能。

3.3UHPC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

榕江大橋為60m+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，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，進行了靜載試驗和疲勞荷載試驗。試驗結(jié)果表明，UHPC路面未出現(xiàn)明顯裂縫，實測應(yīng)力數(shù)據(jù)及其它損傷指標也未超過材料強度承載力。試驗結(jié)果表明，UHPC用于橋面鋪裝具有良好的性能。

4超高強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)一直是一個嚴重的問題。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)箱梁橋進行了概念設(shè)計。研究表明，這種新型超高強混凝土結(jié)構(gòu)能有效地減少梁橋的裂縫和撓度。采用抗拉強度很強的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)計與施工技術(shù)的發(fā)展日新月異。結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的創(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。

5UHPC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），研究人員進行了試驗研究，以評估兩個預(yù)制橋面球頭T梁與現(xiàn)場澆筑UHPC連接的抗震性能。通過一系列振動臺試驗結(jié)果，可以得出結(jié)論，短直鋼筋超高強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目標的穿透深度和爆炸損傷。結(jié)果表明，纖維增強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度是提高抗爆能力的重要手段，還分析了材料組成、試驗方法、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)護要求高，設(shè)計規(guī)范缺乏，但越來越多的研究者、橋梁專家們認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)計方法和性能指標等方面的深入研究，將促進UHPC的廣泛應(yīng)用，降低材料成本。

作者：馬斌 陳曉飛 丁志文 陳利 李斌成 單位：中鐵二局集團有限公司