用超高性能混凝土造橋

文

超高性能（UHPC）因其具有高強(qiáng)度、高韌性等類(lèi)金屬的優(yōu)良性能，在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)展迅速。近年來(lái)，UHPC在我國(guó)橋梁工程中也逐步得到實(shí)踐和應(yīng)用。

混凝土作為最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料，在橋梁、市政、工民建等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。超高性能混凝土（UHPC）也稱(chēng)為活性粉末混凝土（RPC）采用最大堆積密度理論，利用毫米級(jí)的細(xì)骨料，微米級(jí)的膠凝材料和亞微米的硅灰形成致密堆積，同時(shí)采用鋼纖維或高分子纖維增韌，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后高強(qiáng)、高韌性，具有類(lèi)金屬特性，在公路、橋梁等建設(shè)中得到了成功應(yīng)用。

目前的公路橋梁按承重材料主要分為混凝土橋梁、鋼橋和鋼混3種結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)勢(shì)，但也存在一定缺點(diǎn)。人們?cè)跍p輕工程自重、提高荷載強(qiáng)度和耐久性方面發(fā)掘了超高性能混凝土的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并逐步應(yīng)用于工程實(shí)踐。

超高性能混凝土的特點(diǎn)

超高性能混凝土問(wèn)世距今已有20多年，由勞爾（Larrard）和賽德蘭（Sedran）首次提出，后經(jīng)Bouygues公司和拉法基公司合作開(kāi)始商業(yè)化，將各種微集料以最佳堆積方式進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，由毫米級(jí)、微米級(jí)及亞微米級(jí)的材料進(jìn)行致密填充，同時(shí)加入短鋼纖維增韌，強(qiáng)度一般在150兆帕以上，水膠比在0.2以下，輔以高性能減水劑保證UHPC良好的自流平性能。與常規(guī)混凝土材料相比，UHPC具有較高的強(qiáng)度，遠(yuǎn)超普通混凝土的韌性及更均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。有研究推算，UHPC材料的使用耐久性最高可達(dá)200年，對(duì)于提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的服役壽命是一項(xiàng)重大突破。

由表1可以看出，UHPC抗壓強(qiáng)度是普通混凝土的3倍，抗折強(qiáng)度是普通混凝土的約10倍，能夠承受較大的徐變，表現(xiàn)出優(yōu)異的使用性能。

表1 UHPC與普通混凝土的主要力學(xué)和耐久性指標(biāo)對(duì)比

UHPC性能的影響因素

通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行磨細(xì)，按照水泥:硅灰:粉煤灰:細(xì)砂:水:B32高效減水劑:短鋼纖維=1:0.25:0.20:1.25:0.23:0.013:0.25配制了活性粉末混凝土。經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)后測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度為210.1兆帕，抗折強(qiáng)度為38.8兆帕，斷裂能為每平方米21千焦。相關(guān)研究人員就地取材，利用天然細(xì)骨料和外摻料代替?zhèn)鹘y(tǒng)石英粉和硅灰配制UHPC，經(jīng)過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)，最高強(qiáng)度達(dá)200兆帕，抗折強(qiáng)度達(dá)50兆帕，在市政井蓋制造上得到應(yīng)用。

相關(guān)研究人員還研究了河砂和石英砂等細(xì)集料對(duì)超高性能混凝土的性能影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同條件下，河砂制備的UHPC的流動(dòng)性略低于石英砂制備的UHPC；河砂制備的UHPC與石英砂制備的UHPC的抗壓/抗折強(qiáng)度均可達(dá)140兆帕/20兆帕以上，收縮也較小，粒徑小于1.18毫米的河砂綜合性?xún)r(jià)比最佳。將納米級(jí)材料對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行改性，可以獲得更高的水化反應(yīng)效率，試驗(yàn)研究納米碳酸鈣（CaCO3）和納米（二氧化硅）SiO2能夠增加混凝土的黏聚性，提高UHPC的抗折強(qiáng)度和韌性，但面臨成本和分散問(wèn)題。

纖維的加入能夠?yàn)槌咝阅芑炷撂岣咴鲰g，提高UHPC的抗折強(qiáng)度，不同纖維對(duì)UHPC的影響也有所差異。鋼纖維體積摻量增加，UHPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高，且鋼纖維體積摻量為1.0%至1.5%時(shí)混凝土抗劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，增長(zhǎng)最快，鋼纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土增韌增強(qiáng)效果產(chǎn)生一定影響，大長(zhǎng)徑比的鋼纖維抵抗荷載的能力更強(qiáng)。

外摻玄武巖纖維制備UHPC，研究其對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，測(cè)試了各配比的立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：玄武巖纖維對(duì)混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均有提高，當(dāng)玄武巖纖維摻量為每立方米2千克時(shí)，UHPC的綜合性能最佳，取得了良好的力學(xué)性能。

混凝土良好的養(yǎng)護(hù)制度能夠提高水泥等膠凝材料的水化程度，提高超高性能混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性，目前UHPC常用的養(yǎng)護(hù)方式有熱水養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和干熱養(yǎng)護(hù)。

相關(guān)研究人員研究了納米氧化硅和納米碳酸鈣在UHPC的增韌機(jī)理，并進(jìn)行了熱水養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)熱水養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度提高明顯。其他學(xué)者的研究同樣發(fā)現(xiàn)熱水養(yǎng)護(hù)相比自然養(yǎng)護(hù)和常溫水養(yǎng)對(duì)超高性能混凝土的強(qiáng)度和韌性提高更為明顯。

Super BridgeI人行斜拉橋

德國(guó)Grtnerplatz橋

在研究了自然養(yǎng)護(hù)、60攝氏度蒸汽養(yǎng)護(hù)48小時(shí)、90攝氏度蒸汽養(yǎng)護(hù)48小時(shí)3種養(yǎng)護(hù)制度對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以改善混凝土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度，且高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提高更為顯著。有人研究了升溫速度、預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間和恒溫溫度等蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)升溫速度越快，內(nèi)部裂紋增多，混凝土抗折強(qiáng)度下降，預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，UHPC抗折強(qiáng)度越高，恒溫時(shí)間適當(dāng)增加有利于混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)。

干熱養(yǎng)護(hù)制度對(duì)超高性能混凝土的影響與溫度有關(guān)，干熱養(yǎng)護(hù)溫度從150攝氏度提高至200攝氏度時(shí)，混凝土抗折和抗壓強(qiáng)度都有所提高，同時(shí)養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加混凝土強(qiáng)度也會(huì)有所升高，這是因?yàn)楦邷叵碌乃嗨磻?yīng)和火山灰反應(yīng)消耗了氫氧化鈣，改善了界面過(guò)渡區(qū)，但楊吳生的研究發(fā)現(xiàn)干熱養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)使得混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低，這說(shuō)明干熱養(yǎng)護(hù)在提高UHPC性能的同時(shí)也要注意恒溫時(shí)間。

影響UHPC性能的因素還有施工水平、使用部位及服役環(huán)境等。超高性能混凝土作為新型性能材料，目前施工工藝主要為預(yù)制拼接，或者采用灌漿方式作為工程加固。良好的養(yǎng)護(hù)水平對(duì)于超高性能混凝土性能發(fā)揮尤為重要，作為特殊混凝土，對(duì)施工人員的技術(shù)要求較高，應(yīng)區(qū)別于普通混凝土相對(duì)粗放的施工，精細(xì)化的生產(chǎn)管理對(duì)超高性能混凝土性能尤為重要。

UHPC國(guó)外橋梁工程應(yīng)用進(jìn)展

超高性能混凝土自從問(wèn)世以來(lái)，以其較高的強(qiáng)度、超強(qiáng)的韌性在建筑工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別與鋼筋組合發(fā)揮了其作為結(jié)構(gòu)材料的獨(dú)特性能。

UHPC可以減輕橋梁的自重，增強(qiáng)橋梁整體的觀(guān)賞性。超高性能混凝土在國(guó)外應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，世界上最早將UHPC應(yīng)用于工程領(lǐng)域的是法國(guó)，世界第一座使用UHPC建造的橋梁為加拿大魁北克省舍布魯克橋，該橋跨度60米，橋梁腹桿采用直徑為150毫米鋼管RPC，下弦使用了高380毫米的RPC預(yù)制梁。美國(guó)第一座UHPC橋梁建于2005年，位于愛(ài)荷華州，跨度33.5米。其后，UHPC在世界范圍內(nèi)得到關(guān)注，并在橋梁工程建設(shè)中得到大膽嘗試。其中，韓國(guó)推廣UHPC橋梁的建設(shè)，新技術(shù)不斷創(chuàng)新。韓國(guó)建設(shè)了世界上第一座UHPC拱橋——仙游橋，該橋具有跨度大（120米），主拱厚度低（30毫米），π型截面，其中拱肋的UHPC采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制得。

另外一座橋梁為Super BridgeI人行斜拉橋，該橋于2009年建成，由獨(dú)塔、板梁與斜拉索構(gòu)成，板梁呈扇形，共3片。其中，兩片為18.5米的UHPC梁，UHPC混凝土水膠比為0.24，摻加2%的短鋼纖維，預(yù)制節(jié)段先進(jìn)行48小時(shí)自然養(yǎng)護(hù)，再經(jīng)90攝氏度蒸汽養(yǎng)護(hù)48小時(shí)，預(yù)制后的橋梁表觀(guān)良好，抗壓強(qiáng)度達(dá)到180兆帕，抗彎強(qiáng)度20兆帕，抗拉強(qiáng)度20兆帕，體現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能。

德國(guó)在UHPC橋梁方面開(kāi)展了大量研究，并實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目應(yīng)用。2007年，德國(guó)建成了世界首座UHPC鋼組合橋梁——Grtnerlatz橋，共6跨，橋長(zhǎng)133.2米，UHPC在組合結(jié)構(gòu)和橋面板中得到應(yīng)用，上弦桿通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行連接。

此外，奧地利在2010年建成了世界首座UHPC公路拱橋，總長(zhǎng)154米，主拱跨徑70米，拱軸線(xiàn)采用多邊形，采用UHPC施工后大大減少了橋面厚度，取得了良好的外觀(guān)效果。日本和馬來(lái)西亞也相繼建成了UHPC橋梁。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前使用UHPC建造的橋梁己超過(guò)400余座，國(guó)外橋梁在使用UHPC建造方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

UHPC在國(guó)內(nèi)橋梁中的應(yīng)用進(jìn)展

我國(guó)UHPC研究相對(duì)較晚，但學(xué)者針對(duì)UHPC的良好性能表現(xiàn)出極大的研究興趣，黃政宇、覃維祖、蒲心誠(chéng)等國(guó)內(nèi)一批早期的學(xué)者對(duì)UHPC的制備及性能進(jìn)行了跟蹤和研究。我國(guó)截至2017年使用UHPC材料的橋梁共有32座，第一座為2006年在遷曹鐵路工程中修建的灤柏干渠大橋，12片T梁為超高性能混凝土預(yù)制，梁高1.35米，高跨比1/14.8，跨中腹板厚度18厘米。

2016年建成的湖南長(zhǎng)沙北辰三角洲UHPC人行天橋，為世界首座全預(yù)制拼裝UHPC混凝土橋，長(zhǎng)度為70.8米、寬度為6.5米，采用預(yù)制拼接，跨度大，橋墩部分整體預(yù)制吊裝，大大縮短了橋梁的建設(shè)周期，由于自重減輕，厚度降低，美觀(guān)度提升。

大岳高速公路洞庭湖大橋是超高性能混凝土組合鋼橋面

2017年通車(chē)的上海嘉閔高架南延伸段工程，其中袁家河橋?yàn)槿珖?guó)首座采用UHPC預(yù)制π梁的UHPC-RC組合梁橋，橋梁跨徑22米，橋?qū)?7.75米。袁家河橋上部結(jié)構(gòu)采用UHPC-RC組合梁，為UHPC預(yù)制π梁與普通鋼筋混凝土（RC）橋面板組成的組合結(jié)構(gòu)橋梁。橋梁橫橋向布置7片UHPC預(yù)制π梁，單片UHPC預(yù)制π梁長(zhǎng)22米，寬2.5米，高0.93米，頂板最薄處僅5厘米，大大降低了自重，吊裝時(shí)施工速度大幅提高。

青島海灣大橋應(yīng)用了海工高性能耐久混凝土

超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)人行步道的成功應(yīng)用拓展了UHPC的應(yīng)用范圍，上海申通地鐵總結(jié)了超高性能混凝土的應(yīng)用案例后，結(jié)合上海閔浦二橋使用超高性能混凝土的情況，得出UHPC在上海地鐵工程應(yīng)用的可行性，同時(shí)超高性能混凝土在國(guó)內(nèi)電纜槽蓋板、橋梁加固等得到應(yīng)用，2007年超高性能混凝土在襄渝鐵路二線(xiàn)山區(qū)橋梁實(shí)現(xiàn)了示范展示。

超高性能混凝土以其高抗拉強(qiáng)度和類(lèi)金屬的拉伸應(yīng)變性能，以及優(yōu)異的裂縫寬度控制能力等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)的橋梁工程中得到了應(yīng)用，但也面臨原材料的選擇和養(yǎng)護(hù)工藝的優(yōu)化等問(wèn)題。由于目前UHPC研究理論較多，國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例相對(duì)較少，行業(yè)缺乏對(duì)超高性能混凝土定義、性能等統(tǒng)一的規(guī)范性認(rèn)識(shí)，對(duì)超高性能混凝土推廣造成了一定影響。隨著對(duì)UHPC制備工藝的研究深入，UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用潛力會(huì)得到更深入挖掘，并在裝配式橋梁構(gòu)件的生產(chǎn)有所作為。