超高性能混凝土的應(yīng)用

唐勇 李旭

超高性能混凝土（UHPC）是近年來(lái)在土木工程領(lǐng)域炙手可熱的一種新材料，也可以說(shuō)是當(dāng)前最先進(jìn)的水泥基復(fù)合材料。本文首先簡(jiǎn)介了UHPC 的特點(diǎn)，然后列舉了UHPC 的幾種應(yīng)用，最后對(duì)當(dāng)前UHPC 的發(fā)展提出自己的看法。

一、UHPC 的特性及材料組成

1.UHPC 的特性

超高性能混凝土，英文為Ultra High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC，1994 年被提出，是一種極具創(chuàng)新性的水泥基材料。超高混凝土的超高性能主要表現(xiàn)在超高的力學(xué)性能和耐久性，與其他水泥基材料相比，UHPC的主要特點(diǎn)有：

（1）超高的抗壓強(qiáng)度，UHPC 的抗壓強(qiáng)度一般都大于120MPa，不同國(guó)家對(duì)UHPC 的最低抗壓強(qiáng)度規(guī)定有所不同，但其最低抗壓強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于普通混凝土。

（2）很好的抗拉強(qiáng)度，UHPC 的抗拉強(qiáng)度可穩(wěn)定達(dá)到7Mpa，有的還可達(dá)到10Mpa 或更高。

（3）超強(qiáng)的耐久性能，UHPC 結(jié)構(gòu)及其致密，其抗碳化、抗凍性、抗水滲透性、硫酸鹽侵蝕等性能都非常優(yōu)異，甚至可以說(shuō)是免疫。

（4）具有極高的韌性和延性，表現(xiàn)在斷裂能是普通混凝土的幾百倍；極限拉應(yīng)變大，一般要求大于1000με，最大可達(dá)4000με 左右。

此外，UHPC 在制備、造價(jià)及應(yīng)用還具有如下特點(diǎn)：

（1）對(duì)制備條件和技術(shù)要求高，需專(zhuān)業(yè)人員選擇材料和配比，并以干混料供應(yīng)。

（2）由于組分的多樣性并且對(duì)組分的品質(zhì)要求較高，UHPC 的生產(chǎn)成本高，可達(dá)到普通混凝土的10 倍；但由于UHPC 的優(yōu)良力學(xué)性能，使得很多創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系可以實(shí)現(xiàn)，超強(qiáng)的耐久性大大減少了使用階段得維修次數(shù)和維修費(fèi)用，綜合來(lái)看其在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)成本是小于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的。

（3）UHPC 不適用于大體積現(xiàn)澆，養(yǎng)護(hù)條件較高，一般需蒸汽養(yǎng)護(hù)或高溫養(yǎng)護(hù)；但其可以用于預(yù)制裝配構(gòu)件。

2.UHPC 的材料組成

UHPC 也屬于纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的一種，主體為高強(qiáng)度水泥，其所加纖維為經(jīng)過(guò)防銹處理的鋼纖維；不含粗骨料，所加骨料為高強(qiáng)小粒徑級(jí)配良好的優(yōu)質(zhì)骨料；UHPC 中添加多種超細(xì)活性摻合料，水化時(shí)可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)降低孔隙率，提高密實(shí)度；UHPC 中還添加多種外加劑，其中主要的是高性能減水劑，以降低水膠比，減小孔隙率，減小干縮。

此外，UHPC 還可在制備時(shí)根據(jù)不同的工程需要，對(duì)組分進(jìn)行調(diào)整使其具有不同的特點(diǎn)。如高配筋UHPC，可泵送UHPC，自密實(shí)UHPC 等。

二、UHPC 的應(yīng)用

1.UHPC 在中小跨徑橋梁的應(yīng)用

UHPC 在橋梁領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用了UHPC 材料的橋梁已超過(guò)100 座，使用UHPC 作為主體結(jié)構(gòu)的橋梁可以少用鋼筋甚至不用鋼筋，UHPC 在施工過(guò)程中還可作為永久性模板。

1997 年加拿大建成了世界上第一座UHPC 人行橋；2001 年，法國(guó)建成了世界上最早的UHPC 公路橋，橋梁為兩跨，每跨長(zhǎng)22m。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制UHPCΠ 型梁，先張預(yù)應(yīng)力，梁與梁縱橫向接口均用UHPC 現(xiàn)場(chǎng)澆筑填充，最終形成無(wú)縫整體式的橋面。全橋盡在接口處設(shè)連接鋼筋，自重也僅有傳統(tǒng)混凝土橋梁的1/3。整個(gè)施工過(guò)程均使用傳統(tǒng)施工機(jī)具，快速且順利。2012 年的檢測(cè)評(píng)估表面，該橋依然狀態(tài)良好。此后，澳大利亞、美國(guó)等國(guó)都建設(shè)了許多UHPC 公路橋和人行橋，梁的形式也多種多樣，包括I 型、Π 型、T 型和箱型梁等。其中美國(guó)應(yīng)用最多的井字式UHPC 橋面板，可通過(guò)預(yù)制后直接鋪設(shè)在混凝土梁或鋼梁上，通過(guò)剪力連接件連接，可在一夜間完成對(duì)老橋、病橋的上部結(jié)構(gòu)改造。

奧地利與2010 年建成第一座UHPC 拱橋，橋長(zhǎng)154m，拱的形式為雙桁架拱，是拱橋向輕型化發(fā)展的一次重大突破。我國(guó)也于2015 年建成了第一座UHPC 人行拱橋，該橋位于福州大學(xué)校內(nèi)，形式為無(wú)推力系桿拱橋。主跨長(zhǎng)10m，寬2.1m，主拱為UHPC 板拱，系桿為鋼筋混凝土。滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆施工，后期蒸汽養(yǎng)護(hù)，施工順利。雖然跨徑較小，但對(duì)我國(guó)UHPC 拱橋的設(shè)計(jì)和施工仍有借鑒意義。

2.UHPC 在大跨徑橋梁中的應(yīng)用

當(dāng)前大跨徑橋梁主要存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋下?lián)洗?，墩頂?fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂嚴(yán)重，維修次數(shù)多，成本高，甚至難以維修。

（2）組合結(jié)構(gòu)橋梁依然存在墩頂負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂的問(wèn)題，自重大，限制了組合結(jié)構(gòu)的跨越能力。

（3）大跨徑鋼橋存在橋面板疲勞問(wèn)題，鋪裝層老化損傷嚴(yán)重，對(duì)鋼橋面板的保護(hù)性差，維修費(fèi)用高。

將UHPC 應(yīng)用于大跨徑橋梁可有效解決以上三個(gè)問(wèn)題：

（1）目前已有研究人員提出了一種UHPC 連續(xù)箱梁新結(jié)構(gòu)，適用于超大跨徑。該體系運(yùn)用了密集橫隔板薄壁箱梁，和部分體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，將有效跨徑提升到了500m，而且解決了大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的下?lián)蠂?yán)重和開(kāi)裂的問(wèn)題，并且具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

（2）UHPC 強(qiáng)度高、韌性大，與鋼結(jié)構(gòu)組合使用時(shí)變形協(xié)調(diào)，有學(xué)者提出將UHPC 直接澆筑在鋼梁上表面形成組合結(jié)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種想法的合理性，這種結(jié)構(gòu)在自重僅為傳統(tǒng)鋼-混組合結(jié)構(gòu)一半的情況下，承載能力卻翻倍，抗裂能力更是傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)的4 倍，有效解決了傳統(tǒng)鋼-混組合結(jié)構(gòu)自重大，負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂嚴(yán)重的問(wèn)題，使得組合結(jié)構(gòu)早保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)可用跨徑進(jìn)一步提升；同時(shí)UHPC 在中小跨徑橋梁中的應(yīng)用仍可應(yīng)用于大跨徑橋梁，如利用UHPC 現(xiàn)場(chǎng)澆筑濕接縫，也可解決組合結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的問(wèn)題。

（3）目前鋼橋面鋪裝多采用環(huán)氧瀝青混凝土，不僅造價(jià)高，且維修次數(shù)多成本大，鋼橋面板的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題尤為突出。利用UHPC 作為鋼橋面鋪裝，研究表明這時(shí)鋼橋面的受力更為合理，開(kāi)裂問(wèn)題得到明顯改善；UHPC本身又是一種高韌性、高耐久性的材料，適合用于橋面鋪裝材料這種重載、沿海的交通環(huán)境。

此外，使用UHPC 材料一些新的橋梁結(jié)構(gòu)形式也得以實(shí)現(xiàn)，如韓國(guó)提出的的UHPC 新型結(jié)構(gòu)斜拉橋，其施工成本和維修成本均可降低20%。我國(guó)即將通車(chē)的長(zhǎng)江五橋，也是應(yīng)用了UHPC 的一座組合結(jié)構(gòu)斜拉橋。

3.使用UHPC 進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)

UHPC 用于結(jié)構(gòu)修復(fù)也是其較為廣泛的應(yīng)用。方法為需要修復(fù)結(jié)構(gòu)的損傷部分清除，然后澆筑UHPC 保護(hù)層，由于UHPC 非常致密，使其與原有結(jié)構(gòu)的結(jié)合非常好，同時(shí)利用UHPC 的超強(qiáng)耐久性保護(hù)結(jié)構(gòu)。也可以在需要修復(fù)的結(jié)構(gòu)外使用預(yù)制的UHPC 板進(jìn)行加固和防護(hù)。UHPC 的修復(fù)特別適用于環(huán)境嚴(yán)酷地區(qū)，如海岸、港口等。

4.UHPC 用于裝飾、美化工程

由于UHPC 的特點(diǎn)，使其可以應(yīng)用于以前只有鋼結(jié)構(gòu)才能應(yīng)用的領(lǐng)域。如使用UHPC 建造的薄殼結(jié)構(gòu)，加拿大的Shawnessy 輕軌站，法國(guó)的Millau 收費(fèi)站都采用的這種薄殼結(jié)構(gòu)；使用UHPC 建造的陽(yáng)臺(tái)、樓梯等，一改傳統(tǒng)鋼筋混凝土的厚重，對(duì)建筑的美觀效果有很大提升；UHPC 還可用于建筑的裝飾性構(gòu)件、藝術(shù)建筑的稱(chēng)重結(jié)構(gòu)，如歐洲與地中海文明博物館的幕墻，2013 年建成的巴黎Stade Jean Bouin 體育場(chǎng)的屋面等；此外，UHPC 還可以用來(lái)做雕塑，甚至家具，設(shè)計(jì)師們也有了更大的發(fā)揮空間。

三、結(jié)語(yǔ)

UHPC 自誕生以來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)外土木工程都產(chǎn)生了很大的影響，無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是工程界。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)UHPC的研究突飛猛進(jìn)，但在應(yīng)用上還與國(guó)外很多國(guó)家有差距。隨著對(duì)UHPC 應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越多，相信UHPC 在我國(guó)有相當(dāng)大的應(yīng)用前景。目前的研究應(yīng)該在進(jìn)一步提升UHPC 性能的基礎(chǔ)上盡量降低造價(jià)，造價(jià)高是國(guó)內(nèi)UHPC應(yīng)用不多的一個(gè)主要原因；同時(shí)對(duì)于計(jì)算方法的研究，規(guī)范的指定也是尚待解決的問(wèn)題。