超高性能混凝土在公路工程應(yīng)用中的研究進展

■繆榮輝

（福建省高速路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廈門 361000）

建筑結(jié)構(gòu)向著更長、更高、更深的方向發(fā)展，對材料性能不斷提出新的挑戰(zhàn)，促使學(xué)者們不斷探索高性能材料。 1973 年，Brunauer 等[1]發(fā)表的論文提及抗壓強度達到240 MPa 的低孔隙率水泥基材料。Bache[2]通過細料致密法（Densified with Small Particles，DSP）發(fā)揮高效減水劑與硅灰的組合作用，達到了減小孔隙率的目的，并制備出抗壓強度為150～200 MPa 的混凝土。1994 年，法國學(xué)者[3]首次提出了超高性能混凝土UHPC（Ultra-High Performance Concrete）這個概念。 同年，Richard[4-5]報道了超高性能混凝土中最具代表性的活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），并宣布混凝土進入超高性能時代。 至此，超高性能混凝土受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

超高性能混凝土是由膠凝材料、細骨料、纖維和高效減水劑組成的新型水泥基材料，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐久性能等區(qū)別于高性能混凝土、普通混凝土。 盡管UHPC 存在著制備成本較高、施工與養(yǎng)護條件嚴(yán)苛等問題，但在工程應(yīng)用中，其節(jié)能減排成效顯著，貼合可持續(xù)發(fā)展理念，具有巨大的經(jīng)濟效益。 本文總結(jié)了UHPC 制備原理以及力學(xué)、耐久性等性能，介紹了UHPC 在高速公路中的應(yīng)用情況，提出了UHPC 在發(fā)展中存在的問題。

1 超高性能混凝土制備原理

20 世紀(jì)70 年代， 許多外國學(xué)者通過試驗證實了提高水泥漿的密實度可以顯著提高混凝土的強度。外國學(xué)者Buitelaar[6]提出了DSP 理論，即采用硅灰等超細粉體顆粒填充水泥之間的空隙，從而提高整體顆粒的密實度。 利用減水劑來分散超細顆粒，使超細顆粒填滿水泥顆粒之間原本需要水來填充的空隙，不僅可以提高整體的密實度，還可以降低含水量。

基于以上理論，不同國家的學(xué)者們開展了大量關(guān)于RPC 制備原理和性能的研究，并通過改良制備出許多種UHPC。通過改善混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、均勻性和孔徑分布等因素，UHPC 的性能得以顯著提升。其基本原理可概括為以下5 點[7]：（1）使用高效減水劑大幅降低UHPC 配制的水灰比；（2）摻入鋼纖維以增強材料的韌性和延性；（3）通過提高反應(yīng)活性和增大材料細度等方法減小體系中的孔隙和裂紋；（4）根據(jù)DSP 理論，減少粗骨料以增加體系的密實度；（5）采用蒸汽養(yǎng)護以實現(xiàn)形狀和水化產(chǎn)物分布的優(yōu)化。

UHPC 對骨料的粒徑、配合比組分和養(yǎng)護方法等沒有嚴(yán)格要求，采用常規(guī)的養(yǎng)護工藝可以制備出強度達到150 MPa 的UHPC。 Wille 等[8]采用普通材料，沒有使用特殊養(yǎng)護工藝，制備出強度達到200 MPa且可泵送的UHPC。 Wang 等[9]采用普通材料和常溫養(yǎng)護，制備出強度為175.8 MPa 的UHPC。Wille 等[10]采用普通材料和常溫養(yǎng)護，制備出強度高達200 MPa的混凝土，并通過摻入鋼纖維使UHPC 抗拉強度達到了15.9 MPa。

2 超高性能混凝土性能特點

2.1 力學(xué)性能

通過添加鋼纖維，UHPC 在擁有超強抗壓強度的同時，兼具超強的韌性和抗折強度。 Fehling 等[11]研究了不同鋼纖維摻入量的UHPC 受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線，結(jié)果表明不摻入鋼纖維時，UHPC 受壓破壞模式呈爆炸性，無曲線下降段；摻入鋼纖維后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線存在明顯的下降段。Prabha 等[12]研究了不同鋼纖維種類和摻入量對RPC 單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響，結(jié)果表明RPC 應(yīng)力—應(yīng)變曲線上升段呈直線狀，而下降段的形狀則與鋼纖維種類和含量相關(guān)；鋼纖維形狀對抗拉強度、耗能能力和峰值應(yīng)變的影響較小，而鋼纖維的摻入量對其起決定性作用。

研究初期加入的是直徑0.15～0.4 mm、長度6～12 mm 的光圓鋼纖維，此時的UHPC 抗折強度可達到30 MPa， 標(biāo)志著UHPC 正式進入高韌性材料的行列。如今，異形鋼纖維的摻入進一步提高了UHPC的抗拉強度、韌性和斷裂能。 UHPC 與普通混凝土、高性能混凝土和鋼纖維混凝土的性能數(shù)據(jù)對比[13]如表1 所示，UHPC 的力學(xué)性能指標(biāo)均遠大于傳統(tǒng)混凝土。

表1 UHPC 與其他水泥基材料的主要力學(xué)性能對比

2.2 耐久性

大量試驗研究與理論可證實，RPC 具有非常緊密的微觀結(jié)構(gòu)、很強的抗?jié)B能力和很好的抗凍融循環(huán)能力[14]；UHPC 不存在堿—骨料反應(yīng)、凍融循環(huán)和延遲鈣礬石生成的問題[13]。在無縫狀態(tài)下，UHPC 的耐水性[15]、抗氯離子滲透[16]、抗碳化[17]、抗化學(xué)腐蝕[18]等耐久性指標(biāo)與傳統(tǒng)混凝土相比有巨大提升。UHPC 與普通混凝土、高性能混凝土和鋼纖維混凝土的耐久性數(shù)據(jù)對比[13]如表2 所示，UHPC 的各項耐久性指標(biāo)均遠大于傳統(tǒng)混凝土。

表2 UHPC 與其他水泥基材料的主要耐久性對比

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，UHPC 壽命是其數(shù)十倍；與鋼結(jié)構(gòu)相比，UHPC 有著高耐久且零維護費的優(yōu)勢。 依據(jù)目前的理論分析、現(xiàn)場試驗和工程實測可得，在非腐蝕環(huán)境中，UHPC 結(jié)構(gòu)的使用壽命可達1000 年； 在自然腐蝕環(huán)境中，UHPC 結(jié)構(gòu)的使用壽命可達200 年。

2.3 經(jīng)濟效益和環(huán)保性

借助Damineli 等[19]提出的膠凝材料濃度指數(shù)和碳濃度指數(shù)這2 個指標(biāo)對UHPC 的生態(tài)效率進行評價。 可以發(fā)現(xiàn)UHPC 的水泥或膠凝材料的利用率最高，屬于最低碳環(huán)保的水泥基材料，并且結(jié)合實際工程結(jié)構(gòu)計算，可以量化UHPC 的節(jié)材減排成效。

在節(jié)能減排方面，有專家估算，根據(jù)目前我國每年混凝土使用量推算，通過推廣運用UHPC 并合理使用摻合料，每立方混凝土節(jié)約水泥25 kg，可實現(xiàn)年節(jié)約水泥1×108t，進而減少材料的消耗量可達：石灰石1.1×108t、黏土6×107t、煤1.2×107t，減少二氧化碳排放量可達7.5×107t[20]。與傳統(tǒng)的鋼梁-鋼筋混凝土橋面板復(fù)合結(jié)構(gòu)橋相比，UHPC 型梁板一體橋節(jié)材重量35%，節(jié)材體積24%，節(jié)能54%，減少直接排放二氧化碳可達59%。 UHPC 與引氣混凝土、高性能混凝土的節(jié)材減排數(shù)據(jù)對比[21]如表3 所示，可以直觀地看出，當(dāng)所加載荷保持一致時，UHPC 結(jié)構(gòu)的等效體積最小，加之又能承受更大的剪切荷載作用，因此可以在一定程度上減少梁體的配筋。 故采用UHPC 進行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以顯著減小結(jié)構(gòu)體積、減少建材的用量，而且UHPC 結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的養(yǎng)護維修成本低，蘊含著巨大的經(jīng)濟效益。

表3 UHPC 與其他水泥基材料的節(jié)材減排對比

2.4 其他性能

研究人員還對UHPC 的高溫、黏結(jié)性能等展開了一定的研究[22]。 當(dāng)溫度達到100℃時，UHPC 的立方體抗壓強度開始下降；溫度在200℃～500℃時，抗壓強度增大；溫度達到600℃后，抗壓強度又開始下降[17]。 UHPC 抗壓強度隨著纖維摻入量的增加而增加，但當(dāng)溫度超過300℃后，抗壓強度隨摻入量的增加而降低。在火災(zāi)環(huán)境中，UHPC 抗拉強度的降低速度比抗壓強度的降低速度快，而UHPC 強度降低速度和質(zhì)量損失率均低于普通混凝土和高性能混凝土[23-24]。 UHPC 的黏結(jié)性能分為與鋼筋的黏結(jié)性能和與其他混凝土的黏結(jié)性能。 鄧宗才等[25]研究了高強鋼筋與RPC 的黏結(jié)性能，結(jié)果表明，與普通混凝土相比，高強鋼筋與RPC 的荷載—滑移曲線的上升段較陡，下降段比較平緩。 安明喆等[26-27]研究了光圓鋼筋與RPC 的黏結(jié)性能，研究表明，RPC 的黏結(jié)性能要優(yōu)于普通混凝土的黏結(jié)性能。

3 超高性能混凝土在公路工程中的應(yīng)用

雖然使用UHPC 的工程成本較高， 但是其憑借著優(yōu)異的力學(xué)性能和超強的耐久性能在高速公路領(lǐng)域已經(jīng)有了大量的應(yīng)用案例，并取得了良好的成效。

3.1 修復(fù)與加固中的應(yīng)用

3.1.1 伸縮縫修復(fù)

伸縮縫是高速公路中十分重要又極易損傷的附屬構(gòu)件，伸縮縫混凝土經(jīng)常出現(xiàn)過早斷裂、脫落等病害，對行車平穩(wěn)性和安全性構(gòu)成威脅。 有數(shù)據(jù)顯示，每年江西省高速公路的伸縮縫混凝土中約有20%～35%的病害發(fā)生率[28]。 為此，任亮[29]發(fā)現(xiàn)在UHPC 中加入聚丙烯纖維和鋼纖維后，UHPC 的抗折強度、抗壓強度和抑制收縮開裂能力都大大增強，并將其應(yīng)用于石吉高速公路的伸縮縫快速修復(fù)中（見圖1）。運用普通混凝土修復(fù)橋梁伸縮縫一般需要5～7 d，而采用混雜纖維增強UHPC 澆筑完成2 d 后便可恢復(fù)交通，且多年后沒有再出現(xiàn)斷裂、剝落等病害。這表明在高速公路橋梁伸縮縫快速修復(fù)中，混雜纖維增強UHPC 具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 快速修復(fù)施工工藝流程

3.1.2 路面修復(fù)

在路面工程中， 由于UHPC 本身具備強度、耐久性、韌性和抗?jié)B性等方面的超高性能，且通過調(diào)整組分能夠很好的滿足施工要求，施工后實現(xiàn)迅速凝結(jié)硬化、快速恢復(fù)交通。 其不僅能夠承受外界因素產(chǎn)生的影響，還能保障路基質(zhì)量，避免出現(xiàn)路基下沉等問題，因此UHPC 解決了道路施工混凝土強度較低的問題，提高了道路的使用壽命，是高速公路修復(fù)中兼具快速和高質(zhì)量的重要材料。 李歡歡[30]將UHPC 實際運用在莘奉金高速公路修復(fù)工程中，按照試驗研究所得的最佳方案配制出了2 h 快硬UHPC（見圖2），應(yīng)用效果十分理想，為自密實UHPC的生產(chǎn)制備和運用推廣打下堅實基礎(chǔ)。 重慶某公路為滿足重型車輛的通行需求，開展了常規(guī)C30 混凝土鋪裝與UHPC 鋪裝的方案比選， 經(jīng)對比選擇了UHPC 鋪裝（見圖3）。 與普通混凝土鋪裝相比，UHPC鋪裝使得道路的耐久性能提升了10 倍以上， 工期也大大縮減，實現(xiàn)了當(dāng)天鋪裝、隔天通行的高效率施工。

圖2 莘奉金高速公路UHPC 施工現(xiàn)場照片

圖3 UHPC 重載路面施工

3.1.3 橋梁主體結(jié)構(gòu)加固

在交通量增加和混凝土收縮徐變的持續(xù)影響下， 高速公路運營中的橋梁極易出現(xiàn)橋面板下?lián)稀⒒炷灵_裂等問題，因此橋梁加固是必不可少的。借助UHPC 的高延性、高黏結(jié)性等特點對橋梁進行加固可以達到事半功倍的效果。某公路某段中有2 座槽型梁橋[31]在長期運行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重碳化、裂縫等病害，且在行車荷載作用下既有病害進一步惡化?？紤]到上述2 座橋梁公路等級高、交通量大、無法中斷交通進行加固，故使用UHPC 加固，以保證加固的可靠性和耐久性（見圖4）。無粗骨料的UHPC具備良好的流動性，澆筑過程中無需振搗，且行車造成的微振反而有利于UHPC 的黏結(jié)和新舊界面的黏合，滿足了不中斷交通的需求。廣州海心橋[32]的拱腳及其下部鋼拱肋均外包了UHPC 保護層（見圖5），以此保證橋梁結(jié)構(gòu)具有更強的耐久性，該實例為鋼結(jié)構(gòu)防腐提供了新思路。 山東省某高速公路現(xiàn)役橋梁[33]中的T 梁經(jīng)下行車輛多次沖撞，存在較多的裂縫，為了盡快恢復(fù)橋梁的承載能力，設(shè)計人員采用外包鋼模、內(nèi)部填充UHPC 的方式進行加固，加固效果良好，運營至今未出現(xiàn)明顯不足。

圖4 UHPC 薄層加固方案

圖5 廣州海心橋拱腳及下部鋼拱肋外包UHPC

3.2 接縫中的應(yīng)用

采用UHPC 濕接縫進行構(gòu)件之間“結(jié)構(gòu)連接”，大幅減小接縫寬度、簡化接縫配筋，減少施工量和難度，能夠提高施工效率、裝配化率和經(jīng)濟性。 最重要的是能夠提升裝配結(jié)構(gòu)的抗疲勞、抗裂、抗震性能及耐久性。 在京哈高速公路加寬改造工程、東陽茂高速擴建工程和宜城漢江大橋維修加固工程[33]中，為保證新舊橋梁連接位置的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的耐久性，減少后期病害，均使用了UHPC 澆筑新舊橋濕接縫部位（見圖6、7），實現(xiàn)了“強節(jié)點、弱構(gòu)件”，使新舊橋連接實現(xiàn)整體強化。

圖6 連續(xù)箱梁新舊橋之間的UHPC 濕接縫

圖7 UHPC 濕接縫加固

3.3 預(yù)應(yīng)力錨固齒塊中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力錨固齒塊作為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的關(guān)鍵受力部件，不僅要承受巨大荷載作用，還要將其傳遞至整個結(jié)構(gòu)， 因此預(yù)應(yīng)力錨固齒塊受力復(fù)雜，在橋梁服役期間極易出現(xiàn)裂縫，影響橋梁正常使用。 楊俊等[34]開展了UHPC 錨固齒塊和普通混凝土（NC）錨固齒塊的承載能力和抗裂性能研究（見圖8）。 研究表明，UHPC 錨固齒塊整體性更好，抵抗變形能力更強，呈延性破壞特征，且UHPC 的運用能夠大幅提高錨固區(qū)的承載能力和抗裂性能。

圖8 齒塊劈裂破壞模式

3.4 公路橋梁中的應(yīng)用

在石磁高速K34+690 處， 為跨越該高速公路，修建了中國第一座UHPC 公路箱梁橋[35]。于2015 年建成通車以來，該橋運行情況良好，通過對足尺梁的破壞試驗和多次優(yōu)化設(shè)計，為UHPC 在中國橋梁中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 為跨越高恩高速公路，設(shè)計修建了透空式UHPC 剛架拱橋[36]，該橋利用了UHPC極強的力學(xué)性能、超高的耐久性和低徐變性能等特點，解決了傳統(tǒng)剛架拱承載力低、易開裂、澆筑時間長的問題（見圖9）。

圖9 UHPC 剛架拱橋?qū)崢?/p>

鋼—UHPC 復(fù)合橋面不僅解決了鋼橋面鋪裝與鋼結(jié)構(gòu)破壞的難題， 而且大幅提高了橋面剛度，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。 福廈鐵路烏龍江特大橋和濱海灣大橋[33]均采用了UHPC 鋪裝（見圖10），跨張花高速大橋和丹江口水庫特大橋[36]的主梁均采用鋼—UHPC 組合梁結(jié)構(gòu)（見圖11）。

圖10 UHPC 鋪裝

圖11 鋼—UHPC 組合梁

圖12 UHPC 新型電纜溝蓋板力學(xué)實驗

圖13 福建寧上高速公路UHPC 隧道蓋板

3.5 公路隧道電纜溝蓋板中的運用

新型高性能UHPC 隧道電纜溝蓋板同傳統(tǒng)電纜溝蓋板相比，厚度大幅減少，重量減輕，不易缺角掉邊。 與采用傳統(tǒng)混凝土相比，大幅提高了產(chǎn)品的抗折、抗壓和抗拉性能，提升耐久性，減少過程維養(yǎng)。 福建寧上高速公路首次使用了新型UHPC 隧道預(yù)制電纜溝蓋板，實現(xiàn)了“預(yù)制方便、施工便捷”，不僅解決了傳統(tǒng)電纜溝蓋板重而鋪裝不易、強度不高而缺邊掉角等問題，還因蓋板變薄而大幅提高溝槽使用空間，均勻的高強度大大提高使用年限，經(jīng)濟效益良好。

4 研究與應(yīng)用中存在的問題

綜上，UHPC 具備著超強的性能，并在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。 但目前仍存在著一些技術(shù)上的不足， 致使在應(yīng)用過程中無法充分發(fā)揮其性能。在UHPC 的研究和應(yīng)用中存在以下問題[37]：（1）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善。 當(dāng)前我國UHPC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制進展較慢，僅有少量材料的標(biāo)準(zhǔn)和一些UHPC 結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的地方性標(biāo)準(zhǔn)，極大限制了UHPC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工，很大程度上影響了UHPC 在我國的推廣使用。（2）制備工藝復(fù)雜。 UHPC 是通過DSP 理論制得的，因此需要不斷調(diào)整顆粒級配以達到最密實堆積狀態(tài)，并加入高效減水劑以實現(xiàn)超低水膠比；此外，為了達到較高的抗拉強度，還需要額外摻入大量的鋼纖維，故UHPC 黏度大，對攪拌和施工過程所需設(shè)備的要求較高。 為了實現(xiàn)更好的工作性能， 部分UHPC 還需要進行蒸汽養(yǎng)護， 這無疑在施工過程中又增加了一道難題。 所以如何簡化UHPC 制備工藝、 實現(xiàn)免蒸汽養(yǎng)護又具備高性能是研究方向之一。 （3）制備成本高。UHPC 的制備原料主要有優(yōu)質(zhì)水泥、石英砂、超細粉煤灰、鋼纖維、硅灰和高效減水劑等，其制備成本遠高于普通混凝土，這是限制UHPC 普遍應(yīng)用于實際工程的主要原因。 因此尋找來源廣泛、成本低廉的代替原材料和提高材料的利用率是降低UHPC 制備成本的主要研究方向。 （4）自收縮量大。 UHPC 制備過程中需要使用大量水泥和硅灰等活性粉末材料，同時又要求實現(xiàn)超低的水膠比，因此UHPC 的早期水化作用放熱較大，故而自收縮量也較大；此外，部分UHPC 構(gòu)件要求蒸汽養(yǎng)護， 在養(yǎng)護中局部區(qū)域會產(chǎn)生較大的溫度變化，從而引起較大的自收縮。 所以如何減小自收縮量或補償自收縮量也是研究的重要方向。