超高性能混凝土的結(jié)構(gòu)性能及其在橋梁工程中的應(yīng)用綜述

中圖分類號：U444文獻標(biāo)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(jù)混凝土的多尺度微結(jié)構(gòu)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(xué)性能[3-8]，已被用于開發(fā)具有高強度、高延性和高耐久性的超高性能混凝土（UHPO）。關(guān)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(xué)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?qū)HPC的材料設(shè)計提供指導(dǎo)。但UHPC要進入工程應(yīng)用，也必須對其結(jié)構(gòu)性能進行充分的研究和掌握，才能直接指導(dǎo)UHPC的結(jié)構(gòu)設(shè)計，推動其得到大規(guī)模的工程應(yīng)用。目前已經(jīng)有不少文獻針對UHPC的結(jié)構(gòu)性能開展了研究[12]，但相關(guān)的文獻綜述卻較少。

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

UHPC的結(jié)構(gòu)性能

1.1UHPC與鋼筋的黏結(jié)性能

工程應(yīng)用中的UHPC構(gòu)件通常采用配筋形式，因此，UHPC與鋼筋的良好黏結(jié)性能是保證橋梁構(gòu)件和結(jié)構(gòu)正常工作的前提[14]。與常規(guī)高強度混凝土相比，UHPC具有更好的黏結(jié)性能，所需的黏結(jié)長度比常規(guī)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(shè)長度和鋼筋直徑對UHPC中鋼筋黏結(jié)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，因混凝土保護層厚度不足導(dǎo)致劈裂破壞，埋置長度短導(dǎo)致混凝土錐形破壞，相應(yīng)的黏結(jié)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(dāng)混凝土保護層厚度從0.5 D 增加到2 D 時，黏結(jié)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(yù)測鋼筋黏結(jié)強度，但UHPC中由于高摻量纖維的加入，僅采用強度很難準(zhǔn)確預(yù)測鋼筋的黏結(jié)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(jié)強度模型，該模型與文獻收集的343個試驗數(shù)據(jù)吻合良好。Li等1開發(fā)了機器學(xué)習(xí)方法預(yù)測UHPC中的鋼筋黏結(jié)強度，也取得了很好的預(yù)測效果。

1.2配筋UHPC梁性能

配筋梁的受彎性能是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(shù)提高約當(dāng) 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(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐哪Ｊ健?/p>

基于纖維增強聚合物（FRP）優(yōu)于金屬材料的耐腐蝕、高拉伸強度比等優(yōu)勢，在惡劣環(huán)境下可以考慮采用FRP配筋以提高結(jié)構(gòu)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(fù)合板的抗彎性能，發(fā)現(xiàn)PE纖維可以作為鋼纖維的替代品，開發(fā)出一種新型的用于抗彎的無鋼材FRP格柵-UHPC復(fù)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(wǎng)格-UHPC復(fù)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(gòu)件的受壓性能也是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)烯、尼龍和鋼纖維的影響。對24根小尺寸柱進行了3h的標(biāo)準(zhǔn)ISO834加熱曲線測試，主要參數(shù)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(jù)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(jié)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(zāi)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(zāi)曲線的嚴(yán)重火災(zāi)條件測試。研究發(fā)現(xiàn)，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(yōu)越耐火性能的UHPC柱。

1.4UHPC-FRP組合結(jié)構(gòu)

UHPC-FRP組合結(jié)構(gòu)具有更加顯著的性能優(yōu)勢。FRP約束UHPC的抗壓延性顯著提高，但其破壞機制和應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力路徑無關(guān)假設(shè)不適用于FRP約束UHPC；通過修改約束壓力以考慮應(yīng)力路徑依賴性的影響，提出了一個分析導(dǎo)向模型。

1.5UHPC與普通混凝土的界面黏結(jié)性能

由于具有優(yōu)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(jié)構(gòu)進行耐久修復(fù)和加固。然而，成功的修復(fù)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(jié)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(jié)特性，發(fā)現(xiàn)在合適的表面粗糙度和基底濕度下，UHPC-NSC復(fù)合試樣滿足ACI546-06中規(guī)定的最小界面黏結(jié)強度要求。

2UHPC應(yīng)用于橋梁的具體案例

2.1UHPC的總體應(yīng)用現(xiàn)狀

由于具備優(yōu)異的力學(xué)性能、耐久性和綠色環(huán)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(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的能力也提高了UHPC在許多國家的普及程度。根據(jù)混凝土市場調(diào)查，2016年全球UHPC市場規(guī)模估計為8.92億美元，預(yù)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(guān)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(shù)商業(yè)化作為可持續(xù)建筑材料。文獻顯示，已有超過

200座橋梁使用了UHPC構(gòu)件[24]

2.2UHPC在橋梁工程中應(yīng)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(zhì)高強的要求，大多數(shù)UHPC結(jié)構(gòu)只需要典型鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面深度的 50% ，就能實現(xiàn)高達 70% 的減重，同時UHPC又具有優(yōu)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(yīng)用最為廣泛。

UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用很多，例如梁、梁式結(jié)構(gòu)、橋面板、保護層、不同構(gòu)件之間的現(xiàn)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(yù)應(yīng)力混合人行橋；2001年，建成了博日一瓦爾賽橋。隨著技術(shù)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(dāng)時世界上利用UHPC建造的最長跨徑橋梁，其材料用量比標(biāo)準(zhǔn)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(jù)2013年FHWA的報告，美國和加拿大已經(jīng)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(yù)制UHPC能夠提升其生產(chǎn)質(zhì)量，加快現(xiàn)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(yīng)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(jié)構(gòu)。其采用工廠預(yù)制的方法生產(chǎn)了18cm厚120MPa級的UHPC橋面板，在鋼混組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用顯著提升了橋面結(jié)構(gòu)的綜合性能，具體包括以下4個方面：（1）與常規(guī)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(qū)的裂縫問題；（3）預(yù)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(jié)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(yù)制橋面板。

而現(xiàn)場澆筑施工UHPC則以其整體性好，傳力可靠的優(yōu)點被用于節(jié)點或連接區(qū)段。2024年，在廣西當(dāng)時建設(shè)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(jié)合段采用了現(xiàn)場澆筑的UHPC技術(shù)。這一結(jié)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(jié)合段的構(gòu)成包括3.5m的混凝土箱梁段 ?2m 的鋼-UHPC混凝土結(jié)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(yōu)越的力學(xué)性能，能夠更平滑地過渡結(jié)構(gòu)的受力和形變，因此更適宜用作鋼－混凝土結(jié)合段的材料?，F(xiàn)澆UHPC在橋面鋪裝中的應(yīng)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(huán)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(xiàn)澆UHPC橋面鋪裝。

除了常規(guī)的預(yù)制和現(xiàn)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(lián)合東南大學(xué)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(nèi)首座混凝土3D打印UHPC曲線梁橋的示范應(yīng)用，這也為3D打印技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2UHPC用于老橋改造

UHPC在老舊橋梁改造工程中的應(yīng)用也很有潛力，包括橋面板、橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用UHPC與橋面板組成的組合梁，該工程中采用了預(yù)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(gòu)件，如橋墩，使用常規(guī)澆筑施工效率較低，因此噴射UHPC技術(shù)就得到了應(yīng)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(qū)域風(fēng)浪猛烈、潮汐變化巨大、海流湍急、環(huán)境條件艱苦，橋墩的濕接頭在歷經(jīng)15年的使用后出現(xiàn)了裂縫和缺陷等病害。工程技術(shù)人員研發(fā)了一套噴射UHPC施工技術(shù)，該技術(shù)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?jié)B性。具體表現(xiàn)為，噴射UHPC的保持流動性時間 ，輸送距離 gt;50m ，凝結(jié)時間lt;10min，1d的抗壓強度gt;80MPa，抗?jié)B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(jié)構(gòu)嚴(yán)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(xué)開展了在鋼梁端部支撐部位銹蝕區(qū)域外側(cè)直接采用UHPC進行包裹加固的試驗和工程應(yīng)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(jié)語

3.1結(jié)論

結(jié)構(gòu)性能研究綜述發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)高強度混凝土相比，UHPC具有更好的黏結(jié)性能，所需的黏結(jié)長度比常規(guī)混凝土要短得多。通過機器學(xué)習(xí)等新技術(shù)可以較好地預(yù)測UHPC中的鋼筋黏結(jié)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(fù)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(yīng)力-應(yīng)變行為仍需進一步研究。UHPC與普通混凝土之間的界面黏結(jié)能夠較好地滿足規(guī)范要求。

文獻綜述發(fā)現(xiàn)，UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用已較為廣泛。包括新建和維修橋梁中的梁、梁式結(jié)構(gòu)、橋面板、保護層、不同構(gòu)件之間的現(xiàn)場澆筑接頭等。在這些工程應(yīng)用中也已探索出不同的UHPC施工工藝，包括預(yù)制、現(xiàn)澆、3D打印、噴射UHPC等，為UHPC的大面積推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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(yù)測鋼筋UHPC構(gòu)件的抗彎和抗剪強度方面。同時，建立統(tǒng)一的規(guī)范對于在實際工程中促進鋼筋UHPC結(jié)構(gòu)的應(yīng)用至關(guān)重要。由于在橋梁工程中需要承受長期的動態(tài)、疲勞荷載等，需要進一步的研究來深入探究UHPC材料、配筋構(gòu)件、黏結(jié)界面的疲勞和動態(tài)力學(xué)特性，這將進一步推動UHPC在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用。

目前UHPC在國內(nèi)橋梁中的應(yīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)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(chǔ)研究和施工設(shè)備的研發(fā)，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(yīng)用。

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收稿日期：2024-12-12