超高性能混凝土：橋梁建筑行業(yè)的“新寵”

文 譯

超高性能混凝土的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)混凝土和灌漿料。事實(shí)證明，有針對(duì)性地使用超高性能混凝土，對(duì)于橋梁業(yè)主來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的。

什么是UHPC？

超高性能混凝土，簡(jiǎn)稱UHPC，是一種纖維加固混凝土，也是當(dāng)今水泥基材料發(fā)展的主要方向，被譽(yù)為“近30年來(lái)最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料”。UHPC的常見(jiàn)成分包括波特蘭水泥、細(xì)骨料、超塑劑、鋼纖維、水以及硅灰、粉煤灰等外加劑，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC材料中的水泥使用量、骨料類型、纖維含量等均有所差異。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路局（簡(jiǎn)稱“FHWA”）發(fā)布的《超高性能混凝土：橋梁協(xié)會(huì)最新情況報(bào)告》（FHWAHRT-13-060），UHPC中的膠凝材料比傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土高出2.5倍。

雖然UHPC價(jià)格昂貴，但其在連接構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)組裝和長(zhǎng)期性能方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

UHPC的魅力何在？

“超高性能混凝土作為一種先進(jìn)的建筑材料，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)混凝土和灌漿料。雖然UHPC價(jià)格昂貴，但事實(shí)證明，有針對(duì)性地使用這種新型材料，對(duì)于橋梁業(yè)主來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的?！盕HWA基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)辦公室橋梁工程研究組長(zhǎng)Ben Graybeal表示，“目前，在美國(guó)橋梁市場(chǎng)，UHPC已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)橋梁預(yù)制元件之間更簡(jiǎn)單、更耐久連接的秘密武器?！?/p>

縮短接縫，讓連接更簡(jiǎn)單

連接橋梁預(yù)制元件通常需要在接縫處設(shè)置加強(qiáng)鋼筋，由鋼筋將拉力從一個(gè)元件傳到另一個(gè)元件上。常規(guī)混凝土連接需要設(shè)置較長(zhǎng)的搭接鋼筋和錨固鋼筋來(lái)抵抗應(yīng)力，而超高性能混凝土具有較高的強(qiáng)度和粘結(jié)性能，能夠更有效地抵抗應(yīng)力，因而接縫處不需要錨固鋼筋，且搭接的鋼筋長(zhǎng)度也可以適當(dāng)縮短。換言之，超高性能混凝土可以縮短接縫，讓鋼筋構(gòu)件連接變得更簡(jiǎn)單。

抵抗外力，讓連接更耐久

采用傳統(tǒng)混凝土連接（左）和采用UHPC連接（右）預(yù)制橋面板的對(duì)比圖。

FHWA對(duì)UHPC的定義是：水膠比小于0.25、抗壓強(qiáng)度大于150兆帕、開(kāi)裂后持續(xù)抗拉強(qiáng)度大于5兆帕。在150兆帕壓強(qiáng)下，UHPC的抗壓強(qiáng)度是大多數(shù)傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土的4倍以上。UHPC的軸心抗拉強(qiáng)度可達(dá)8.5兆帕，是大多數(shù)傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土抗拉強(qiáng)度的3倍。更重要的是，UHPC開(kāi)裂后仍然可以保持原有的抗拉強(qiáng)度。因此，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC可以在橋梁預(yù)制元件之間建立更強(qiáng)的連接。

案例：

UHPC在全球橋梁工程中的應(yīng)用

●加拿大1997年，加拿大在魁北克舍布魯克市建成了世界上第一座UHPC人行橋——謝布克（Sherbrooke）人行橋。由于應(yīng)用了UHPC材料，橋梁的結(jié)構(gòu)自重大大減輕，同時(shí)還可有效抵抗當(dāng)?shù)貒?yán)冬零下30攝氏度的低溫。該橋于1999年獲得Nova獎(jiǎng)提名。

●法國(guó)法國(guó)是第一個(gè)將UHPC成功商業(yè)化的國(guó)家，并于2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋——Bourg-Les-Valence OA4和OA6跨線橋。

●德國(guó)2005年，德國(guó)開(kāi)展了一個(gè)超過(guò)20個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與，經(jīng)費(fèi)超9000萬(wàn)元的UHPC研究項(xiàng)目——基于UHPC的可持續(xù)建筑，為制定全面的UHPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供研究成果。2007年，德國(guó)修建了第一座多跨UHPC橋梁——加特納橋。該橋?yàn)槿诵泻妥孕熊噧捎脴蛄?，共?跨，橋長(zhǎng)133.2米，最大跨徑36米，跨越富爾達(dá)河。

●美國(guó)美國(guó)第一個(gè)采用UHPC的高速公路項(xiàng)目是位于愛(ài)荷華州瓦佩洛縣的馬斯希爾橋，該橋于2005年建造，于2006年竣工。自2005年以來(lái)，美國(guó)交通部門已使用UHPC完成了100多個(gè)橋梁項(xiàng)目。

●中國(guó)2016年，湖南長(zhǎng)沙建成了一座長(zhǎng)70.8米，寬6.5米的UHPC跨街天橋。由于應(yīng)用了UHPC材料，橋梁上部結(jié)構(gòu)重量減輕了近三分之一，全長(zhǎng)70.8米的橋梁只需2個(gè)橋墩，主跨增加到了36.8米。

預(yù)制橋面板即將被運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)連接裝配。

由于水和氯化物的滲透，傳統(tǒng)混凝土很容易受到破壞，最終導(dǎo)致混凝土凍融破壞和鋼筋腐蝕。而UHPC在配制過(guò)程中，通常只使用細(xì)砂石和玻璃粉等細(xì)骨料，用以形成層次結(jié)構(gòu)，當(dāng)細(xì)骨料與水泥結(jié)合時(shí)，能夠提供具有不連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的致密基體，與傳統(tǒng)混凝土相比，這種結(jié)構(gòu)能阻止水分滲入混凝土，避免混凝土凍融破壞和鋼筋腐蝕。

簡(jiǎn)而言之，使用UHPC進(jìn)行橋梁預(yù)制元件的連接可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，讓施工更簡(jiǎn)單，雖然UHPC材料的成本可能很高，但其在連接構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)組裝和長(zhǎng)期性能方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

如何降低使用成本？

高水泥含量、嚴(yán)格的配料控制以及鋼纖維的使用讓超高性能混凝土的價(jià)格明顯高于傳統(tǒng)混凝土。雖然許多公路管理部門都清楚UHPC在強(qiáng)度和耐久性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土，但由于材料成本較高，目前還無(wú)法在橋梁工程中使用UHPC來(lái)替代傳統(tǒng)混凝土。研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)度和耐久性的明顯需求下，橋梁構(gòu)件連接所需的UHPC量相對(duì)較小，且UHPC使用的混凝土和鋼筋較少、接縫較小，因此FHWA致力于推廣使用UHPC進(jìn)行橋梁構(gòu)件連接，以降低高昂的材料成本。

從全壽命周期成本來(lái)看，使用UHPC可以極大地減少未來(lái)的養(yǎng)護(hù)維修次數(shù)，與使用傳統(tǒng)混凝土的橋梁相比，其全壽命周期成本仍然占優(yōu)勢(shì)。普拉斯基天橋位于新澤西州紐瓦克和139號(hào)公路之間，連接美國(guó)1號(hào)和9號(hào)公路。新澤西州交通部目前正在使用通過(guò)UHPC連接的預(yù)制橋面板進(jìn)行橋面更換。除了降低未來(lái)維修費(fèi)用外，使用UHPC進(jìn)行連接還可以降低交通管制的成本和車道封閉維修帶來(lái)的用戶損失。

使用UHPC可以極大地減少未來(lái)的養(yǎng)護(hù)維修次數(shù)，與使用傳統(tǒng)混凝土的橋梁相比，其全壽命周期成本仍然占優(yōu)勢(shì)。

UHPC連接的類型有哪些？

在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋面板會(huì)暴露在環(huán)境里，橋面板及其連接件的耐久性直接影響了橋梁的使用壽命。公路管理部門最常使用UHPC將預(yù)制橋面板連接在一起，或是將UHPC用于橋面板與梁的連接，以提高橋面板的耐久性和使用壽命。

此外，公路管理部門還會(huì)使用UHPC來(lái)連接模塊化的上部結(jié)構(gòu)元件。換言之，梁和橋面板可先在場(chǎng)外制造后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)組合，不用在梁上現(xiàn)澆單獨(dú)的橋面板。將預(yù)制橋面板運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)連接裝配，與在現(xiàn)場(chǎng)澆筑橋面板混凝土相比，不僅縮短了施工時(shí)間，還盡可能確保了橋面板的質(zhì)量。

上部結(jié)構(gòu)的元件模塊包括與橋面板配套設(shè)置的預(yù)制混凝土梁或鋼梁，預(yù)制相鄰箱梁及鉸接板梁。上部結(jié)構(gòu)元件模塊之間的連接為橋面板間的連接，提高其連接的耐久性同樣重要。與傳統(tǒng)的混凝土相比，相鄰箱梁和鉸接板梁之間易出現(xiàn)縱向連接方向上的裂縫，而使用UHPC則可以減輕或消除這種開(kāi)裂。

除了上部結(jié)構(gòu)元件外，UHPC還可以用于連接橋梁的預(yù)制下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。橋梁墩臺(tái)施工不需要現(xiàn)澆混凝土，而是由預(yù)制混凝土構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼接。下部結(jié)構(gòu)連接使用的加強(qiáng)鋼筋通常比上部結(jié)構(gòu)的更粗，若采用傳統(tǒng)混凝土連接，連接將變得異常復(fù)雜，但使用UHPC可以有效縮短連接件的尺寸，降低連接的復(fù)雜程度。