混凝土橋及其高性能材料2019年度研究進(jìn)展

趙人達(dá)，占玉林，徐騰飛，李福海，文希，楊世玉，原元，趙成功，張建新

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋梁建設(shè)與人類文明發(fā)展息息相關(guān)，其不僅是人類跨越溝壑的重要途徑，更是人類文明碰撞和交流的重要途徑。混凝土橋梁一直為橋梁的主要橋式，近年來(lái)，中國(guó)混凝土橋的發(fā)展規(guī)模、建造技術(shù)及相關(guān)新材料的研究已走在世界前列，以其為基礎(chǔ)的一些超級(jí)工程已經(jīng)具備世界級(jí)地標(biāo)的水準(zhǔn)。

然而，發(fā)展總是伴隨著問(wèn)題，未來(lái)的橋梁建設(shè)必須把極端建設(shè)及使用環(huán)境納入重點(diǎn)考慮對(duì)象，并進(jìn)行相應(yīng)研究，如：強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)震及深水、高腐蝕的海洋環(huán)境等；同時(shí)，在結(jié)構(gòu)技術(shù)研究遇到發(fā)展瓶頸之后，橋梁高性能材料的發(fā)展將成為突破現(xiàn)有橋梁技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵，因此，對(duì)于橋梁用高性能混凝土及其筋材的運(yùn)用研究也將成為重點(diǎn)。

為了在過(guò)去一年混凝土橋及其高性能材料方向研究新進(jìn)展的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究，有必要對(duì)該方向的部分重點(diǎn)研究進(jìn)行分析、總結(jié)和展望，以期為廣大研究者在新的一年開展工作提供些許參考和思路，并期待與廣大同行共同促進(jìn)混凝土橋及其高性能材料方向的進(jìn)一步發(fā)展。

1 混凝土橋相關(guān)研究

從時(shí)間尺度上看，混凝土橋梁的研究重點(diǎn)集中在橋梁建設(shè)期，在建設(shè)峰值點(diǎn)之后將進(jìn)入運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)階段。高宗余等[1]在“中國(guó)海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對(duì)策研究”一文中指出：中國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)高度重視其與環(huán)境作用的組合、結(jié)構(gòu)耐久性、抗疲勞和全壽命設(shè)計(jì)理論等方面，以此解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸?；炷翗蜻\(yùn)營(yíng)性能，特別是服役期復(fù)雜運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的使用性能(主要是耐久性)、全壽命周期及其理念下混凝土橋的壽命預(yù)測(cè)理論、服役期抵抗極端災(zāi)害(地震、洪水和臺(tái)風(fēng)等)的能力等應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。

1.1 混凝土橋耐久性研究

近年來(lái)，隨著路網(wǎng)交通荷載的增加，橋梁在材料耐久性、結(jié)構(gòu)可靠性、整橋使用壽命等方面都存在不同衰變。據(jù)調(diào)查，中國(guó)高速公路橋梁一般在運(yùn)營(yíng)5年左右即會(huì)不同程度出現(xiàn)鋼筋混凝土病害[2]，因此，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性降低已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。耐久性的提升往往從設(shè)計(jì)(尤其是細(xì)部設(shè)計(jì))、抗環(huán)境影響、計(jì)算理論及材料層面(抗裂、增韌、抗?jié)B等微觀機(jī)理)等角度展開。

在橋梁耐久性設(shè)計(jì)方面：有學(xué)者提出應(yīng)從暴露環(huán)境、耐久性齡期及耐久性性能測(cè)試方法等方面開展研究[3]，并應(yīng)基于使用壽命估算工具建立可被廣泛接受的耐久性設(shè)計(jì)理論[4]，并基于此對(duì)現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行修正。為此，Li等[5]依托港珠澳大橋，采用基于模型的方法和多層次原理對(duì)其不同耐久性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。連新奇[6]開展了面向結(jié)構(gòu)部位(含灌注樁、墩身等強(qiáng)腐蝕部位)的鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，提出了特殊工況下混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及高溫高濕、強(qiáng)腐蝕海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐蝕強(qiáng)化措施。闕磊等[7]從橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限、構(gòu)造物設(shè)計(jì)要求、材料要求和其他保護(hù)性的耐久性設(shè)計(jì)措施等角度對(duì)跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)展開分析，并指出氯離子滲透是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素，應(yīng)嚴(yán)格控制。

在海洋環(huán)境下混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性研究方面，Yi等[11]綜述了海水中氯離子、鎂離子等引起的混凝土相變引發(fā)的問(wèn)題，如：鎂離子可以取代鎂黃鐵礦中的鈣，降低孔隙溶液堿度，最終破壞C—S—H凝膠的穩(wěn)定性。這些表面相變使得潮汐區(qū)混凝土發(fā)生剝落和分層。隨后，基于現(xiàn)有的劣化機(jī)理，通過(guò)提高水泥水化物的化學(xué)穩(wěn)定性、快速自愈和智能堿度控制，設(shè)計(jì)一種更耐用的混凝土保護(hù)層體系的構(gòu)想(圖1)。Umar等[12]探討了沿海地區(qū)改性水泥基復(fù)合材料的抗菌性能及防腐性能，筑造了4種改性水泥復(fù)合立方體試塊來(lái)評(píng)估其抗菌及力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，亞硝酸鈉復(fù)合緩蝕劑水泥基復(fù)合材料(PPC-SN)與其他改性水泥基復(fù)合材料相比，具有更好的抗菌及力學(xué)性能，為海洋環(huán)境下混凝土橋在微生物侵蝕下的研究提供了新思路。吳智深等[13]從輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久材料發(fā)展的角度出發(fā)，為海洋環(huán)境下大跨橋梁長(zhǎng)期服役性能問(wèn)題的解決提出了努力的方向。

圖1 混凝土抗海水侵蝕保護(hù)層體系構(gòu)想示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of concrete protective layer system against seawater erosion [11]

Janotka等[14]在調(diào)查兩座百年橋梁過(guò)程中意外地發(fā)現(xiàn)：覆蓋在老橋混凝土外表面約2～3 mm厚的致密灰泥層有效地防止了橋梁碳化的發(fā)生，確保了其耐久性。主要原因?yàn)椋夯夷鄬又饕芍旅艿奶妓猁}微粒組成，其隨著時(shí)間的推移可形成沒有張開孔隙且很薄的保護(hù)層，從而起到防止碳化的作用。

1.2 混凝土橋壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

為更好地滿足對(duì)既有橋梁的承載力和通行能力的新要求，很有必要對(duì)橋梁長(zhǎng)壽命服役進(jìn)行系統(tǒng)性研究。李亞?wèn)|等[15]指出，由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的起點(diǎn)不同，橋梁老齡化問(wèn)題首先在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家受到重視，近年來(lái)歐美和日本等國(guó)家和地區(qū)開展了延長(zhǎng)橋梁壽命、維持橋梁長(zhǎng)期性能的研究。因此，中國(guó)作為土木工程大國(guó)，理應(yīng)跟上橋梁壽命周期研究的步伐。

在全壽命周期研究方面，Akhnoukh[16]指出，應(yīng)從高性能混凝土、預(yù)制梁構(gòu)件及快速施工方法相結(jié)合的理念出發(fā)，研究具有更長(zhǎng)使用壽命的橋梁。另有學(xué)者分別從建立壽命預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)理念[17]和可靠性理論[18]出發(fā)，開發(fā)出了更為合理的生命周期預(yù)測(cè)及成本分析方法。陳開利[19]通過(guò)收集日本有關(guān)橋梁長(zhǎng)壽命研究方面的技術(shù)資料，分析歸納了橋梁長(zhǎng)壽命研究的新進(jìn)展。張勁泉等[20]對(duì)公路橋梁可靠性和耐久性的研究成果及現(xiàn)行評(píng)估規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及指南進(jìn)行了梳理、總結(jié)，并對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。王京京[21]基于生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)基本理論，以粉煤灰鋼筋混凝土梁作為研究對(duì)象，對(duì)其生命周期內(nèi)的碳排放和成本進(jìn)行定量化分析，并構(gòu)建了粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)全生命周期綜合、可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法。Navarro等[22]以預(yù)應(yīng)力橋的橋面板為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其生命周期評(píng)估(圖2)，分析了幾種對(duì)環(huán)境影響的預(yù)防策略。壽命周期分析結(jié)果表明：通過(guò)摻入硅灰、降低水灰比及對(duì)混凝土表面進(jìn)行憎水或密封膠處理等措施，可以有效地降低氯離子對(duì)結(jié)構(gòu)的影響(30%～40%)。

圖2 橋面板的生命周期示意圖[22]Fig.2 Life cycle diagram of bridge deck [22]

在壽命預(yù)測(cè)研究方面，鄭鵬[23]從耐久性的評(píng)判指標(biāo)入手，運(yùn)用熵權(quán)可拓理論對(duì)混凝土梁橋進(jìn)行耐久性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同使用年限的混凝土梁橋耐久性水平的預(yù)測(cè)。李雙營(yíng)等[24]基于Fick第二擴(kuò)散定律理論，得到一種可對(duì)鹽湖地區(qū)既有RC橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的模型。在混凝土材料的壽命預(yù)測(cè)方面，王少鵬[25]通過(guò)微觀機(jī)理分析，調(diào)研和統(tǒng)計(jì)典型環(huán)境中混凝土強(qiáng)度時(shí)變規(guī)律及試驗(yàn)與數(shù)值模擬等工作，分析了不同碳化系數(shù)下混凝土收縮裂縫寬度與碳化深度及時(shí)間的關(guān)系，為公路橋梁混凝土材料的工程使用年限預(yù)測(cè)提供了可參考的依據(jù)。

上述研究表明，現(xiàn)有關(guān)于混凝土橋壽命周期的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是對(duì)橋梁全壽命周期相關(guān)理論的綜述、總結(jié)和分析；二是開展典型環(huán)境和病害下的壽命周期與壽命預(yù)測(cè)研究(如腐蝕環(huán)境或開裂等情況)。關(guān)于橋梁全壽命周期設(shè)計(jì)理念、使用壽命及其性能預(yù)測(cè)的研究還處于學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)階段，后續(xù)還應(yīng)繼續(xù)在基于壽命周期費(fèi)用與結(jié)構(gòu)性能化的使用壽命設(shè)計(jì)理念上做出相應(yīng)研究，以實(shí)現(xiàn)橋梁在整個(gè)壽命周期總成本最低、風(fēng)險(xiǎn)最小這一目標(biāo)。

1.3 極端災(zāi)害下混凝土橋的研究

極端災(zāi)害包括地震、颶風(fēng)、船撞、洪水、恐怖襲擊和由地震等引起的次生災(zāi)害(爆炸、海嘯)等，這些極端災(zāi)害均對(duì)混凝土橋造成潛在的威脅。從研究趨勢(shì)上看，目前，學(xué)者們傾向于從橋梁結(jié)構(gòu)受單個(gè)極端災(zāi)害作用情況下的研究逐漸向多災(zāi)害耦合作用的研究發(fā)展[26]。

在理論研究方面：Ramanathan等[27]通過(guò)研究抗震設(shè)計(jì)原則和細(xì)節(jié)的演變對(duì)多跨連續(xù)混凝土箱梁橋抗震性能的影響，基于洛馬普里塔地震建立了橋梁非線性分析模型，研究橋梁振動(dòng)特性在抗震設(shè)計(jì)思路演變下的特點(diǎn)，并采用非線性時(shí)程分析法繪制了其脆弱性分析曲線。Kameshwar等[28]提出一種基于參數(shù)化的多危險(xiǎn)度脆弱性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(PF-MHRA)方法，用于地震和颶風(fēng)耦合作用下公路橋梁的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該方法利用有限元模型和帶有非線性logit函數(shù)的逐步logistic回歸，推導(dǎo)出橋梁脆弱性函數(shù)；并基于此提出一種新的橋梁在颶風(fēng)和浪涌荷載耦合作用下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并將其應(yīng)用于南卡羅來(lái)納州的多跨混凝土簡(jiǎn)支梁橋。Eslami等[29]為了檢查洪水前后橋梁的穩(wěn)定性，比較了確定性方法和蒙特卡羅模擬方法的失效分析結(jié)果，還通過(guò)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(即c和φ)之間的互相關(guān)系數(shù)，研究了該系數(shù)和抗力系數(shù)對(duì)極限承載力、安全系數(shù)和破壞概率的影響。任明杰[30]開展了洪水波流耦合荷載作用下橋梁破壞機(jī)理研究，為實(shí)際工程中的防洪措施提供依據(jù)。除此之外，梅恒[31]開展了全壽命周期橋梁多災(zāi)害概率風(fēng)險(xiǎn)研究，并結(jié)合中國(guó)幾座實(shí)際橋梁，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行多災(zāi)害耦合危險(xiǎn)性分析，得到不同災(zāi)害的設(shè)防水準(zhǔn)。陳?；32]依托映秀至徹底關(guān)段混凝土橋梁，采用灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型對(duì)公路沿線9座橋梁的易損性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。

在試驗(yàn)研究方面：Beneberu等[33]開展了外裹防火材料的CFRP加固預(yù)應(yīng)力混凝土橋的抗彎能力研究，總結(jié)出很好的橋梁抗火方法。還有學(xué)者對(duì)火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁[34]及持續(xù)高溫下UHPC梁[35]的性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高溫對(duì)剛度、抗彎強(qiáng)度影響較大，對(duì)抗壓強(qiáng)度、韌性及結(jié)構(gòu)基頻影響不大。Shiravand等[36]選取150、355、550、700、1 200 kg TNT(以此為荷載變量),對(duì)其爆炸情況下箱梁的響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)分析。發(fā)現(xiàn)由于箱梁內(nèi)空間的限制，爆炸產(chǎn)生的沖擊波被放大約2.7倍。在大多數(shù)荷載情況下，部分預(yù)應(yīng)力筋的錨固區(qū)混凝土受損，導(dǎo)致其有效后張力損失；另外，暴露在爆炸沖擊中的鋼筋束失效，因此，整個(gè)橋梁容易處于失穩(wěn)狀態(tài)。鑒于此，提出應(yīng)該開發(fā)一種能量吸收設(shè)施，輔助梁體抵抗沖擊。Pan等[37]介紹了一種新型的能量吸收裝置，它是由“U”形薄壁鋼板和玻璃鋼蜂窩填充而成。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的吸能結(jié)構(gòu)的抗小車碰撞性能，對(duì)其進(jìn)行了導(dǎo)向系統(tǒng)水平?jīng)_擊試驗(yàn)(圖3)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的薄壁鋼板纖維復(fù)合材料防護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的抗碰撞性能，可有效地用于橋墩防撞。

圖3 橋墩吸能防撞裝置示意圖[37]Fig.3 Schematic diagram of energy absorption and anti-collision device for pier [37]

總結(jié)上述文獻(xiàn)可知，目前，混凝土橋在極端災(zāi)害防治領(lǐng)域的研究均基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)開展，其自身統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)方案是否最優(yōu)，樣本采集及試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否科學(xué)合理等還存在一定疑問(wèn)。因此，建議將此部分研究與大數(shù)據(jù)理論進(jìn)行深入結(jié)合，并基于現(xiàn)有試驗(yàn)繼續(xù)開發(fā)新的試驗(yàn)方法；同時(shí)，還應(yīng)基于人工智能和5G技術(shù)積極開發(fā)智能化應(yīng)對(duì)設(shè)施，如：實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢測(cè)系統(tǒng)等，為服役橋梁提供保障，也可為相關(guān)研究提供樣本數(shù)據(jù)。此外，現(xiàn)有研究中，對(duì)于多因素耦合作用下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究較淺，還應(yīng)繼續(xù)深入探索。

2 高性能混凝土材料

高性能混凝土具有獨(dú)特的高工作性能，勢(shì)必成為未來(lái)混凝土橋技術(shù)短板上的支撐。因此，很有必要探討和研究目前數(shù)量繁多、功能性強(qiáng)的高性能混凝土如何用于混凝土橋領(lǐng)域。

結(jié)合以往研究及上述研究不難發(fā)現(xiàn)，高性能混凝土在橋梁工程中的運(yùn)用主要以UHPC為主，其他大部分材料仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段及局部小體量運(yùn)用方面。因此，將高性能混凝土應(yīng)用于橋梁工程的探索與研究依然需繼續(xù)努力。

2.1 綠色高性能混凝土

一般認(rèn)為，綠色混凝土可以節(jié)約資源、降低碳排放量或者實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。近幾年，綠色混凝土的研究取得了一定的進(jìn)展[43]。其中，研究再生混凝土和地聚物混凝土是當(dāng)下混凝土與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

綜上，綠色混凝土的研究已經(jīng)從最初的降低水泥用量來(lái)緩解環(huán)境污染，逐漸發(fā)展到再生骨料的利用以及環(huán)境友好的新型綠色無(wú)機(jī)膠凝材料(如地聚物)的開發(fā)等，以期從根本上解決對(duì)環(huán)境的破壞和二次污染。但是，再生骨料混凝土的力學(xué)性能不穩(wěn)定，地聚物的研究尚不成熟，大范圍的使用面臨著諸多挑戰(zhàn)。這也是綠色高性能混凝土研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 纖維增強(qiáng)混凝土

圖4 混凝土強(qiáng)度與混雜纖維摻量的關(guān)系[60]Fig.4 The relationship between concrete strengthand hybrid fiber content

ECC(工程用水泥基復(fù)合材料)全稱Engineered Cementitious Composites，是一種基于微觀結(jié)構(gòu)和斷裂力學(xué)原理而研制出的具備超高韌性和多裂縫開展機(jī)制的新型建筑材料。賈毅等[61]將PP-ECC用于橋墩的墩底塑性鉸區(qū)域，使橋墩在地震作用下的抗裂性能得到顯著提升。Hosseini等[62]進(jìn)一步將ECC與超彈性合金結(jié)合使用，控制了橋墩在地震作用下的殘余變形，并使其自復(fù)位能力得到提升。Kabir等[63]用PVA-ECC加固鋼梁的受壓翼緣，研究證實(shí)了ECC層在受壓翼緣屈服后被壓碎，從而防止了側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲的發(fā)生，并使組合梁的抗彎性能得到改善。王彥平等[64]研究了PVA-ECC修補(bǔ)砂漿沖蝕磨損性能，確定了一種施工性良好，強(qiáng)度和沖蝕抗力均較高的修補(bǔ)砂漿配方。崔濤等[65]和任亮等[66]研究了ECC與既有混凝土結(jié)合面的黏結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)ECC與既有混凝土結(jié)合面的抗剪性能強(qiáng)于普通混凝土，在ECC用于橋梁的修復(fù)與加固方面做了初步探索。

由于纖維在提升混凝土性能方面成效顯著，纖維混凝土歷來(lái)是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。從目前的研究來(lái)看，高彈模纖維(如鋼纖維)在提高混凝土強(qiáng)度方面有巨大優(yōu)勢(shì)，但鋼纖維在混凝土中難以分布均勻，進(jìn)而影響使用效果。低彈模纖維(如聚丙烯纖維)可以很好地抑制混凝土微裂縫的發(fā)展，大大增加混凝土的延性，并在ECC中獲得了良好的應(yīng)用。鑒于目前市面上的纖維種類、性能和價(jià)格的巨大差異，采用多種纖維混合使用的方式，以優(yōu)化混凝土的各項(xiàng)性能，這將是未來(lái)纖維混凝土的發(fā)展趨勢(shì)。此外，中國(guó)玄武巖儲(chǔ)量巨大，發(fā)展高性能的玄武巖纖維混凝土對(duì)控制工程經(jīng)濟(jì)成本和發(fā)展纖維混凝土橋梁結(jié)構(gòu)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 自密實(shí)混凝土

自密實(shí)混凝土(SCC)是一種在重力作用下自行密實(shí)的高流動(dòng)性混凝土，它為施工操作帶來(lái)了極大的方便，被稱為“最近幾十年中混凝土技術(shù)最具革命性的發(fā)展”。然而，由于原材料的質(zhì)量控制、早期收縮開裂及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，導(dǎo)致自密實(shí)混凝土沒有得到廣泛運(yùn)用。近些年，對(duì)自密實(shí)混凝土開展了大量的研究工作。Agwa等[67]將稻草灰(RSA)和棉稈灰(CSA)摻入SCC中，隨著RSA和CSA比率的增加，SCC的流動(dòng)性降低。相比之下，SCC的力學(xué)性能隨著RSA和CSA百分比的增加而增加。張永軍等[68]研究了污水處理廠污泥對(duì)SCC強(qiáng)度和耐久性的影響，結(jié)果表明：在0.25%～1.0%摻量范圍內(nèi)，污水處理廠污泥導(dǎo)致早期強(qiáng)度顯著降低，但對(duì)后期的影響較小。并且隨污泥摻量增加，SCC的抗氯離子滲透性逐漸增強(qiáng)。El Mir 等[69]評(píng)估了珍珠巖廢料(WP)對(duì)SCC耐久性的影響，結(jié)果表明，這種粉末的火山灰反應(yīng)和多孔性質(zhì)與凍脹侵蝕引起的破壞性膨脹應(yīng)力相適應(yīng)，因此，其抗凍融性顯著提高。Sasanipour等[70]通過(guò)增加再生細(xì)骨料的替代率大大降低了SCC對(duì)氯離子滲透的抵抗力。張立群等[71]研究了凍融和碳化共同作用下硅灰自密實(shí)混凝土的耐久性。試驗(yàn)結(jié)果表明：硅灰自密實(shí)混凝土的抗凍性能高于相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土，雖然前者的抗碳化性能略低于后者，但經(jīng)過(guò)凍融作用后，前者表現(xiàn)出更好的抗碳化性能。Hossain等[72]通過(guò)加速腐蝕測(cè)試研究了聚乙烯醇(PVA)、橡膠屑(CR)和高密度聚乙烯(HDPE)纖維增強(qiáng)的SCC梁的耐久性。結(jié)果表明，與SCC-PVA和SCC-CR梁相比，SCC-HDPE梁表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性。SCC-HDPE梁的鋼筋質(zhì)量損失較少，裂縫和剝落較少。Hossain等[73]采用兩種不同的ECC與SCC深度比制成了復(fù)合梁，同時(shí)，還制作了單層SCC或ECC組成的全深度梁，以比較它們與混合復(fù)合梁的性能。與全深度SCC梁和全深度ECC梁相比，混合復(fù)合材料梁具有更高的延展性和能量吸收能力，這表明該混合復(fù)合材料適用于抗震元件。此外，混合復(fù)合梁還顯示出更多的裂紋數(shù)量和更小的裂紋寬度。

隨著自動(dòng)化施工技術(shù)的推廣和特殊環(huán)境下混凝土工程的建設(shè)，自密實(shí)混凝土的運(yùn)用越來(lái)越多。在自密實(shí)混凝土中摻入固廢材料可以改善其力學(xué)性能、降低經(jīng)濟(jì)成本。但自密實(shí)混凝土仍面臨著收縮開裂等問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了其耐久性。此外，自密實(shí)混凝土的原材料控制技術(shù)和密實(shí)性能評(píng)價(jià)體系的欠缺也妨礙了自密實(shí)混凝土技術(shù)的發(fā)展。

2.4 自修復(fù)混凝土

自修復(fù)混凝土模仿生命系統(tǒng)受傷后再生自修復(fù)機(jī)理，使混凝土材料對(duì)損傷破壞具有自感知、自記憶、自診斷、自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)和自修復(fù)等特性的智能材料。混凝土自修復(fù)技術(shù)能使混凝土表面裂縫有效愈合，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高服役期間的力學(xué)性能和耐久性，在土木工程領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

現(xiàn)有的自修復(fù)混凝土有很多種，包括自然自修復(fù)混凝土、電解自修復(fù)混凝土、微生物自修復(fù)混凝土、仿生自修復(fù)混凝土和智能自修復(fù)混凝土等[74-77]。近年來(lái)，對(duì)自修復(fù)混凝土研究主要集中于自然自修復(fù)混凝土和仿生自修復(fù)混凝土兩個(gè)方面。

關(guān)于自然自修復(fù)混凝土，Hong等[78]研究了高爐礦渣基水泥砂漿的自修復(fù)性能，發(fā)現(xiàn)自修復(fù)可使砂漿早期產(chǎn)生的裂縫愈合，從而抑制海洋環(huán)境中有害離子的侵入，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。Qiu等[79]研究了自修復(fù)對(duì)ECC彎曲疲勞性能的影響，結(jié)果表明，自修復(fù)大大延長(zhǎng)了ECC的疲勞壽命。

仿生自修復(fù)的過(guò)程為：微膠囊或微纖維破裂，修復(fù)劑流出并滲入基體裂紋中，修復(fù)劑固化并修復(fù)裂紋。其中，微膠囊外殼與基體界面粘結(jié)的問(wèn)題值得關(guān)注，Lívia等[80]通過(guò)改善微膠囊外殼的親水性能防止微膠囊與基體在外力作用下脫離，優(yōu)化水泥基復(fù)合材料的自修復(fù)作用。Abir等[81]利用微膠囊基自修復(fù)混凝土進(jìn)行了大尺寸戶外試驗(yàn)。結(jié)果表明，戶外試驗(yàn)也表現(xiàn)出與實(shí)驗(yàn)室類似的自修復(fù)過(guò)程，具體為裂紋寬度和深度降低，滲透率降低，以及強(qiáng)度恢復(fù)。

2.5 3D打印混凝土

3D打印混凝土技術(shù)是將3D打印技術(shù)與混凝土制備技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制建造過(guò)程，在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，逐層打印構(gòu)造三維實(shí)體，具有建筑效率高、人工成本低和建筑廢料少的優(yōu)點(diǎn)[82]。第一套3D打印多層公寓由荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)建造，Salet等[83]使用埃因霍溫理工大學(xué)的3D打印設(shè)備制作了一座跨度為6.5 m，寬度為3.5 m的簡(jiǎn)支梁橋(圖5)，滿足實(shí)用要求。

圖5 3D打印混凝土橋[83]Fig.5 The 3D printed bridge [83]

3D打印混凝土技術(shù)中，打印材料的研發(fā)是重中之重。3D打印建筑材料應(yīng)滿足強(qiáng)度、流動(dòng)性、凝結(jié)性和經(jīng)濟(jì)性要求。不僅要有較高的早期強(qiáng)度，較快的凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)應(yīng)具備適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性及較高的可塑性。研究者們研究了3D打印混凝土的工作性[84-87]和力學(xué)性能[88-89]，并探討了它們之間的關(guān)系[90]。Wolfs[91]等建立數(shù)值模型，具體分析了新拌打印混凝土90 min內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展，并研究了各工藝參數(shù)對(duì)3D打印混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度的影響。值得注意的是，地聚物除了綠色節(jié)能，還具有早強(qiáng)快硬的特點(diǎn)，Xia等[92]和Panda等[93]在地聚物應(yīng)用于3D打印研究方面做了開創(chuàng)性工作。

3 高性能筋材

3.1 FRP筋耐久性研究

堿環(huán)境研究方面：張秀麗等[95]對(duì)4種直徑的GFRP筋在40、80℃的堿溶液中進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，研究直徑對(duì)試件表面形貌、破壞形態(tài)和抗壓強(qiáng)度的影響。提出了堿環(huán)境中考慮尺寸效應(yīng)的GFRP筋抗壓強(qiáng)度退化模型。齊俊偉[96]開展了GFRP筋在鹽堿腐蝕環(huán)境下的試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出GFRP筋抗拉強(qiáng)度的退化模型和GFRP混凝土構(gòu)件粘結(jié)力退化模型。

高低溫環(huán)境研究方面：李光輝[100]研究了不同高溫條件作用后FRP筋的拉伸疲勞性能以及高溫暴露后靜載和疲勞荷載作用下FRP筋混凝土梁的抗彎性能，以及高溫對(duì)不同F(xiàn)RP筋混凝土梁的最大裂縫寬度、剛度和剩余承載力的影響規(guī)律。提出了高溫后FRP筋混凝土梁的最大裂縫寬度、剛度及剩余抗彎承載力的計(jì)算方法及FRP筋混凝土梁疲勞壽命的預(yù)測(cè)模型。李揚(yáng)等[101]研究了低溫下FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能，設(shè)計(jì)研發(fā)了可實(shí)現(xiàn)低溫下力學(xué)加載和應(yīng)變測(cè)試的試驗(yàn)裝置，對(duì)FRP筋混凝土試件進(jìn)行梁式拉拔試驗(yàn)。徐惟雄[102]通過(guò)梁式拉拔試驗(yàn)對(duì)低溫環(huán)境下GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著溫度的降低，在相同荷載作用下，GFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能將隨溫度的下降而提高。

3.2 FRP筋粘結(jié)性能研究

從上述研究可見，對(duì)于FRP筋粘結(jié)性能仍有待進(jìn)一步展開研究，對(duì)不同類型FRP筋和不同表面形式的FRP筋(光滑、凸肋、噴砂、壓痕、纏繞等表面形式)與混凝土粘結(jié)機(jī)理需要進(jìn)一步細(xì)化研究。

圖6 8根加固混凝土梁CFRP筋混凝土界面粘結(jié)滑移關(guān)系實(shí)測(cè)曲線[106]Fig.6 Bond-slip curves of the CFRP-concrete interface of 8 reinforced concrete beams [106]

3.3 FRP筋混凝土梁性能研究

FRP筋混凝土梁抗彎性能理論研究方面：孫藝嘉等[113]基于328組FRP筋混凝土梁抗彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地對(duì)比分析了規(guī)范中FRP筋梁正截面受彎承載力計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和離散程度，通過(guò)擬合分析，建立了FRP筋混凝土梁正截面受壓區(qū)等效矩形高度x的經(jīng)驗(yàn)公式，改進(jìn)了FRP筋混凝土梁正截面受彎承載力計(jì)算公式。陳升平等[114]以鋼纖維體積率與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋(GFRP筋)和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋(CFRP筋)兩種筋材為試驗(yàn)變量，進(jìn)行了6根纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋(FRP筋)混凝土構(gòu)件的抗彎性能試驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)鋼纖維體積率對(duì)FRP筋混凝土構(gòu)件的延性提升效果。彭飛等[115]開展了GFRP筋混凝土梁抗彎承載力極限狀態(tài)的可靠度分析，并基于可靠度分析數(shù)據(jù)，改進(jìn)了GFRP筋混凝土梁抗彎承載力的計(jì)算公式。

FRP筋混凝土梁工程實(shí)踐方面：王菊蕊等[116]通過(guò)在混凝土梁中加入不同含量的FRP筋，研究FRP筋對(duì)混凝土梁抗彎性能的影響，分析了FRP筋高強(qiáng)混凝土梁的抗彎性能及其在T型橋梁施工中的應(yīng)用。周玲珠等[117]采用壓電陶瓷傳感器對(duì)FRP/Steel增強(qiáng)混凝土梁進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)(圖7)。利用時(shí)間反演法的自適應(yīng)聚焦性質(zhì)和良好的抗噪性質(zhì)，分析四點(diǎn)彎曲加載下梁的損傷程度與歸一化聚焦信號(hào)幅值的關(guān)系。Yuan等[118]通過(guò)鋼筋混凝土抗彎理論分析，得出了FRP筋混凝土構(gòu)件的應(yīng)力塊參數(shù)，有助于工程師使用常規(guī)的應(yīng)力塊方法對(duì)FRP增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行更準(zhǔn)確、更方便的設(shè)計(jì)。Siwowski[119]對(duì)基于FRP復(fù)合材料的新型輕便式車行橋梁混凝土結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，并對(duì)混合FRP混凝土橋梁設(shè)計(jì)提出相應(yīng)建議。

圖7 理論剛度指數(shù)與歸一化聚焦信號(hào)幅值對(duì)比[117]Fig.7 The comparison between the theoretical stiffness index and the amplitude of normalized focusing signal [117]

從上述研究可見，目前，主要對(duì)FRP筋混凝土構(gòu)件的受力性能及承載力的計(jì)算方法進(jìn)行研究，缺乏對(duì)FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)體系整體的受力分析研究，同時(shí)，現(xiàn)行規(guī)范中FRP筋構(gòu)件承載力計(jì)算方法相對(duì)保守，需進(jìn)一步完善。

3.4 FRP筋混凝土板/柱性能研究

FRP筋混凝土板方面：陳佳醒等[120]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材(CFRP) 不同配筋率以及受壓區(qū)配置BFRP柵格約束下活性粉末混凝土(RPC)單向板的抗彎性能。張黎飛等[121]對(duì)GFRP筋、BFRP筋水泥基復(fù)合筋材橋面連接板和鋼筋增強(qiáng)橋面連接板的工作性能、裂縫發(fā)展、應(yīng)變及變形能力進(jìn)行對(duì)比研究，針對(duì)GFRP筋連接板設(shè)置低配筋率對(duì)照組，研究其對(duì)整體性能的影響(圖8)。王國(guó)強(qiáng)等[122]對(duì)GFRP筋混凝土板在適筋及適量超筋兩種配筋設(shè)計(jì)情形下的正截面抗彎承載力計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)和驗(yàn)證。

圖8 連接板側(cè)面裂縫最大寬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果[121]Fig.8 Statistical results of maximum width of cracks in link slabs [121]

FRP筋混凝土柱方面：鄧宗才等[123]研究了配筋率、偏心距和混雜配筋面積比對(duì)混凝土柱的破壞形式、側(cè)向位移和正截面承載力的影響，建立了混雜配筋柱正截面承載力計(jì)算公式。彭飛等[124]研究推導(dǎo)出FRP筋混凝土偏壓柱的彎矩放大系數(shù)修正計(jì)算公式和FRP筋混凝土柱正截面承載力計(jì)算公式，建立了FRP筋混凝土偏壓柱承載力計(jì)算公式。

從上述研究可見，目前，不同類型FRP筋的混凝土板/柱力學(xué)性能及計(jì)算方法研究相對(duì)較少，工程應(yīng)用實(shí)踐不足，有待進(jìn)一步研究。

3.5 其他FRP筋構(gòu)件性能研究

預(yù)應(yīng)力構(gòu)件方面：史健喆等[125]針對(duì)體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋，提出一種可減小BFRP筋錨固端應(yīng)力集中的組裝式同源材料夾片錨具，同時(shí)，優(yōu)化了體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋在轉(zhuǎn)向區(qū)域的轉(zhuǎn)向角度與轉(zhuǎn)向半徑。程君[126]通過(guò)試驗(yàn)研究提出了體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁疲勞壽命分析的“兩階段”疲勞壽命理論預(yù)測(cè)法。

加固混凝土構(gòu)件方面：Carter[127]使用三維有限元分析了3個(gè)已經(jīng)試驗(yàn)過(guò)的BFRP筋加固混凝土梁，提出了一種BFRP混凝土梁非線性有限元分析的校準(zhǔn)模型，以考慮其準(zhǔn)確性和計(jì)算效率來(lái)預(yù)測(cè)其響應(yīng)。Zhou等[128]提出了一種改進(jìn)的有限差分法來(lái)預(yù)測(cè)爆炸工況下FRP筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)。

從上述研究可見，目前研究者對(duì)FRP筋的多方面應(yīng)用進(jìn)行了不斷的探索和創(chuàng)新，但FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論還不完善，對(duì)FRP筋的多方面應(yīng)用尚顯存在制約。

3.6 FRP筋混凝土構(gòu)件抗震性能研究

江世永等[129]研究了CFRP筋高韌性纖維混凝土柱的可修性能，并對(duì)加固修復(fù)后的CFRP筋高韌性纖維混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了研究。鄧宗才等[130]通過(guò)試驗(yàn)研究了體積配箍率、軸壓比、剪跨比和縱筋種類等因素對(duì)GFRP筋混凝土柱抗震性能的影響，并將規(guī)范抗剪承載力計(jì)算方法得出的理論值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。Jia等[131]進(jìn)行了FRP /鋼雙筋橋墩抗彎承載力設(shè)計(jì)方法的研究，同時(shí)，對(duì)FRP /鋼雙筋橋墩抗震性能進(jìn)行了評(píng)估。Cai等[132]對(duì)BFRP筋增強(qiáng)預(yù)制分段橋墩(FSR-PSBC)的抗震性能進(jìn)行了研究，并且分析了在循環(huán)荷載環(huán)境下FRP筋與鋼筋的配置比例變化對(duì)FSR-PSBC構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

從上述研究可見，目前FRP筋混凝土構(gòu)件抗震性能的研究主要集中在混凝土柱方面，對(duì)梁、板等構(gòu)件的抗震性能研究不多，同時(shí)，也缺乏對(duì)FRP筋結(jié)構(gòu)體系整體抗震性能的研究，需要通過(guò)更加深入的研究來(lái)形成一套完整的抗震設(shè)計(jì)體系。

4 熱點(diǎn)與展望

專門針對(duì)純混凝土橋的研究正在逐年減少，大多橋梁工程方向的文獻(xiàn)都趨于交叉學(xué)科研究。關(guān)于混凝土橋方向的未來(lái)發(fā)展，可從以下幾個(gè)方面開展工作：

1)混凝土橋領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)理論和方法的繼續(xù)完善與拓展研究，如：抗剪及抗裂理論研究、適用于OPC和HPC的基于性能的試驗(yàn)方法研究、長(zhǎng)期侵蝕環(huán)境下混凝土性能劣化非加速試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)研究(目前很多加速試驗(yàn)存在結(jié)論不準(zhǔn)確的問(wèn)題)、混凝土橋梁可靠性評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)研究、極端環(huán)境下混凝土橋的運(yùn)營(yíng)性能及性能劣化研究等。

2)高性能混凝土橋梁研究，如：全UHPC橋梁(例：美國(guó)的愛荷華州的馬斯希爾橋，英文：Mars Hill Bridge)、含高韌性構(gòu)件的橋梁、以纖維復(fù)合混凝土為基材的橋梁、完全無(wú)鋼筋的復(fù)合材料增強(qiáng)混凝土橋梁等。

3)新型混凝土材料及其橋梁研究，如：太空混凝土及其橋梁研究(為月球、火星空間站建設(shè)提前做準(zhǔn)備)、智能混凝土及其橋梁研究(裂縫自修復(fù)混凝土橋等)、水下混凝土及其橋梁研究(海洋內(nèi)部漂浮景觀橋梁等)。

4)混凝土橋發(fā)展新理念研究，如：混凝土橋+智能設(shè)備研究(混凝土橋+智能張拉設(shè)備、混凝土橋+智能檢測(cè)設(shè)備等)、混凝土橋+5G理念研究(混凝土橋+大數(shù)據(jù)、混凝土橋+云平臺(tái)等)、生態(tài)混凝土橋理念研究(混凝土橋梁+環(huán)境學(xué)+生態(tài)學(xué)交叉學(xué)科研究)等。

5)混凝土橋的仿真分析研究，如：基于整體及局部的精細(xì)化分析模型研究、混凝土橋分析軟件集成開發(fā)研究、BIM在混凝土橋梁中的應(yīng)用研究等。

6)廢舊混凝土橋預(yù)后研究，如：廢舊混凝土橋的爆破及非爆破拆除方法研究(環(huán)境污染、噪聲阻斷及周邊振動(dòng)抑制等)、廢舊混凝土橋的材料和構(gòu)件回收及其再利用研究(筋材回收、降級(jí)使用及制作景觀飾品)。

7)新型混凝土材料對(duì)多種極端環(huán)境耦合作用下的適應(yīng)性研究及材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同全壽命期設(shè)計(jì)理論和方法研究。

8)新材料與結(jié)構(gòu)結(jié)合方面的研究，如超高彈性和韌性的混凝土新型材料在無(wú)縫混凝土橋方面的應(yīng)用，解決伸縮縫破壞及行車過(guò)程中的跳車問(wèn)題。

9)綠色混凝土將圍繞節(jié)約資源、降低排放和智能化等方面開展研究。如，激發(fā)具有潛在活性的無(wú)機(jī)固廢物的活性，開發(fā)堿激發(fā)混凝土；研究再生骨料混凝土力學(xué)性能的改善和提高循環(huán)利用率；開發(fā)性能自感知、自調(diào)節(jié)及自修復(fù)等智能性混凝土。

10)鑒于纖維的性能和價(jià)格差異較大，目前多傾向于多種纖維混合使用的方式，以綜合優(yōu)化混凝土的多方面性能。自密實(shí)混凝土在鋼筋密集、振搗困難以及不需要振搗的工程結(jié)構(gòu)中都可取得較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。今后如何量化和保證自密實(shí)混凝土的性能將仍然是自密實(shí)混凝土研究的重點(diǎn)。