橋梁施工中高性能混凝土的應(yīng)用研究

趙睿

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

在當(dāng)前的橋梁工程建設(shè)過程中，為適應(yīng)不同的使用功能要求，作為最常用的施工材料，對(duì)混凝土提出了更嚴(yán)格的要求，這就要求在實(shí)際施工中采用高性能混凝土，但高性能混凝土和傳統(tǒng)混凝土在很多方面都存在較大差異，需要在各個(gè)階段中引起重視，以此保證高性能混凝土施工質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期的功能目標(biāo)和效果。列舉了高性能混凝土的特點(diǎn)以及在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用推廣。

1 高性能混凝土

高性能混凝土最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代末，典型代表為高強(qiáng)度、高流動(dòng)性與高耐久性混凝土，具體可分成以下幾種類型：其一，無須進(jìn)行振搗的混凝土；其二，高強(qiáng)度混凝土；其三，高耐久性混凝土。相較于傳統(tǒng)混凝土，高性能混凝土在配合比設(shè)計(jì)中采用了不同的思路，即高性能混凝土將耐久性作為主要技術(shù)指標(biāo)之一，在實(shí)際的配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)配制過程中滿足不同階段對(duì)混凝土性能提出的要求。處于塑性期時(shí)，高性能混凝土將表現(xiàn)出極為優(yōu)異的性能，當(dāng)拌和水量為170～180kg/m3時(shí)，高性能混凝土實(shí)際坍落度不低于240mm，但傳統(tǒng)混凝土通常不超過50～70mm[1]。因高性能混凝土還有突出的自密性特點(diǎn)，所以澆筑成型十分方便和容易，基本不需要進(jìn)行振搗，在沒有采取嚴(yán)格保證措施的情況下，也可以形成密實(shí)度極高的混凝土，強(qiáng)度也能不斷增加，為更多新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造了便利條件，即便在截面形狀較為復(fù)雜且鋼筋布置較為密集時(shí)，也不需要對(duì)高性能混凝土進(jìn)行振搗，依靠自身具備的填充性成型，可以在振搗設(shè)備使用受限的情況中使用，極大地減輕工作人員自身勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)勞動(dòng)條件的有效改善。另外，在高性能混凝土當(dāng)中加水后連續(xù)攪拌90min 的時(shí)間，依然可以保持優(yōu)異工作性能，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工，特別是夏季施工極為有利。在混凝土不斷硬化的過程中，高性能混凝土中基本不會(huì)產(chǎn)生由于干縮或水泥的水化反應(yīng)造成的初始裂縫，如果混凝土內(nèi)部存在這些裂縫，除了會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外部產(chǎn)生不同程度的破壞，還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生早期破壞。

在混凝土施工階段，相較于用水量一致，且摻有高效減水劑等外加劑的普通混凝土，相較于高性能混凝土，不論干縮量或真空失水量，都有很大程度的減少，特別是后者，能減少近一半，說明高性能混凝土內(nèi)部孔縫被明顯減小，表現(xiàn)出良好抗?jié)B性，最終起到提高耐久性的作用。高性能混凝土的出現(xiàn)無疑是混凝土材料重要突破，在實(shí)際工程中大量應(yīng)用將帶來很大效益[2]。

2 UHPC 高性能混凝土

UHPC 高性能混凝土的設(shè)計(jì)理念是最大堆積密度理論，其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積。UHPC 是一種新型高性能水泥復(fù)合材料，具有超高耐久性和力學(xué)性能，UHPC 是采用優(yōu)化級(jí)配的細(xì)骨料、高標(biāo)號(hào)水泥、超細(xì)高活性礦物參合料、微珠超細(xì)粉以及特殊的有機(jī)化學(xué)添加劑等材料在UHPC 結(jié)構(gòu)體系中產(chǎn)生多級(jí)填充效應(yīng)。通過提高組分的細(xì)度與活性，不使用粗骨料，使材料內(nèi)部的缺陷（空隙與裂縫）減小到最少，以獲得更高的強(qiáng)度和耐久性[3]，見圖1。

圖1 UHPC 組成結(jié)構(gòu)

2.1 耐久性高

由于UHPC 高性能混凝土的致密性，材料表面具有很高的光潔度，外界有害介質(zhì)很難侵入U(xiǎn)HPC 中，凍融循環(huán)、海洋環(huán)境、硫鋁酸鹽腐蝕和碳化下，能夠耐受各種有害物質(zhì)滲透到基體內(nèi)部，有效抵御環(huán)境破壞，例如：凍融、雨雪、火、冰雹，可以暴露在各種侵蝕環(huán)境下。

2.2 強(qiáng)度高

高性能混凝土國(guó)際上系指抗壓強(qiáng)度在150MPa 以上，并具有高韌性，高耐久性的水泥基復(fù)核材料的統(tǒng)稱，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度差不多在15～60MPa。而UHPC 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到200MPa 以上[4]。

2.3 工作性、可持續(xù)性高

由于UHCP 中分散的細(xì)鋼纖維可大大減緩材料內(nèi)部的微裂縫的擴(kuò)展，從而使材料表現(xiàn)出高韌性和延性。質(zhì)量輕尺寸大，造型多樣，工期短后期維護(hù)方便?？勺銎桨?、曲面、鏤空等各種造型。特別是在市政項(xiàng)目，注重景觀，外觀的項(xiàng)目運(yùn)用較多[5]。

2.4 抗壓性能

提高組分的細(xì)度與活性，不使用粗骨料，使材料內(nèi)部的缺陷（孔隙與微裂縫）減到最少，以獲得超高強(qiáng)度與高耐久性。提高組分的細(xì)度與活性，不使用骨料，使材料內(nèi)部的缺陷（空隙與微裂縫）減到最少，以獲得超高強(qiáng)度和高耐久性[6]。

3 高性能混凝土橋梁方案研究

云南某高速公路項(xiàng)目，場(chǎng)區(qū)位于橫斷山脈南段，橫斷山脈與云貴高原分界段，海拔1707.4～1792.4m，相對(duì)高差85.0m。地貌類型屬侵蝕堆積山間盆地地貌，橋位跨越盆地地帶，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）查得測(cè)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為VIII 度。云南處于高地震烈度區(qū)，局部地區(qū)有活動(dòng)斷層，且地質(zhì)條件較為復(fù)雜[7]。

在該項(xiàng)目某特大橋中，提出了采用鋼-UHPC 高性能混凝土組合梁的形式。由于此橋地勢(shì)平坦，穿越基本農(nóng)田，跨越等級(jí)道路、河溝等。在方案階段提出了預(yù)制小箱梁、鋼混組合梁、鋼-UHPC 組合梁的方案。對(duì)30m 跨徑的預(yù)制小箱梁、鋼混組合梁、鋼-UHPC 組合梁的上部結(jié)構(gòu)自重及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比見表1：

表1 上部結(jié)構(gòu)自重及經(jīng)濟(jì)對(duì)比表

由表1 可知，鋼-UHPC 組合梁具有自重輕，耐久性高、強(qiáng)度高等有點(diǎn)，特別是處于高地震烈度區(qū)的橋梁有一定的好處，可以減輕地震作用效應(yīng)，由于UHPC 高性能混凝土自重輕，可以有效減小下部結(jié)構(gòu)尺寸。UHPC 高性能混凝土不僅強(qiáng)度高，抗?jié)B透、碳化、抗凍融、腐蝕，耐久性優(yōu)于普通混凝土。由于橋位區(qū)域有兩條活動(dòng)斷裂層，橋區(qū)地震基本烈度為VIII 度且地質(zhì)條件較差，雙層橋地震作用效應(yīng)明顯，為加抗震設(shè)防設(shè)計(jì)，對(duì)預(yù)制小箱梁、鋼-UHPC 組合梁進(jìn)行分析，得到E2 地震作用下的內(nèi)力如表2。

由表2 可知，鋼-UHPC 組合梁由于上下部尺寸和自重大幅度下降，結(jié)構(gòu)輕盈，使地震作用效應(yīng)大幅下降，其中墩底控制性彎矩減少40%，蓋梁彎矩和支座橫橋向位移減少50%以上，橋梁抗震安全得到提高。

表2 E2 地震作用下的內(nèi)力對(duì)比表

4 高性能混凝土材料選擇與施工養(yǎng)護(hù)

4.1 材料選擇

同時(shí)要實(shí)現(xiàn)混凝土的高性能化，除選擇優(yōu)質(zhì)、合適的組成材料外，各項(xiàng)組成材料的摻入比例及混凝土的配合比設(shè)計(jì)工作也至關(guān)重要。對(duì)高性能混凝土進(jìn)行生產(chǎn)配制時(shí)，要以工程實(shí)際要求為依據(jù)，結(jié)合環(huán)境條件確定適宜的原材料類型及質(zhì)量。保證各類原材料技術(shù)性能與質(zhì)量達(dá)到要求是使高性能混凝土有良好和性能的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)階段必須引起相關(guān)人員的高度重視。高性能混凝土配合比參數(shù)要以強(qiáng)度、耐久性和流動(dòng)性要求為依據(jù)確定[8]。

4.2 施工運(yùn)輸

將高性能混凝土生產(chǎn)制備完成后，應(yīng)盡快運(yùn)送，并在運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)后盡快進(jìn)行澆筑。在運(yùn)送和澆筑高性能混凝土的過程中，應(yīng)盡量減少或徹底避免離析現(xiàn)象的發(fā)生。高性能混凝土的運(yùn)輸與澆筑都應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)定方案實(shí)施；進(jìn)場(chǎng)的混凝土在經(jīng)過檢查確認(rèn)質(zhì)量合格、沒有離析現(xiàn)象時(shí)才能用于澆筑[9]。

4.3 養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土有關(guān)鍵的作用，直接影響混凝土的性能，高性能混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。采用多種養(yǎng)護(hù)技術(shù)才能有力保障混凝土的強(qiáng)度和耐久性能。在冬季與炎熱的季節(jié)，應(yīng)制定合理有效的保溫措施，使養(yǎng)護(hù)過程中混凝土內(nèi)外部溫度差在20oC 以內(nèi)[10]。在混凝土的強(qiáng)度達(dá)到模板拆除要求，同時(shí)內(nèi)外部溫差及表面和環(huán)境氣溫之間的溫度差在20oC 以內(nèi)后，即可開始拆模[11]。

5 高性能混凝土應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多項(xiàng)目應(yīng)用了UHPC 高性能混凝土。UHPC 高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用，可以優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、增大跨徑、增加承載力、耐久性和壽命周期的同時(shí)保持較小的變形，跨海、跨江大橋橋墩采用UHPC 高性能混凝土耐久性好，抗海水侵蝕。

興義環(huán)高項(xiàng)目峰林特大橋，橋面板為混凝土預(yù)制橋面板，長(zhǎng)寬方向尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向，考慮加工及運(yùn)輸過程中可能存在的開裂問題，因此采用C60 玄武巖纖維混凝土。玄武巖纖維混凝土的應(yīng)用有效解決了預(yù)制橋面板易開裂的技術(shù)難題。重遵高速項(xiàng)目桐梓隧道地質(zhì)特點(diǎn)：特長(zhǎng)隧道、煤系地層、瓦斯、弱堿水（碳酸鹽和硫酸鹽），高覆蓋層導(dǎo)致高應(yīng)力段等因素，把噴射混凝土設(shè)計(jì)為抗高應(yīng)力、抗弱堿水破壞、抗?jié)B漏（漏水漏氣）、抗燃燒的高性能噴射混凝土。

6 結(jié)語

高性能混泥土的發(fā)展與推廣是未來必然的趨勢(shì)，推廣應(yīng)用高性能混凝土是對(duì)工程設(shè)計(jì)、混凝土生產(chǎn)、施工、養(yǎng)護(hù)、驗(yàn)收多個(gè)環(huán)節(jié)全面、系統(tǒng)的提升。UHPC高性能混凝土承載能力高，耐久性高，工作性能高，且自重輕可以減少鋼材的使用，結(jié)構(gòu)輕盈，使地震作用效應(yīng)大幅下降，隨著技術(shù)的進(jìn)步與成熟，相關(guān)制度與規(guī)范的完善，標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化的UHPC 高性能混凝土將具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，高性能混凝土是一種全新的混凝土技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用能提高工程混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)性能，改善質(zhì)量，提高強(qiáng)度和耐久性。以上對(duì)高性能混凝土特點(diǎn)及其在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)，旨在為相關(guān)工作人員提供參考依據(jù)，保證高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用發(fā)揮出應(yīng)有的作用。