UHPC在橋梁工程中的發(fā)展綜述

高 翔，李 麗

(西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039)

0 前 言

伴隨我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化建設(shè)進(jìn)程的步伐逐年加快，國家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)更是突飛猛進(jìn)。在近二十年來，我國已建成橋梁多達(dá)80多萬座[1-2]。目前，人們對橋梁建造的認(rèn)識更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、合理化，對橋梁質(zhì)量要求更苛刻，對橋梁的耐久性能要求也越來越高。實踐表明，過去結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的傳統(tǒng)混凝土橋梁存在大量的病害問題，嚴(yán)重縮短了橋梁壽命。由此，催生出了超高性能混凝土材料。超高性能混凝土是一種新型的水泥復(fù)合基工程材料，其優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性能，使其近年來在國內(nèi)外得到快速發(fā)展。

1 發(fā)展歷程

超高性能混凝土材料的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代的丹麥，在20世紀(jì)80～90年代，歐洲國家對UHPC的研究進(jìn)入到了系統(tǒng)化的階段，將UHPC材料在中小型的工程上。Yudenfreund等[3]采用了超細(xì)磨水泥、助磨劑等，通過真空攪拌技術(shù)拌制出了低孔隙率、超低水灰比的水泥石，并在28 d適宜的溫度、濕度養(yǎng)護(hù)后，測其立方體試件抗壓強度，高達(dá)205 MPa。同年，Roy D.M.等[4]將水泥凈漿試件在壓力達(dá)50 MPa的狀態(tài)下壓制成型，并在高壓、高溫技術(shù)下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試件內(nèi)部的孔隙率微乎其微，其成型的水泥石試件抗壓強度最高達(dá)到了510 MPa。直到1994年，Larrard和Sedran才發(fā)表論文首次提出了“超高性能混凝凝土(UHPC)”這一概念[5]。

超高性能混凝土的發(fā)展和應(yīng)用不是偶然的，近年來，其憑借著優(yōu)異的力學(xué)性能和超高的耐久性能在橋梁工程的使用中脫穎而出。與傳統(tǒng)混凝土相比，其主要力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)見表1。

從表1中不難看出，UHPC的抗壓強度和抗拉強度遠(yuǎn)高于普通混凝的抗壓強度和抗拉強度，其抗折強度是普通混凝土強度的10倍之大。此外，在抗表面剝蝕性能以及抗凍融性能方面，高性能混凝土也表現(xiàn)得更優(yōu)異。

表1 超高性能混凝土、高性能混凝土、普通混凝土的主要力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)

2 UHPC在橋梁中的應(yīng)用

由于UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能，在橋梁工程需求輕質(zhì)高強、快速架設(shè)、經(jīng)久耐用的背景下，引起了橋梁界的極大興趣和高度重視，在橋梁領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。截止2020年為止，在全球范圍內(nèi)，主體或者部分使用UHPC建造的橋梁從2016年的400多座增長到1 000多座，我國約有120座橋梁使用了UHPC材料[6]。

2.1 UHPC在國外橋梁中的應(yīng)用

2001年，法國使用超高性能混凝土建成了世界上第一座公路橋[7]，該橋梁主梁采用預(yù)制的“π”形梁，橫向有5片主梁，主梁間通過翼緣板現(xiàn)澆UHPC濕接縫連接，橋梁只有人行道板、護(hù)欄、接縫處預(yù)埋了鋼筋，主梁等位置未配置普通鋼筋，由于UHPC的優(yōu)異性能，減少了混凝土的使用量，大大減輕了橋梁的自身重量。

2004年，瑞士首次將超高性能混凝土應(yīng)用于某一鋼筋混凝土橋面板加固中[8]，其橋梁跨徑10 m，橋面被氯離子和重車荷載嚴(yán)重破壞。加固方案是在其原橋面板上澆筑3 cm厚的配筋UHPC保護(hù)層。其次，在加固橋面板的同時，在混凝土欄桿上也澆筑一層3 cm厚的覆蓋層，增強欄桿的抗撞擊能力。瑞士不僅將UHPC運用于橋面板加固上，而且用在了加固防撞護(hù)欄、橋墩等方面。

2010年，全球第一座超高性能混凝土公路拱-Wild橋在奧地利建成[9]。橋梁總跨徑為154 m，主拱圈的跨徑為70 m，矢高18 m。該橋施工采用豎向下放式轉(zhuǎn)體法施工，拱軸線呈多邊形折線，主拱由2根單箱單室拱肋組成，拱肋間使用橫系梁將其連接，使其受力更均勻，提高橋梁穩(wěn)定性。

2011年，美國首次將優(yōu)化過的華夫型雙向帶肋UHPC橋面板使用在愛荷華州的Little Cedar Creek大橋[10]的建造上，該橋的總跨徑18.3 m，寬10 m，橋面板由華夫型雙向帶肋板預(yù)制而成，各個預(yù)制板之間通過UHPC接縫連接成連續(xù)板，預(yù)制板與主梁通過剪力槽和縱向濕接縫連接成整體。相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁，UHPC華夫橋面板的自重可減少約25%。在2013年，美國出臺了有關(guān)華夫橋面板的設(shè)計規(guī)范。

2015年，馬來西亞建成的UHPC箱形梁公路橋-Batu6橋[11],該橋目前世界上單跨最大的全預(yù)制拼裝橋梁。其單跨跨徑達(dá)100 m，橋梁寬為5 m。其主箱梁在工廠預(yù)制完成，UHPC箱梁預(yù)制時分為兩次澆筑，先澆筑腹板和底板，再澆筑頂板，待高溫養(yǎng)護(hù)完成后，再運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行吊裝。到2020年，馬來西亞采用超高性能混凝土建成的橋梁已超100座，馬來西亞對超高性能混凝土的研究值得各國學(xué)習(xí)和參考。

2.2 UHPC在國內(nèi)橋梁中的應(yīng)用

2006年，我國首座采用超高性能混凝土的T梁橋[12]誕生于在遷曹鐵路工程中的灤柏干渠大橋，這為UHPC橋梁的建設(shè)提供了有價值的參考。

2017年初，坐落于江西省太原市的攝樂大橋建成通車[13]，全長約780 m。為了滿足攝樂大橋的外形景觀及服役要求，結(jié)合該橋外部環(huán)境條件，大橋主橋采用大幅變寬塔柱與空間扭索面相結(jié)合的獨塔斜拉橋，主梁采用半封閉雙邊箱鋼梁，使用UHPC對該橋進(jìn)行橋面鋪裝。

2017年，我國建成成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋[14]，其主拱采用拱墩固結(jié)、拱梁分離的剛架系桿拱體系，跨長為336 m，矢高100 m。主橋公路橋面采用正交異性整體鋼橋面板，為了延長其耐久性能，橋面板采用新型UHPC雙層鋪裝體系，上層為4 cm改性瀝青SMA10，下層采用4.5 cm厚的UHPC，兩層中間設(shè)置環(huán)氧防水粘結(jié)層。

2011年，我國首次將超高性能混凝土應(yīng)用在肇慶馬房橋梁[11]加固工程中，采用鋼箱梁與UHPC組合成輕型組合橋結(jié)構(gòu)。肇慶馬房橋梁營運期間經(jīng)過多次維修，依然存在主梁鋪裝層嚴(yán)重破壞以及鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞，使用50 mm厚的UHPC進(jìn)行維修加固，截至目前，其輕型組合結(jié)構(gòu)依然運行良好。這為UHPC在國內(nèi)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，如今國內(nèi)已有17座橋梁采用了鋼-UHPC組合橋面。2016年，蕰藻浜大橋[15]在服役多達(dá)20多年后，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)其橋面板碳化嚴(yán)重，槽型主梁內(nèi)部積水，且底板和腹板出現(xiàn)大量裂縫。采用現(xiàn)澆UHPC薄層法進(jìn)行加固，可以增強橋面板的剛度，加強主梁和橋面板之間的聯(lián)系。運營至今，仍未出現(xiàn)任何問題，加固效果可靠。

2.3 UHPC在橋梁發(fā)展中存在的問題

超高性能混凝土材料雖在其力學(xué)性能和耐久性能方面有絕對的優(yōu)勢，但較低水膠比和高膠凝材料用量，使其生產(chǎn)成本高昂且具有較大收縮等不足，從而導(dǎo)致超高性能混凝土材料無法廣泛應(yīng)用于工程中，這也是超高性能混凝土材料在橋梁建設(shè)領(lǐng)域雖有發(fā)展，但尚無法普及和廣泛應(yīng)用的原因。

1)制備工藝要求高。超高性能混凝土是基于緊密堆積理論配制的，要使組成材料的顆粒級配達(dá)到緊密狀態(tài)，所以其中不使用粗骨料而替換成硅灰，采用聚羧酸等高效減水劑降低水膠比，摻入大量鋼纖維進(jìn)行進(jìn)行攪拌。攪拌時，拌料容易成團(tuán)，對攪拌設(shè)備的要求較高。在澆筑完成后，為使超高性能混凝土達(dá)到最佳的狀態(tài)，要保證在高于90℃的溫度且蒸壓條件下養(yǎng)護(hù)，而現(xiàn)場澆筑超高性能混凝土難以保證養(yǎng)護(hù)條件。

2)生產(chǎn)成本高。近年來，配制超高性能混凝土所用的原材料，例如：磨細(xì)石英砂、硅灰、高效減水劑等價格一直居高不下，導(dǎo)致生產(chǎn)超高性能混凝土的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出普通混凝土價格，且為了防止鋼纖維材料生銹，不降低超高性能混凝土性能，需要對鋼纖維表面鍍銅，使其生產(chǎn)成本再度上漲。為此，在保證超高性能混凝土性能的同時，尋找更經(jīng)濟(jì)實惠的材料代替價格高昂的材料或者實現(xiàn)廢物再循環(huán)利用，是未來的主要研究方向。

3)收縮變形大。制備超高性能混凝土需要使用大量的水泥和硅灰等活性材料，同時加入聚羧酸減水劑降低水膠比，導(dǎo)致前期超高性能混凝土水化放熱大，造成的自身收縮量也大。由于超高性能混凝土需要在高溫條件下養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)期間，局部溫度發(fā)生改變，也會造成溫度收縮。因此，通過何種方法減小其收縮變形也是以后的重要研究方向。

4)設(shè)計理論規(guī)范不完善。目前，國外對超高性能混凝土的生產(chǎn)、設(shè)計及應(yīng)用出版了相關(guān)規(guī)范，2014年，瑞士出版了《UHPFRC:建筑材料、設(shè)計與應(yīng)用》(SIA 2052)，2016年，法國出版了《超高性能纖維增強混凝土:規(guī)范、性能、生產(chǎn)和合格評定》(NF P18-470)、《超高性能纖維增強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范，而國內(nèi)對超高性能混凝土的研究相對滯后，相關(guān)規(guī)范還未完善，相信待相關(guān)規(guī)范完善后，能加速超高性能混凝土在我國橋梁工程中的應(yīng)用與發(fā)展。

3 結(jié)論與展望

超高性能混凝土發(fā)展已有20多年，UHPC其優(yōu)異的力學(xué)性能和超高的耐久性在全世界都得到了廣泛的認(rèn)可。從目前在橋梁工程的發(fā)展中來看，UHPC已被用于橋梁加固、橋梁接縫、組合橋梁結(jié)構(gòu)和全UHPC橋梁結(jié)構(gòu)。其解決了傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁自重大、鋼橋面容易開裂等一系列問題，UHPC是未來建造高質(zhì)量橋梁的重要選擇之一。盡管目前國內(nèi)已對UHPC橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，但都處于初始階段，需要進(jìn)一步的修改和完善，尚未能在國內(nèi)橋梁工程中獲得廣泛的應(yīng)用。

今后，應(yīng)在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，盡快完善有關(guān)超高性能混凝土橋梁的理論設(shè)計規(guī)范。采用有效的方法降低超高性能混凝土的生產(chǎn)成本，利用技術(shù)手段降低其收縮變形，補充完善有關(guān)的施工工藝規(guī)范，推動超高性能混凝土橋梁在我國高質(zhì)量發(fā)展和建設(shè)。

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