超高性能混凝土材料在桥梁工程中的应用_黎维良.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期147作者简介：黎维良，本科，高级工程师，主要研究方向：公路工程项目管理与施工技术应用。超高性能混凝土材料在桥梁工程中的应用黎维良（云南云岭高原养护工程有限公司，云南昆明 650000）摘要：与普通混凝土相比，超高性能混凝土（UHPC）材料拥有超强的力学性能、耐久性能以及抗火性能，是一种优良的桥梁建设材料。为满足现代化桥梁在复杂环境条件下的应用需求，基于 UHPC 材料的优异性能，从发展历程与材料特性出发，简述了 UHPC 在桥梁工程中的研究现状，总结了目前 UHPC 在桥梁工程中的应用方向，主要包括装配式桥梁、拱桥、人行斜拉桥以及正交异性钢桥面板等。最后，分析了目前 UHPC 在应用上存在的限制及问题，展望了 UHPC 在桥梁工程中的应用前景和进一步的研究方向。关键词：超高性能混凝土；桥梁工程；研究现状；工程应用中图分类号：U 444Application of Super Performance Concrete Materials in Bridge EngineeringLI Wei-liang(Yunnan Yunling Plateau Maintenance Engineering Co.,Ltd.,Kunming 650000,Yunnan,China)Abstract:Compared with ordinary concrete,ultra high performance concrete(UHPC)material has super mechanical properties,durability and fire resistance,and is an excellent bridge construction material.In order to meet the application requirements of modern bridges under complex environmental conditions,based on the excellent performance of UHPC materials,starting from the development history and material characteristics,this paper briefl y describes the research status of UHPC in bridge engineering,and summarizes the current application direction of UHPC in bridge engineering,mainly including fabricated bridges,arch bridges,pedestrian cable-stayed bridges,orthotropic steel deck plates,etc.Finally,the limitations and problems existing in the application of UHPC at present are analyzed,and the application prospect and further research direction of UHPC in bridge engineering are prospected.Key words:ultra high performance concrete;bridge works;research status;engineering application在现代化工程建设中，尤其是对于大跨空间结构、超高层建筑、大型桥梁、薄壁工程等重大典型项目而言，工程结构已逐渐趋向于大型化和特殊化，要求具备更强的承载能力与更优异的耐久性，传统混凝土材料的弊端由此突显，如抗拉强度低、耐久性差、易开裂导致服役年限短以及结构自重大等，越来越难以满足应用需求。在这种背景下，超高性能混凝土（UHPC）材料应运而生，成为近几十年来最具创新性的一种水泥基工程材料1。区别于普通混凝土材料，超高性能混凝土材料在配制原料中摒弃了粗集料，通过使用超细颗粒，提高组分细度和活性，增强基体堆积密实度，并采用超低水灰比，添加火山灰、钢纤维和高效减水剂等措施，达到内部孔隙和微裂缝的最小化，从而实现超高韧性与超高强度。作为一种新型混凝土材料，超高性能混凝土基于天然矿物制备而成，低碳环保，符合可持续发展理念，并具有超强的耐久性和强度，在抗拉、耐磨、耐腐蚀以及抗冻等方面优势巨大2，非常契合“高、大、精、深”等现代化大型工程领域的材料需求，逐渐得到了国内外学者和工程领域专家的青睐与研究。基于此，本文结合UHPC 的材料特性以及制备技术，总结分析其在现代化桥梁工程中装配式构件、桥面铺装等方面的相关应用，以期更好地促进现代化桥梁的建设与发展。1 超高性能混凝土及其材料特性在混凝土材料的发展过程中，随着人们对新型建筑材料性能的不断追求，业内逐渐尝试提出新型的混凝土组成配方，如高强混凝土、纤维增强水泥基复合材料以及超高性能混凝土材料等概念。相比于普通混凝土 40MPa 的抗压强度，超高性能混凝土具有不低于100MPa 的抗压强度，拥有更加良好的抗弯折能力。在 最 初 的 UHPC 发 展 过 程 中，首 先 由 英 国 化 学公司创造性地开发了宏观无缺陷混凝土，并将其称之为 MDF。随后，丹麦、法国等多个国家都先后投入到UHPC 的研发过程中，Aalborg Portland 公司开发了以密集钢筋和纤维为主体结构的紧凑型复合材料（CRC），Bouygues 公司于 90 年代第一次制备出了活性粉末混凝土（RPC）。进入 21 世纪后，越来越多的 UHPC 材料被研发出来3。为便于人们对 UHPC 的定义和分类，人们将纤DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.050148黎维良 超高性能混凝土材料在桥梁工程中的应用维增强超高性能混凝土统一称为 UHPC，法国土木工程学会认为 UHPC 应当拥有以下三方面的特性：（1）必须要掺入某些纤维增强材料；（2）抗压强度必须大于150MPa，抗拉强度不低于 7MPa；（3）含有高含量的粘合剂，采用细密骨料。从以上定义可看出，UHPC 通过以下途径实现了超高性能：首先，增大骨料密度，优化了细骨料配置，Bouygues 公司的 RPC 最大粒径仅有0.4mm；其次，UHPC 摒弃原先的粗骨料配置，改为采用细骨料，掺入一些超细活性矿物，大大降低了内部孔隙率；最后，通过添加纤维增强了其抗压抗拉性能。在力学性能方面，UHPC 的断裂强度可以达到 Q345钢的 1/3，优于普通钢铁材料，比强度甚至达到 6689 Nm/kg，是普通 C60 材料的 45 倍。UHPC 收缩应变为500900，徐变系数为 0.290.78，仅为 C60 材料的1/24。除此之外，UHPC 还拥有良好的水密性，美国联邦公路调查局曾进行实验，将 UHPC 材料置于 18 t 循坏活载下实验，九百万次循坏未出现渗漏，超高的水密性和耐渗透性使其特别适用于一些桥梁和隧道工程5。在耐久性能方面，UHPC总孔隙率一般控制在4%6%，孔隙率低于 C60 材料的 9%。吸水能力和耐冻融性方面远低于 C60 材料，UHPC 吸水系数为 1，冻融剥落系数为 7g/cm3，而 C60 材料则分别为 11 和 900g/cm3。UHPC磨耗系数为 1.3，氯离子扩散深度为 1mm，碳化深度0.5，这些性能指标远远优于现有的常规建筑材料6。UHPC 耐久性高的原因主要是密度高、粒径小，微观结构得到了改善。抗火及抗冲击性能方面，由于 UHPC 拥有超高的硅粉含量，其抗火烧性能优异。对 UHPC 和普通材料进行7 天的火烧实验，发现 UHPC 抗火烧性能优于目前的常规材料，认为主要原因是氢氧化钙比例少，火烧后不易形成氧化钙，不容易变脆7。2 超高性能混凝土桥梁结构研究现状现阶段，世界上已知的应用 UHPC 材料建造的桥梁已达到 40 多座，最大跨径已经达到 120m。加拿大最早将 UHPC 应用于桥梁建设过程中，1997 年加拿大开始建设了三座 UHPC 人行桥，其中一座为钢混结构，另外两座为 T 梁结构。2001 年，日本、法国和韩国分别开始建设 UHPC 桥梁，其中，日本和法国共建设了 24 座桥梁，摒弃了钢混结构，全部采用 UHPC 材料修建，而韩国建设的两座均为钢混结构人行桥。我国起步较晚，直到2015 年，才将 UHPC 应用于桥梁的建设过程中，目前有3 座 UHPC 桥梁，其中一座小跨径人行拱桥，两外两座为混凝土箱梁桥。从以上数据可以看出，虽然已经过去近 30 年，但UHPC 在桥梁工程中的应用还不理想8，并且大都是应用在人行桥的建设中，还有部分是采用钢混结构建设。其中，日本和法国应用最多，他们已经形成了类似于普通混凝土结构的系统推荐计算方法，充分涉及到了UHPC 材料性能的方方面面，法国甚至对 UHPC 材料的定义进行了规范，制定了严格的标准，走在了世界前列。我国仅有湖南省推出了关于 UHPC 的征求意见稿，发展较为缓慢。3 基于超高性能混凝土的桥梁工程应用3.1 装配式桥梁3.1.1 装配式 UHPC 肋板 通过预制 UHPC 肋板，可以在后期浇 UHPC 铰缝，与钢筋形成整体，大幅度降低桥梁厚度。美国的 Little Cedar Creek 桥就是一次成功的实践，是桥梁施工方式以及施工材料的改变，强度相同的情况下，UHPC 预制板比普通混凝土板要薄 1/3 以上，在保证质量安全的同时又保证了美观，同时由于 UHPC 超高的耐久性能，大幅度延长了桥梁使用寿命。刘扬等9研究了钢-UHPC 组合装配式结构桥梁，对目前桥梁跨越能力以及耐久性的技术瓶颈进行了深入探索，在钢-UHPC 材料的抗裂、抗疲劳、栓钉抗剪性能、耐弯性能等方面取得了丰硕的成果。钢-UHPC 材料非常适合在装配式桥梁中进行应用，国家也在大力支持装配式桥梁工程，因此性能优异的钢-UHPC 材料将迎来重要的机遇。3.1.2 装配式 UHPC 梁由于 UHPC 远高于一般混凝土的抗裂性能，非常适合作为主梁使用。美国 FHWA 早在 2001 年就开始进行装配式 UHPC 梁的研究计划，甚至发展出了 2341 m 的工厂预制梁制备工艺，其能够实现规模化、模块化和数字化安装10。UHPC 梁的横截面主要有工字形、T 型、型和箱型，美国 2006 年在弗吉尼亚州建设的 UHPC桥梁直接采用了 UHPC 梁，不再设置抗剪钢筋，利用UHPC 材料的抗拉性能达到了相同的力学效果11。装配式 UHPC 梁与普通混凝土梁相比，高度仅有普通混凝土梁的 1/2 左右，截面积较小，大幅度减轻了桥梁的自重，在方便安装和使用的同时，可以延长桥梁跨距。除此之外，UHPC 材料耐久性好，使用 UHPC 材料可以减少后期维护保养费用，减少因为维护保养造成的交通拥堵等事件。季孙华12研究了 UHPC 梁在桥梁工程中的应用，在上海重大项目袁家河桥的建设中，便采用了 UHPC 组合梁桥，跨径达到 22m，自重为传统板梁的 1/2，大幅度降低吊装难度，使得其安装时间仅有 20min，甚至在 3h以内就完成了 7 片梁的吊装任务，在不增加工程造价的情况下提高了桥梁性能，有着非常好的示范效应。3.2 拱桥2021 年 3 月 28 日，我国首座 UHPC 箱型结构拱桥正式建成，桥址位于云南。该桥的 UHPC 材料需要以普通石英砂为主料，在试验基地进行了机制石英砂的研究，通过不断优化材料配比和养护方法，该 UHPC 材料甚至可以耐受 150MPa 的压力13。在修建过程中还进行了减水剂的优化，因地制宜，使得该拱桥适应了当地的气候环境，为我国 UHPC 材料的使用打下了良好的基础。3.3 人行斜拉天桥韩国一座办公楼人行天桥在建设过程中采用了UHPC 斜拉桥的设计14，由于 UHPC 比强度极高，属于轻质高强材料，是斜拉桥很好的桥板材料。该方案前梁合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期149板采用 UHPC 板，板厚 7cm，后梁板则采用普通混凝土，板厚 18cm，前后梁板长度不等，形成了一种巧妙的平衡，因地制宜，同时兼顾了美观和实用。3.4 正交异性钢桥面板在钢桥的建设以及后期维护使用过程中，很容易出现钢桥面板的疲劳开裂以及沥青铺装受损的问题，不仅影响桥面的美观，还容易使钢桥桥面受到腐蚀，影响结构安全。同济大学叶奋等人15报道了一种 UHPC 浇筑正交异性钢桥面组合结构及其制作方法，其包括 UHPC 与钢桥面板形成的组合桥面板结构。与现有的钢桥面板铺装相比，UHPC 浇筑的正交异性钢桥面板无论是强度、耐久性，还是韧性都有很大的提高，大幅度降低了面板发生病害的概率。在浇筑施工工艺方面，无需蒸汽养护以及压力成型，不容易产生开裂、坑槽以及拥包等问题，铺装层也不容易受损，有着非常良好的适用性。4 UHPC 在桥梁建设中的问题及发展趋势在力学性能、耐久性能、抗火烧冲击以及适用范围上，UHPC 材料具有很大的优势，但在近三十多年的应用与研究过程中，UHPC 材料仍然存在成本偏高、工艺复杂以及收缩较大等应用不足，具体包括以下几点。（1）材料造价偏高。建筑工程公司作为营利性企业，必须要综合对比各种材料的工程造价。UHPC 材料由于掺入了硅粉等价格较高的细骨料，虽然提高了性能，但增加了其原料成本，价格明显高于普通混凝土材料。（2）缺乏完备规范。商业化的 UHPC 材料在各个企业之间的配比相差很大，增加了制定规范的难度。我国的混凝土标准并没有对 UHPC 材料的性能、计算和验收方法进行详细规范，使得市面上 UHPC 材料质量良莠不齐，极大地限制了 UHPC 材料的推广使用。（3）缺乏统一的理论和实验研究。目前我国虽已有部分学者对 UHPC 材料开展深入研究，但大都处于简单的力学测试阶段，相互之间没有充分的交流和配合，缺乏统一的理论指导，导致 UHPC 材料研究进度缓慢。我国河流山川众多，海域广大，桥梁工程建设需求量极大。UHPC 材料拥有优异的抗渗透、抗侵蚀能力，若能得到深入研究并落地应用，必然会大幅提高我国桥梁建设水平。因此，未来 UHPC 材料研究应当在保证质量的前提下，先制定出统一的规范和理论体系，再朝着降低造价的方向开展改进与优化工作，从而使桥梁工程中的 UHPC 材料拥有更广阔的发展前景。5 结束语UHPC 材料拥有良好的抗压抗拉、耐渗透以及轻便等特性，在桥梁建设中应用时能达到结构美观、安装方便以及服役寿命较长的理想效果，并在装配式桥梁、拱桥、人行斜拉桥以及正交异性钢桥面板中均有较好的适用性。因此，在近海桥梁工程领域，UHPC 材料有着巨大的应用价值与潜力。但目前 UHPC 材料仍然存在造价高、规范和理论不完全等弊端，未来还需要开展更加深入的理论体系研究与工艺改进工作，以进一步提高 UHPC 材料在桥梁工程中的应用价值。参考文献1 陈宝春,季韬,黄卿维,等.超高性能混凝土研究综述J.建筑科学与工程学报,2014,31(3):1-24.2 邓宗才,肖锐,申臣良.超高性能混凝土的制备与性能 J.材料导报,2013,27(9):66-69.3 王道领.矿物掺合料对轻集料混凝土性能影响研究J.合成材料老化与应用,2019,48(5):83-86.4 李传习,聂洁,冯峥,等.振动搅拌对超高性能混凝土施工及力学性能影响 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