超高性能混凝土材料及其在桥梁工程中的应用

胡 晓

(舟山市定海区交通工程质量监督站,浙江 舟山 316000)

超高性能混凝土材料及其在桥梁工程中的应用

胡 晓

(舟山市定海区交通工程质量监督站,浙江 舟山 316000)

与普通混凝土相比，超高性能混凝土有着优异的力学性能和耐久性。虽然发展至今只有30多年历史，但在土木结构中已有广泛应用。本文以国内外研究成果为基础，总结了UHPC的类型、由来及其基本性能，并分析了其在桥梁工程各构件中的实际应用情况，最后展望了超高性能混凝土在桥梁工程中的应用前景和进一步的研究方向。

超高性能；混凝土；桥梁工程

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)是一种新型水泥基复合材料，最早出现在英国。其法国快速发展应用后，引起欧美、日韩等国广泛关注。UHPC强度高、耐久性好，最初多用在安全防护工程中，之后被广泛应用于接缝和梁板构件中。

本文结合国内外现有成果，介绍UHPC及其在桥梁工程中的应用情况，并探讨今后可能的发展趋势及研究方向。

1 超高性能混凝土的发展历程

为了找到一种替代常用工业材料(如混凝土、钢材、铝材等)的新产品，英、丹、法等国先后研发了各种超高性能混凝土材料。20世纪70年代初，英国化学工业公司的研发人员介绍了一种水泥基材料—宏观无缺陷混凝土(M.D.F.)[1]。1978年，丹麦Aalborg Portland公司研发出Densified with Small Particles (D.S.P.)。两年后，以Densit○R申请专利，并将其应用于实践。1986年，该公司在Densit○R基础上，布置密集的钢筋与纤维，研发了紧凑型增强复合材料(C.R.C.)。法国多家公司在90年代制造了UHPC。Bouygues公司用细密石英砂替代普通集料，制造出活性粉末混凝土(RPC)，其粒径最大0.4mm。之后，Bouygues、LaFarge和Rhodia三家公司合作开发了应用产品Ductal○R。其他种类的UHPC还包括Quillery公司研发的特种工业混凝土(BSI)和Vinci-Vicat水泥生产商的Béton Composite Vicat (BCV)。美国陆军工程师水道试验站针对防护结构，也研制出极高强混凝土(VHSC)，与RPC不同，其集料最大尺寸为4.75 mm[2]。

上述各国研制的混凝土在成分和养护条件上存在细微差别，在性能上有着共同点，人们统称为超高性能混凝土材料—纤维增强超高性能混凝土(UHPFRC)。法国土木工程协会总结出其共有特性有：抗压强度达到150 MPa以上；掺入纤维增强材料；集料为含有高含量粘结剂的细密骨料；直接抗拉强度达到7 MPa以上[3]。

2 超高性能混凝土的基本性能

2.1 力学性能

与普通混凝土相比，UHPC具有较高的抗压强度、抗拉强度、粘结强度、弹性模量、断裂能。此外，其裂缝更加细密，且宽度可以通过水灰比、纤维材料的含量来控制，因此，其应用范围更加广泛。

表1列出了三种UHPC以及C60混凝土、Q345钢材的力学性能[4-6]。表中的RPC200为法国Bouygues公司研究的活性粉末混凝土；Ductal○R-FM为Bouygues、LaFarge和Rhodia三家公司合作研发的活性粉末混凝土，FM为仅掺入钢纤维；BSI为 Quillery公司研发的特种工业混凝土，三者均为UHPC。

表1 UHPC与各种常用材料的力学性能

备注：1)比强度即抗压强度与比重之比；2)徐变系数与养护方法相关，只近似比较；3)表中“—”表示未搜索到相关数据。

据表1可知，UHPC的力学性质，与C60、Q345相比，有如下特性：

(1) 常规养护时，抗压强度为150～200 MPa，低于Q345钢材，却是C60的3～4倍。同时，UHPC的比强度明显高于C60和Q345。

(2) 抗拉强度为C60的3～4倍，弹性模量为C60的1.6倍。延性明显提高，刚度增加。

(3) 在纤维材料作用下，UHPC的断裂能达到了钢材的1/3，大于一般的金属材料，有足够的韧性保证其抗震性能。

(4) UHPC收缩徐变更小，收缩应变为C60的1/1.5；徐变系数为1/3～4。

此外，UHPC的抗压强度高、材料密实，因此与纤维材料、钢筋间的粘结强度高；UHPC有着良好的水密性，美国联邦公路调查局的Turner-Fairbanks实验室，进行了带UHPC铰缝的混凝土板在1～8t循环活载下的试验，9,000,000次循环后未出现渗漏或者退化。

2.2 耐久性能

耐久性是混凝土的一种重要性能，有多项指标。表2列出了UHPC及C60混凝土的总孔隙率、氯离子扩散深度、碳化深度、冻融剥落、吸水系数、磨耗系数指标。

表2 UHPC与C60的耐久性指标

注：碳化在120天1%的CO2浓度下进行。

根据表2可知，相较于普通混凝土，UHPC具有各项优异的耐久性指标。究其原因是：该类型混凝土水灰比低，并剔除了粗集料及优化了颗粒级配，保证了其密实度。此外，一定的养护条件下，其微观结构得以改善。

2.3 防火及抗冲击性能[7-8]

现实环境存在各种小概率的偶然效应。UHPC有着更为突出的防火、抗冲击性能，经常应用于安全防护工程。

Aarup,B.开展了C.R.C.的7天火烧试验，由于其硅粉含量高、氢氧化钙少，耐火性优于普通混凝土。

当UHPC暴露在火中时，由于其构造致密，高水压上升，这将导致混凝土结构性能的退化。纤维材料的掺入可以很好地解决该问题。一方面，纤维由于融化和燃烧可以提供毛细管孔；另一方面，形成纤维与水泥间的过渡区域。该区域将集料与水泥基联系在一起，渗透性增加，蒸汽压降低。此外，石英质化合物在573℃下会产生体积膨胀。试验表明，玄武岩代替石英可以解决该问题。

与纤维加强混凝土(FRC)类似，UHPC有很强的能量耗散能力。Bindiganvile等比较了UHPC与FRC在准静态加载下的性能，其抗冲击性能是FRC的2～3倍，吸收的能量达到3～4倍。

3 UHPC在桥梁工程中的应用

3.1 在装配式桥中的应用[9]

3.1.1 装配式UHPC肋板

鉴于UHPC的优异特性，越来越多的UHPC桥梁在世界各国建成。其中，装配式UHPC板材有着广泛的应用范围。

图1 爱荷华州Little Cedar Creek桥的华夫板图

图2 法国某钢-UHPC组合梁横截面布置图

美国爱荷华州Little Cedar Creek桥(如图1)，是一座装配式梁桥。预制的UHPC肋板，通过后浇UHPC铰缝，与I形梁伸出的钢筋连接件形成整体。全桥共有14块2.44 m×4.58 m肋板，其厚6.4 cm，肋高20.3 cm。

法国R&D工程MIKTI开展了UHPC在钢混组合梁桥中的应用研究，如图2所示。两根工字钢间距6.5 m，与多块2.5 m×12 m的肋板用剪力钉连接。预制肋板厚5 cm，肋高38 cm，肋间距60cm，并且张拉横向钢束。

UHPC肋板是一次极为成功的实践，也反映了UHPC对桥面板构造形式、施工方式的改变。与普通的C40混凝土板相比，UHPC板厚度只为其1/3，更为纤薄美观，利于吊装施工。同时优异的耐久性能，极大地延长了公路基建的使用寿命。由于UHPC的收缩徐变小，弹性模量高，其预应力损失更小。

3.1.2 装配式UHPC梁

目前，多座装配式UHPC梁桥相继在各国出现，其截面形式主要有I形、T形、π形、U形和箱形。

如图3所示，横跨法国A51高速公路的PS34天桥，是一座47.4 m跨径的预应力简支UHPC箱梁。箱形截面全跨等高1.6 m，顶板厚14 cm，腹板及底板厚12 cm。

图3 横跨法国A51高速公路的PS34天桥立面图

图4 美国Mars Hill桥立面图

美国爱荷华州Wapello县于2006年建造的Mars Hill桥，是北美的第一座UHPC公路桥，如图4所示。主结构为3片UHPC带马蹄T梁，跨径33.5 m，梁高1.14 m。与等跨径的普通混凝土T梁相比，梁高只有一半，而与爱荷华州1.14 m梁高标准T梁相比，UHPC截面更为纤薄，其顶板减小76 mm，底板、腹板减薄51 mm。材料用量的降低，意味着桥梁结构的跨越能力可以增大，同时减轻了吊装的工作量。

装配式桥梁一方面可以加快施工进度，另一方面保证了UHPC构件的质量。此外，UHPC降低了桥梁生命周期成本，虽然初期成本较高，而由于其耐久性好，后期养护维修成本低于现浇梁，且在交通量较大或者特殊环境的情况下，其优势更为明显。

3.2 UHPC连接缝

连接缝受力复杂，一直是制约装配式板梁桥发展的因素之一。国内外学者做了一系列研究，影响接缝性能的原因，包括材料、构造、设计理念、施工质量等几个方面。

材料上，UHPC与梁体混凝土间粘结性能更好，与钢筋的粘结强度更大，直径13mm钢筋的基本锚固长度为75 mm。因此，接缝的尺寸可以进一步优化，也降低了收缩徐变效应。在构造上，横向预应力提高了整体受力性能；设计中，UHPC铰缝有着更高的抗拉强度；且施工更为方便，无辅助钢筋，更少的现浇量，结构的质量更易于保证。

3.2.1 在纵向接缝中的应用

位于加拿大Ontario的Sunshine Cree桥，三片小箱梁架设后，通过UHPC湿接缝相连；纽约州Lyons市的31路桥，在多片T梁施工完成后通过UHPC湿接缝相连。

3.2.2 在横向接缝中的应用

图5 UHPC横向连接缝构造

如图5所示，UHPC横向接缝构造仅需在主梁伸出的受力筋间隙内，布置一定玻璃纤维钢筋后，直接浇筑UHPC，形成刚性端横梁，将多跨梁连成整体。

3.2.3 连接件后浇UHPC

图6是一座钢-混组合梁桥，位于美国Oneonta市的23号国道上，跨越Otego河。型钢主梁架设后，浇注UHPC接缝与主梁连接，桥面板与主梁协同作用。

图6 跨Otego河23号国道接缝构造

接缝混凝土既是桥面板间连接构造，又是组合结构中的传力部分。而UHPC有着强度高、弹模大、粘结性能好等特性，可以保证整体结构的受力性能。

3.3 桁架桥中的应用

图7 德国Grtnerplatzbrücke桥横断面图

与钢材相比，UHPC无需防腐措施，降低了养护成本。而且抗压性能远远高于普通混凝土材料，接近于钢材。简支桁架的上弦为受压构件，因此UHPC材料有极大的发展前景。

3.4 拱桥中的应用

首尔和平人行拱桥主跨120m，跨越汉江[11]。拱肋为Ductal○R的π形截面，截面高1.3 m，宽4.3 m。如图8所示，翼缘板厚3 cm，并张拉横向预应力。腹板厚16 cm，预留纵向预应力孔。全桥无普通钢筋，分成6块20 m长的节段，通过张拉预应力连接成整体。

图8 首尔和平人行拱桥横断面图

主拱圈以受压为主，同时要承担弯矩。与普通混凝土的120m上承式拱相比，UHPC主拱圈只有0.65倍左右，且更为纤薄。其抗压强度高、抗拉性能好、收缩徐变更小，是一种极佳的主拱圈材料。

3.5 斜拉桥中的应用

图9为韩国连接两栋办公楼的一座人行斜拉桥[12]，前梁为UHPC，板厚7 cm，普通混凝土的后梁板厚为18 cm。

图9 韩国办公楼人行天桥图

UHPC的比强度高，可以减小截面，本桥前、后梁巧妙的平衡就是一次成功的实践。

3.6 其他应用

UHPC强度高、粘结性能好、耐冲击、更耐久，是一种极佳的维修加固材料。

UHPC的耐磨性好，磨耗量不到普通混凝土的一半，是良好的路面及抗冲刷构件材料，在附属构件、特殊构件上也有应用。瑞士在Luaterbrunnen人行桥上应用了UHPC地砖；斯洛文尼亚在Log Cezsoski桥中使用了UHPC桥面铺装，两年后未出现损坏、开裂和剥离。

UHPC也可以制作成锚垫板、索鞍等构件；瑞士将其用于桥墩及防撞护栏的防护层。UHPC有着优异的抗冲击性能，其优异的耐久性能，在海洋环境中有着特殊优势。

4 结 语

UHPC材料优异的力学性能、耐久性能及防火抗冲击性能，使得UHPC桥梁结构的跨越能力更大、截面更纤细美观、后期维护成本更低、使用寿命更长。国外已将其广泛应用于装配式梁桥及接缝结构中，而且在更大跨径的桁架梁、上承式拱及斜拉等人行桥中也有使用。

目前，国内主要在铁路桥梁中有过应用，例如桥面道板、T形梁，但缺乏系统的研究。因此，还需要开展进一步的性能试验、构件设计及应用研究，指导UHPC在更大跨度桥梁中的应用。

我国海域面积大、岛屿多，多个跨海工程正在规划当中。而致密的UHPC有着优异的抗渗性、抗侵蚀能力，所以在近海桥梁工程领域有着巨大的应用价值与潜力。另外，其抗冲击能力较强，UHPC材料在通航桥梁的桥墩防护措施等安全工程中有着更为广阔的应用前景。

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Ultra-High Performance Concrete and Its Application in Bridge Engineering

HU Xiao

(Traffic Engineering Quality Supervision Station of Zhoushan Dinghai District,Zhoushan 316000,China)

Compared with ordinary concrete, ultra-high performance concrete has excellent mechanical properties and durability. So far, UHPC development has only 30 years old, with wide range of application in civil engineering structures. Based on international and domestic research results, this paper summed up the UHPC type, origin and basic performance. Its practical application in various components of the bridge engineering was introduced and analyzed. Prospects and future research directions of UHPC in bridge engineering were sumarized.

ultra-high performance；concrete;bridge engineering

2014-08-11

胡 晓(1982-)，男，浙江定海人，工程师，E-mail：173958346@qq.com。

TU528.57

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.005

1671-234X(2014)03-0022-06