超高性能混凝土在桥梁工程中的应用

马 斌, 陈晓飞, 丁志文, 陈 利, 李斌成

（中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000）

超高性能混凝土（UHPC）是近30年来从混凝土力学性能和耐久性角度发展起来的最具创新性的水泥基结构工程材料之一。第一代超高性能混凝土CRC(Compact-Reinforced Composite)诞生于丹麦奥尔堡[1-2]。CRC以烧结铝土矿为骨料，掺入钢纤维以提高材料的韧性。受当时高效减水剂性能的影响，CRC或早期UHPC由于其自身的缺陷，很难通过振动达到令人满意的均匀性粘度。随着设计原则的改进和高效减水剂(聚羧酸)的引入，UHPC自密实混凝土的施工性能与早期的CRC或RPC相比有着共同的特点[3-4]。

1 UHPC的组成

UHPC的材料成分包括：（1）水泥；（2）级配良好的细砂；（3）石英砂；（4）硅灰和其他矿物掺合料；（5）钢纤维；（6）高效减水剂。去除粗集料可以改善UHPC的均匀性和内部结构。采用级配良好的细砂、石英砂和硅灰改善了UHPC的高密度，降低了UHPC的孔隙率。此外，钢纤维具有不同的拉应力，有效减缓了混凝土裂缝的发生。为了减少掺水量，提高混凝土强度，掺入大量高效减水剂，但要注意掺量，避免混凝土的缓凝。

超高性能混凝土的配合比是一个重要的研究课题。世界上不同地区在水质、水泥、硅灰等混合物方面都有各自独特的特点，钢纤维由于制备技术水平的高低可能有所不同。此外，不同地区的环境也会影响UHPC的最佳配合比[5]。因此，为了获得理想的UHPC材料性能，有必要通过不同地区的试验确定最佳配合比，避免直接使用现有的配合比数据。这可能是制约超高强混凝土在桥梁工程中广泛应用的重要因素之一。

固化温度对UHPC材料的性能也有影响。常用的养护方法有三种：室温养护、90℃左右高温养护和200℃蒸汽养护[6]。一般而言，室温养护下UHPC的强度比90℃高温养护低10%～30%。200℃以上的蒸汽养护可获得较高的强度，但由于设备有限，一般采用前两种养护方法。

2 UHPC的材料性能

与普通混凝土相比，UHPC具有许多优点。包括机械性能和耐久性。

2.1 压缩性能

UHPC混凝土在力学性能方面的优势主要体现在抗压方面。虽然钢纤维含量和养护条件对其强度有影响，但其极限抗压强度基本可以保持在100MPa以上。试验的UHPC单轴抗压强度可达176.9MPa，与数值模拟分析结果一致[7-8]。许多研究积极探索符合区域条件的UHPC匹配方案。在我国，加入粗集料的极限抗压强度已达到170.3MPa。

影响UHPC抗压强度的主要因素有蒸汽压力条件、固化时间、纤维含量、试样几何尺寸、加载速率等，在未经处理的情况下，UHPC的平均抗压强度仍显著高于普通混凝土，且UHPC的抗压强度有显著提高，蒸汽养护对UHPC强度的形成有着非常重要的影响。但在实际应用过程中，高温固化难以实现，而采用常温固化则面临着材料强度的浪费[9]。因此，如何在室温固化条件下制备出足够强度的UHPC，对UHPC的推广应用具有重要影响。

2.2 力学强度

桥梁施工中一般不考虑混凝土的抗拉性能。但加入钢纤维后，UHPC的拉伸强度有所提高，且在拉伸后仍能保持一定的拉伸应力。研究表明，当钢纤维含量控制在3%左右时，UHPC的拉伸强度和弯曲强度与钢纤维含量成正比，钢纤维含量对材料强度影响明显。不同类型的钢纤维也会影响UHPC的拉伸性能[10-11]。此外，端钩钢纤维比其他类型的钢纤维更有优势。钢纤维的加入提高了UHPC的断裂能，大大降低了混凝土的脆性。构造钢筋与钢纤维的组合可以优化构件形式，提高桥梁结构的安全性。

通常，通过直接拉伸强度试验获得的UHPC（无纤维）的平均拉伸强度为7～10 MPa。日本规范中的平均抗拉强度值建议为5 MPa，而法国SETRA/AFGC规范中的直接抗拉强度和弯曲强度值分别为8MPa和8.1MPa 。另一方面，UHPFRC（包括纤维）的抗拉强度通常较高，范围为7～15 MPa。

2.3 耐久性

UHPC具有很低的水胶比、较高的堆积密度和较低的孔隙率，因此在应用中可获得较高的抗有害介质侵蚀性、较低的渗透性和较好的耐磨性能。有研究学者在硫酸铵、硫酸钙、乙酸、硝酸盐和海水的环境中测试了UHPC的耐久性能。试验结果非常令人鼓舞，因为UHPC构件没有重量和强度损失。UHPC在抗氯离子渗透性、抗碳性和耐磨性方面均优于普通混凝土[12-13]。因此，在特殊环境条件下（特别是腐蚀性环境下）具有广阔的应用前景。

3 UHPC在桥梁工程中的应用

3.1 袁家河大桥

该桥是中国第一座采用UHPC PI梁的组合梁桥。桥跨22m，桥宽17.75m，截面布置7根UHPC预制PI梁。整体式UHPC预制PI梁宽2.5m，高0.93m，腹板厚度10cm，顶板最薄处仅5cm。超高强混凝土梁的自重仅为相同截面传统空心梁的一半。因此，UHPC预制PI梁的吊装时间可大大缩短，每根UHPC梁的平均吊装时间仅为21.5分钟。此外，由于桥梁上部结构重量较轻，可以减少永久荷载作用在下部结构桩基上的应用，也可以减少施工中使用的材料和施工难度。因此，整个桥梁建设的总成本不会大幅增加。该工程在我国未来快速城市桥梁建设中具有巨大的应用潜力。

3.2 UHPC在桥梁连接件中的应用

为了实现一个安全、持久的公路交通系统，必须考虑桥梁的各个部分，包括连接件（如横向和竖向连接件、可伸缩连接件等）。在桥梁工程中，为保证连接性能，传统的预制构件连接方法需要复杂的细部钢筋结构，这增加了连接区域的施工难度。UHPC材料具有高抗压强度、高抗拉强度、低蠕变、高耐久性等特点，为预制桥梁体系的连接设计和施工问题提供了解决方案之一[14]。UHPC可以简化连接区域钢筋的细节，从而提高构件的可施工性，简化现场装配过程。UHPC材料允许使用小型、简单的连接，同时提供更好的整体性能。

3.3 UHPC在桥面铺装中的应用

桥面铺装属于桥梁结构的直接磨损部分，不仅受车辆摩擦的影响，还受雨水冲刷和热膨胀的影响。近年来，随着我国交通荷载的不断增加，桥面铺装层的使用寿命急剧下降，一些研究者考虑用UHPC材料代替传统的铺装材料来缓解这一问题。

3.4 榕江大桥

榕江大桥为60m+70m+380m+70m+60m双塔双索面组合梁斜拉桥，中跨为520m钢箱梁，边跨为60m+60m预应力混凝土箱梁大梁路面层采用SMA沥青混凝土（SMA-13），下层先采用环氧沥青混凝土（EA-10），但效果不明显。然后在钢主梁上铺设一薄层UHPC层，将钢箱梁改造成STC组合连续梁结构，这种设置大大提高了桥面铺装的韧性和耐久性。

3.5 虎门大桥

正交异性钢桥面板具有承载力高、整体性好等优点，在大跨度钢桥中得到了广泛的应用。然而，铺装层的缺陷成为制约其发展的重要因素。以虎门大桥桥面改造工程为背景，进行了静载试验和疲劳荷载试验。试验结果表明，UHPC路面未出现明显裂缝，实测应力数据及其它损伤指标也未超过材料强度承载力。试验结果表明，UHPC用于桥面铺装具有良好的性能。

4 超高强混凝土在大跨度桥梁中的应用前景

目前，大跨度桥梁出现的裂缝类型主要有：（1）预应力混凝土连续箱梁的一般挠度和裂缝；（2）钢桥面铺装和桥面结构裂缝；（3）钢-混凝土组合梁负弯矩区混凝土裂缝。

大跨度桥梁混凝土梁的挠度和裂缝效应一直是一个严重的问题。目前，学者们提出了单向预应力UHPC薄壁连续箱梁结构来解决这些问题，并对UHPC连续箱梁桥进行了概念设计。研究表明，这种新型超高强混凝土结构能有效地减少梁桥的裂缝和挠度。采用抗拉强度很强的UHPC代替传统的混凝土作为桥梁体系，可以大大提高桥面的刚度，显著提高铺装层的应力，降低钢结构的疲劳应力，有效减少裂缝[15-16]。

近几十年来，大跨度桥梁设计与施工技术的发展日新月异。结构设计和施工中的创新往往与新材料的应用有关。UHPC在这方面有很大的潜力。

5 UHPC其他方面的研究

5.1 抗震性

UHPC材料具有优越的力学性能，可以提高桥梁结构的抗震性能，用UHPC材料增强桥梁结构的抗震性能具有很大的潜力。

UHPC自应用于桥梁工程以来，其抗震性能一直受到众多研究者的关注。在MCEER（美国地震工程研究多学科中心），研究人员进行了试验研究，以评估两个预制桥面球头T梁与现场浇筑UHPC连接的抗震性能。通过一系列振动台试验结果，可以得出结论，短直钢筋超高强混凝土连接在高水平地震荷载下具有足够的抗震性能。

5.2 防爆抗冲击性能

UHPC的特性还包括在防爆和抗冲击方面的显著优势。研究表明，与普通钢筋混凝土柱相比，超高强混凝土柱的塑性损伤和水平位移小得多。因此UHPC柱具有较好的防爆性能[17]。

有研究学者测试了不同UHPC目标的穿透深度和爆炸损伤。结果表明，纤维增强高性能混凝土具有较好的抗爆性能。并利用非线性有限元显式动力分析软件建立了数值分析模型。结果显示，柱的抗弯能力和抗剪强度是提高抗爆能力的重要手段，还分析了材料组成、试验方法、加载方式和应变速率对UHPC冲击性能的影响。

6 结语

UHPC材料具有优良的力学性能和耐久性，可以改善桥梁构件接缝的连接完整性，减少桥面铺装的变形和裂缝问题，提高桥梁的承载能力。但目前仅用于中小型桥梁或人行天桥。UHPC可望用于解决常规预应力混凝土连续箱梁的一般挠度和裂缝、钢桥面铺装层的损伤和钢结构的疲劳裂缝等问题，钢-混凝土组合梁负弯矩区混凝土裂缝及与大跨度桥梁相关的一系列具有挑战性的问题。尽管现阶段UHPC材料成本较高，养护要求高，设计规范缺乏，但越来越多的研究者、桥梁专家们认识到了其在桥梁工程中的应用潜力。对UHPC的制备工艺、材料性能、结构设计方法和性能指标等方面的深入研究，将促进UHPC的广泛应用，降低材料成本。