桥梁施工中高性能混凝土的应用研究

赵睿

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

在当前的桥梁工程建设过程中，为适应不同的使用功能要求，作为最常用的施工材料，对混凝土提出了更严格的要求，这就要求在实际施工中采用高性能混凝土，但高性能混凝土和传统混凝土在很多方面都存在较大差异，需要在各个阶段中引起重视，以此保证高性能混凝土施工质量，达到预期的功能目标和效果。列举了高性能混凝土的特点以及在工程项目中的应用推广。

1 高性能混凝土

高性能混凝土最早出现在20世纪80年代末，典型代表为高强度、高流动性与高耐久性混凝土，具体可分成以下几种类型：其一，无须进行振捣的混凝土；其二，高强度混凝土；其三，高耐久性混凝土。相较于传统混凝土，高性能混凝土在配合比设计中采用了不同的思路，即高性能混凝土将耐久性作为主要技术指标之一，在实际的配合比设计和生产配制过程中满足不同阶段对混凝土性能提出的要求。处于塑性期时，高性能混凝土将表现出极为优异的性能，当拌和水量为170～180kg/m3时，高性能混凝土实际坍落度不低于240mm，但传统混凝土通常不超过50～70mm[1]。因高性能混凝土还有突出的自密性特点，所以浇筑成型十分方便和容易，基本不需要进行振捣，在没有采取严格保证措施的情况下，也可以形成密实度极高的混凝土，强度也能不断增加，为更多新型结构设计创造了便利条件，即便在截面形状较为复杂且钢筋布置较为密集时，也不需要对高性能混凝土进行振捣，依靠自身具备的填充性成型，可以在振捣设备使用受限的情况中使用，极大地减轻工作人员自身劳动强度，实现对劳动条件的有效改善。另外，在高性能混凝土当中加水后连续搅拌90min 的时间，依然可以保持优异工作性能，这对现场施工，特别是夏季施工极为有利。在混凝土不断硬化的过程中，高性能混凝土中基本不会产生由于干缩或水泥的水化反应造成的初始裂缝，如果混凝土内部存在这些裂缝，除了会导致结构外部产生不同程度的破坏，还会导致内部钢筋发生锈蚀，导致结构产生早期破坏。

在混凝土施工阶段，相较于用水量一致，且掺有高效减水剂等外加剂的普通混凝土，相较于高性能混凝土，不论干缩量或真空失水量，都有很大程度的减少，特别是后者，能减少近一半，说明高性能混凝土内部孔缝被明显减小，表现出良好抗渗性，最终起到提高耐久性的作用。高性能混凝土的出现无疑是混凝土材料重要突破，在实际工程中大量应用将带来很大效益[2]。

2 UHPC 高性能混凝土

UHPC 高性能混凝土的设计理念是最大堆积密度理论，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积。UHPC 是一种新型高性能水泥复合材料，具有超高耐久性和力学性能，UHPC 是采用优化级配的细骨料、高标号水泥、超细高活性矿物参合料、微珠超细粉以及特殊的有机化学添加剂等材料在UHPC 结构体系中产生多级填充效应。通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（空隙与裂缝）减小到最少，以获得更高的强度和耐久性[3]，见图1。

图1 UHPC 组成结构

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洁度，外界有害介质很难侵入UHPC 中，冻融循环、海洋环境、硫铝酸盐腐蚀和碳化下，能够耐受各种有害物质渗透到基体内部，有效抵御环境破坏，例如：冻融、雨雪、火、冰雹，可以暴露在各种侵蚀环境下。

2.2 强度高

高性能混凝土国际上系指抗压强度在150MPa 以上，并具有高韧性，高耐久性的水泥基复核材料的统称，普通混凝土的抗压强度差不多在15～60MPa。而UHPC 高性能混凝土抗压强度可达到200MPa 以上[4]。

2.3 工作性、可持续性高

由于UHCP 中分散的细钢纤维可大大减缓材料内部的微裂缝的扩展，从而使材料表现出高韧性和延性。质量轻尺寸大，造型多样，工期短后期维护方便。可做平板、曲面、镂空等各种造型。特别是在市政项目，注重景观，外观的项目运用较多[5]。

2.4 抗压性能

提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强度与高耐久性。提高组分的细度与活性，不使用骨料，使材料内部的缺陷（空隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强度和高耐久性[6]。

3 高性能混凝土桥梁方案研究

云南某高速公路项目，场区位于横断山脉南段，横断山脉与云贵高原分界段，海拔1707.4～1792.4m，相对高差85.0m。地貌类型属侵蚀堆积山间盆地地貌，桥位跨越盆地地带，根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）查得测区地震动反应谱特征周期为0.45s，地震动峰值加速度为0.20g，场区地震基本烈度为VIII 度。云南处于高地震烈度区，局部地区有活动断层，且地质条件较为复杂[7]。

在该项目某特大桥中，提出了采用钢-UHPC 高性能混凝土组合梁的形式。由于此桥地势平坦，穿越基本农田，跨越等级道路、河沟等。在方案阶段提出了预制小箱梁、钢混组合梁、钢-UHPC 组合梁的方案。对30m 跨径的预制小箱梁、钢混组合梁、钢-UHPC 组合梁的上部结构自重及经济性进行了对比见表1：

表1 上部结构自重及经济对比表

由表1 可知，钢-UHPC 组合梁具有自重轻，耐久性高、强度高等有点，特别是处于高地震烈度区的桥梁有一定的好处，可以减轻地震作用效应，由于UHPC 高性能混凝土自重轻，可以有效减小下部结构尺寸。UHPC 高性能混凝土不仅强度高，抗渗透、碳化、抗冻融、腐蚀，耐久性优于普通混凝土。由于桥位区域有两条活动断裂层，桥区地震基本烈度为VIII 度且地质条件较差，双层桥地震作用效应明显，为加抗震设防设计，对预制小箱梁、钢-UHPC 组合梁进行分析，得到E2 地震作用下的内力如表2。

由表2 可知，钢-UHPC 组合梁由于上下部尺寸和自重大幅度下降，结构轻盈，使地震作用效应大幅下降，其中墩底控制性弯矩减少40%，盖梁弯矩和支座横桥向位移减少50%以上，桥梁抗震安全得到提高。

表2 E2 地震作用下的内力对比表

4 高性能混凝土材料选择与施工养护

4.1 材料选择

同时要实现混凝土的高性能化，除选择优质、合适的组成材料外，各项组成材料的掺入比例及混凝土的配合比设计工作也至关重要。对高性能混凝土进行生产配制时，要以工程实际要求为依据，结合环境条件确定适宜的原材料类型及质量。保证各类原材料技术性能与质量达到要求是使高性能混凝土有良好和性能的关键，在设计阶段必须引起相关人员的高度重视。高性能混凝土配合比参数要以强度、耐久性和流动性要求为依据确定[8]。

4.2 施工运输

将高性能混凝土生产制备完成后，应尽快运送，并在运输到场后尽快进行浇筑。在运送和浇筑高性能混凝土的过程中，应尽量减少或彻底避免离析现象的发生。高性能混凝土的运输与浇筑都应严格按照预定方案实施；进场的混凝土在经过检查确认质量合格、没有离析现象时才能用于浇筑[9]。

4.3 养护

养护对混凝土有关键的作用，直接影响混凝土的性能，高性能混凝土早期强度增长较快。采用多种养护技术才能有力保障混凝土的强度和耐久性能。在冬季与炎热的季节，应制定合理有效的保温措施，使养护过程中混凝土内外部温度差在20oC 以内[10]。在混凝土的强度达到模板拆除要求，同时内外部温差及表面和环境气温之间的温度差在20oC 以内后，即可开始拆模[11]。

5 高性能混凝土应用

目前国内外已经有很多项目应用了UHPC 高性能混凝土。UHPC 高性能混凝土在桥梁工程中的应用，可以优化桥梁结构尺寸、增大跨径、增加承载力、耐久性和寿命周期的同时保持较小的变形，跨海、跨江大桥桥墩采用UHPC 高性能混凝土耐久性好，抗海水侵蚀。

兴义环高项目峰林特大桥，桥面板为混凝土预制桥面板，长宽方向尺寸远大于厚度方向，考虑加工及运输过程中可能存在的开裂问题，因此采用C60 玄武岩纤维混凝土。玄武岩纤维混凝土的应用有效解决了预制桥面板易开裂的技术难题。重遵高速项目桐梓隧道地质特点：特长隧道、煤系地层、瓦斯、弱碱水（碳酸盐和硫酸盐），高覆盖层导致高应力段等因素，把喷射混凝土设计为抗高应力、抗弱碱水破坏、抗渗漏（漏水漏气）、抗燃烧的高性能喷射混凝土。

6 结语

高性能混泥土的发展与推广是未来必然的趋势，推广应用高性能混凝土是对工程设计、混凝土生产、施工、养护、验收多个环节全面、系统的提升。UHPC高性能混凝土承载能力高，耐久性高，工作性能高，且自重轻可以减少钢材的使用，结构轻盈，使地震作用效应大幅下降，随着技术的进步与成熟，相关制度与规范的完善，标准化、工厂化的UHPC 高性能混凝土将具有很高的工程应用价值。

综上所述，高性能混凝土是一种全新的混凝土技术，该技术的应用能提高工程混凝土结构技术性能，改善质量，提高强度和耐久性。以上对高性能混凝土特点及其在桥梁工程中的应用进行分析和总结，旨在为相关工作人员提供参考依据，保证高性能混凝土在桥梁工程中的应用发挥出应有的作用。