超高性能混凝土在桥梁工程中的应用研究

黎均权

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

众所周知，桥梁工程是公路工程建设中的重要组成部分，一定程度上制约着交通基础建设的发展。混凝土以就地取材、生产耗能低、工艺简单、适应性强等优势，以及良好的结构性能和经济性能，成为桥梁工程中的重要结构组成材料，被广泛应用于公路桥梁建设中。大量工程实践表明，随着混凝土结构使用时间的延长，其各项力学性能均出现了“老化”甚至是“病害”等耐久性问题，致使混凝土结构寿命和结构安全度降低，严重影响结构的正常使用与运行，甚至造成了巨大的经济损失[1]。随着国内外大跨度桥梁以及特种结构的迅猛发展，对混凝土的各方面性能提出了更高的要求。因此研究发展具有超高强度、超高韧性和超长耐久性特点且维护少的混凝土成为一个亟待解决的关键问题。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一种高强度、高韧性、高耐久性的新型纤维增强水泥基复合材料，其力学性能和耐久性能也明显优于普通混凝土(OC)和高强混凝土(HSC)，且具有良好的工作性能、抗疲劳性能以及高环保性的特点[2-3]。基于这些优良的材料特性，UHPC具有很高的工程应用价值，且比OC和HSC具有更大的优越性和更广阔的应用领域，可应用于建筑工程、桥梁工程、港口和海洋工程、市政工程、隧道及地下工程、水利工程及核废料隔离与控制等诸多工程领域[4]。本文研究UHPC的基本力学性能、耐久性能和工程应用概况，以期为国内UHPC进一步的实际推广和桥梁工程应用提供参考。

1 UHPC的力学性能

UHPC依据最紧密堆积理论进行设计，采用低水胶比，通过掺入高活性的矿物掺合料以及采用高温养护激发矿物活性，辅以钢纤维的掺入，使UHPC的孔隙率显著降低，显著提高基体的密实度，从而获得极高的强度[5]。UHPC、高强混凝土(HSC)和普通混凝土(OC)的性能指标对比如表1所示。从表1中可以看出，UHPC的抗压强度、抗弯拉强度和弹性模量均明显优于HSC和OC。此外，UHPC本身致密的结构和钢纤维的掺入，使得UHPC基体与钢纤维之间的粘结性能和断裂后应变硬化性能得以显著提高，在一定掺量范围内，UHPC的极限粘结强度与钢纤维掺量呈良好的线性关系，UHPC的极限粘结强度随着钢纤维掺量的增加而增大[6]。杨久俊等通过研究发现，在掺入适量的钢纤维后，UHPC的韧性有效提高，断裂性能则增大了34倍，具有极高的断裂韧性[7]。

表1 RPC200与HSC的性能对比表[8]

虽然UHPC具有优异的力学性能，但UHPC性能影响因素较多，其影响因素主要有胶凝材料的矿物组成与颗粒级配、水胶比、钢纤维的几何尺寸与掺量、养护条件等，不同因素的影响机理和程度也各不相同[9]。例如，Yu通过研究发现，在一定掺量范围内，随着钢纤维掺量的增加，UHPC的抗压强度逐渐提高，且UHPC抗压强度的增加速率与钢纤维掺量呈良好的线性关系，即随着钢纤维掺量的增加而增加[6]。Kazemi和Lubell[10]通过研究两种不同尺寸试件在不同掺量钢纤维下对UHPC抗折强度的影响，其测试结果如图1所示。从图1中可以发现，相比于未掺入钢纤维的UHPC，掺入4%钢纤维的UHPC其抗折强度提高了近两倍以上。黄政宇等[11]通过试验研究发现，养护制度对UHPC抗压强度有着显著的影响，在热水养护条件下，UHPC的抗压强度可达170 MPa，而在高温养护条件下则达到200 MPa以上，认为其影响程度与砂胶比、水灰比和钢纤维掺量有关。另外，PR Prem等[12]研究结果表明，在常温水养护、热水养护和蒸汽养护等不同养护条件下，UHPC的抗压强度在热水养护条件下其力学性能表现为最优。这主要是由于随着养护温度的提高，UHPC基体内部水泥水化反应机理发生变化，有助于快速生成致密的水化产物，加上基体内部活性矿物掺合料的微集料填充效应和晶核效应，有效填充基体内部的空隙，显著改善基体的孔隙结构，降低基体的孔隙率，极大提高基体的密实度。如图2所示，随着养护温度的提高，UHPC基体的孔隙率显著降低，当养护温度从20 ℃升到180 ℃时，UHPC的孔隙率约降低了64%[13]。混凝土的孔隙率与抗压强度呈线性关系，随着孔隙率的降低，混凝土的抗压强度逐渐提高。

图1 钢纤维掺量对UHPC抗折强度的影响曲线图[10]

图2 养护温度对UHPC孔隙率的影响曲线图[13]

因此，在实际工程应用中，应准确把握UHPC的制备原理及其影响因素，克服制约UHPC实践工程应用的影响因素，提高施工工艺水平，使其更加广泛而成熟地应用于桥梁工程建设中，将有助于显著提升桥梁工程建设的质量。

2 UHPC的耐久性

2.1 抗氯离子渗透性

混凝土的抗氯离子渗透性能是评价混凝土耐久性能的重要指标之一。混凝土中的氯离子迁移是引起钢筋锈蚀的重要原因，当氯离子浓度超过一定的阈值，则钢筋上的钝化膜将会被破坏，在一定条件下钢筋将会被腐蚀，从而降低结构的安全性能，导致严重的工程问题。

研究人员通过测定氯离子扩散系数来评价混凝土抗氯离子渗透性能，氯离子扩散系数越小，混凝土的抗氯离子渗透性能越高。国外学者Roux等[14]通过试验测得C30、C80和UHPC的氯离子扩散系数分别为1.1×10-13m2/s、6.0×10-13m2/s和0.2×10-13m2/s，UHPC的氯离子扩散系数比OC要高出一个数量级。Thomas等[15]通过试验测得UHPC的氯离子扩散系数为1.3×10-13m2/s；Dobias等[16]同样通过试验，测试不同条件下的UHPC试件，发现所有UHPC试件的氯离子扩散系数均低于1.4×10-13m2/s。国内学者安明喆等[17]通过试验，测得UHPC和HSC的氯离子扩散系数分别为2.22×10-13m2/s和15.44×10-13m2/s，UHPC的氯离子扩散系数明显要低于HSC；此外，未翠霞等[18]利用NEL-PD型电测仪分别测定了UHPC和C60混凝土的氯离子扩散系数，测试结果表明UHPC的氯离子扩散系数远低于C60混凝土，仅为C60混凝土的1/6～1/5。由此可见，UHPC的氯离子扩散系数均很低，基本处于10-13m2/s的数量级甚至更小，明显低于HPC和OC，表现出优异的抗氯离子渗透性能。

2.2 抗碳化

未翠霞等[18]通过研究发现在进行碳化试验28 d后，在大掺量粉煤灰活性粉末混凝土中并未观察到碳化现象，而C80混凝土的平均碳化深度为1.37 mm。UHPC试件放在二氧化碳环境中养护90 d后，在UHPC试件中也没有观察到碳化现象；而在二氧化环境中碳养护6个月后，观察到碳化深度也仅为0.5 mm[19]；碳化1～3年后，UHPC试件的碳化深度也仅约为1.5～2.0 mm，比HSC和OC低2.5～4.5倍[20]。此外，卡塞尔大学对活性粉末混凝土和超高性能混凝土在90 ℃低压蒸汽养护下进行长期的碳化测试，UHPC在二氧化碳环境中养护3年后，UHPC的最大碳化深度也仅为1.7 mm。由此可见，相比于HSC和OC，UHPC拥有更为优异的抗碳化性能。碳化是一个扩散过程，CO2侵入混凝土毛细孔隙系统，与混凝土内部水化产物反应，使混凝土内部丧失高碱性环境。当碳化深度超过混凝土的钢筋保护层时，钢筋钝化膜将受到破坏，钢筋就会发生锈蚀，从而影响结构的安全度。混凝土的抗碳化性能越强，越有利于延长混凝土结构的服役寿命和使用寿命，降低其运营成本。

2.3 抗冻性

杨吴生等[21]通过对UHPC的耐久性能研究中发现，经300次冻融循环后UHPC的耐久性系数≥100，说明UHPC具有极好的抗冻性能。此外，学者们通过研究发现，经过300次冻融化循环后，检测发现UHPC试件中并没有发生很大的质量损失，几乎为零；经过600次冻融循环后，UHPC的耐久性系数≥100，且由此引起的质量损失也几乎为零；甚至在经过800次冻融循环后，UHPC试件中也没有观察到冻融破坏现象[22-24]。此外，学者通过研究UHPC试件经过冻融循环后的相对动弹性模量的变化情况，发现在经过1 000次冻融循环后，普通混凝土、高强度砂浆和UHPC的相对动弹性模量分别下降了61%、22%和10%，UHPC的抗冻性能优于前两者[25]；但在300～1 500次的冻融循环作用下，UHPC试件的相对动弹性模量基本没有改变，这说明了UHPC具有优异的抗冻性能[26]。冻融循环是寒冷地区混凝土结构恶化的主要原因，混凝土在接触水又受冻的环境下容易发生冻融破坏，导致混凝土表层剥落、开裂、强度降低乃至破坏。而由此引起的工程问题和经济损失不容忽视，解决这一问题的主要措施就是提高混凝土的密实度，最大限度地降低孔隙率，减少内部的连通孔隙。UHPC具有很低的水胶比，拌和时水几乎能完全反应，混凝土内部几乎没有多余水分，而且结构致密均匀，孔隙率低且孔径小，致使外界水分难以进入，加之自身强度非常高，抵御冻融循环破坏性能非常强，因此，UHPC的应用将有效减少混凝土结构的冻融病害问题。

2.4 耐腐蚀性

杨吴生等[21]将养护后的UHPC试件分别置于自来水和人工海水中浸泡180 d后发现，UHPC的抗压强度和抗折强度并没有降低，说明UHPC并未受到侵蚀。叶青等[27]通过研究也发现UHPC混凝土的抗化学侵蚀能力明显优于HSC。此外，未翠霞等[18]通过对大掺量粉煤灰活性粉末混凝土进行耐硫酸盐侵蚀试验，发现大掺量粉煤灰活性粉末混凝土具有优异的耐硫酸盐侵蚀性，认为其主要原因是：大量粉煤灰的掺入保证了其流动性能，且粉煤灰与硅灰的火山灰效应使得水泥石中Ca(OH)2的含量减少，改善了集料与水泥石界面结构，Ca(OH)2在界面富集和结晶定向排列的问题得到解决，形成了致密的内部结构，从而大大提高抗渗性能，进一步阻止了硫酸盐溶液侵蚀作用。国外学者Pierard等[28]将UHPC试件放在硫酸盐溶液中浸泡500 d后，发现UHPC试件也未发生侵蚀和破坏，表明UHPC具有很强的抗腐蚀性能。

3 UHPC在桥梁工程中的应用

结合目前公路桥梁发展情况来看，中小跨径桥梁的上部结构形式主要以小箱梁、T梁和空心板为主，由于普通混凝土自身材料性能的限制，桥梁断面尺寸一般较大，结构自重在桥梁总荷载的占比大，尤其是在大跨径混凝土箱梁桥中更为明显，给人以笨重感，缺乏美观。此外，在运营较长时间后，混凝土梁桥表现出较多的病害，如梁体开裂、主跨挠度过大、钢筋锈蚀等，致使桥梁结构功能退化，安全度降低，严重影响结构的正常使用[29-31]。

基于UHPC优异的力学性能和耐久性能，UHPC不仅能显著减少混凝土用量，降低桥梁自身重量，且其抗折强度相对较强，相比于普通的混凝土桥梁能承受更大的弯曲和拉力，即使是受力开裂之后，仍具有相对较好的抗拉性能。因此UHPC不仅能显著提高桥梁的承载能力，减少桥梁的变形，提高桥梁的安全性和可靠性，而且提高了桥梁的经济效益和社会效益，尤其是在大跨度桥梁的应用中这种优势更为明显[29]。据不完全统计，截至2016年年底，世界各国应用UHPC材料而建成的桥梁已超过400座，其中采用UHPC作为主体结构材料的超过150座。

UHPC在桥梁工程中的主梁、华夫板、湿接缝连接、旧桥加固等方面的应用取得了良好的经济效益，且在世界各国桥梁工程中的应用越来越成熟、广泛。UHPC桥梁在充分利用UHPC材料的高强度和高耐久性情况下，可以有效减少桥梁的断面尺寸，从而显著降低桥梁结构的自重(结构自重仅为普通混凝土结构的2/5～3/5倍)，进而提高桥梁结构的跨越能力[29，32]。超高性能混凝土与普通混凝土之间的性能对比如表2所示，从表中数据可以看出UHPC各方面的性能指标均明显优于普通混凝土，说明UHPC拥有非常优异的断裂韧性性能和变形性能，能显著改善桥梁结构的抗震性能，提高结构的抗震能力[32]。同时，由于自身非常高的强度和优异的耐久性能，UHPC可以优化结构的配筋甚至取消普通钢筋的配置，一定程度上简化了桥梁的施工工艺，有效延长桥梁的服役寿命，降低结构的生产成本和运营维护成本，更有助于结构的装配化施工，在桥梁工程中具有广阔的发展前景。UHPC的推广与应用将有效解决现有桥梁结构中难以解决的技术问题，如因主梁或板的横向连接构造失效而产生的单梁(板)受力问题、大跨径预应力混凝土箱梁桥的梁体开裂和主跨挠度过大的问题，以及桥梁在运营过程中出现的各类耐久性问题等，这对于提升我国的桥梁设计质量、设计水平具有重要意义。

表2 超高性能混凝土与普通混凝土之间的一般技术指标典型值对比表

4 结语

UHPC作为一种具有高强度、超高韧性和超长耐久性的新型建筑材料，不仅能满足桥梁工程在结构和跨径等方面的需求，有效减少桥梁结构的自重，降低建筑材料的用量，提高桥梁的安全可靠性，而且在恶劣的环境中也具有良好的适应能力，有效延长桥梁结构的使用寿命。UHPC的推广及应用对于解决现有桥梁结构中难以解决的诸多技术问题具有重要意义，更有助于推动桥梁工程行业的发展，在桥梁工程中具有广阔的发展前景。虽然国内外学者对UHPC在桥梁工程方面进行了许多的研究，也取得了许多重要的成果，但在UHPC的实际工程应用上仍旧缺乏系统而深入的研究，更缺乏相应具有指导性的工程规范或应用指南。今后应加强推广UHPC在桥梁工程上的研究与应用，在借鉴国内外先进经验的同时，有效结合工程实例展开技术专题研究，积极完善其相应的技术标准、应用指南或工程规范，为UHPC在桥梁工程的建设提供可靠的理论指导，推动桥梁工程行业的不断发展与进步。