超高性能混凝土在公路工程应用中的研究进展

■缪荣辉

（福建省高速路桥建设发展有限公司，厦门 361000）

建筑结构向着更长、更高、更深的方向发展，对材料性能不断提出新的挑战，促使学者们不断探索高性能材料。 1973 年，Brunauer 等[1]发表的论文提及抗压强度达到240 MPa 的低孔隙率水泥基材料。Bache[2]通过细料致密法（Densified with Small Particles，DSP）发挥高效减水剂与硅灰的组合作用，达到了减小孔隙率的目的，并制备出抗压强度为150～200 MPa 的混凝土。1994 年，法国学者[3]首次提出了超高性能混凝土UHPC（Ultra-High Performance Concrete）这个概念。 同年，Richard[4-5]报道了超高性能混凝土中最具代表性的活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），并宣布混凝土进入超高性能时代。 至此，超高性能混凝土受到了广泛的关注和应用。

超高性能混凝土是由胶凝材料、细骨料、纤维和高效减水剂组成的新型水泥基材料，因其优异的力学性能、耐久性能等区别于高性能混凝土、普通混凝土。 尽管UHPC 存在着制备成本较高、施工与养护条件严苛等问题，但在工程应用中，其节能减排成效显著，贴合可持续发展理念，具有巨大的经济效益。 本文总结了UHPC 制备原理以及力学、耐久性等性能，介绍了UHPC 在高速公路中的应用情况，提出了UHPC 在发展中存在的问题。

1 超高性能混凝土制备原理

20 世纪70 年代， 许多外国学者通过试验证实了提高水泥浆的密实度可以显著提高混凝土的强度。外国学者Buitelaar[6]提出了DSP 理论，即采用硅灰等超细粉体颗粒填充水泥之间的空隙，从而提高整体颗粒的密实度。 利用减水剂来分散超细颗粒，使超细颗粒填满水泥颗粒之间原本需要水来填充的空隙，不仅可以提高整体的密实度，还可以降低含水量。

基于以上理论，不同国家的学者们开展了大量关于RPC 制备原理和性能的研究，并通过改良制备出许多种UHPC。通过改善混凝土内部的结构、均匀性和孔径分布等因素，UHPC 的性能得以显著提升。其基本原理可概括为以下5 点[7]：（1）使用高效减水剂大幅降低UHPC 配制的水灰比；（2）掺入钢纤维以增强材料的韧性和延性；（3）通过提高反应活性和增大材料细度等方法减小体系中的孔隙和裂纹；（4）根据DSP 理论，减少粗骨料以增加体系的密实度；（5）采用蒸汽养护以实现形状和水化产物分布的优化。

UHPC 对骨料的粒径、配合比组分和养护方法等没有严格要求，采用常规的养护工艺可以制备出强度达到150 MPa 的UHPC。 Wille 等[8]采用普通材料，没有使用特殊养护工艺，制备出强度达到200 MPa且可泵送的UHPC。 Wang 等[9]采用普通材料和常温养护，制备出强度为175.8 MPa 的UHPC。Wille 等[10]采用普通材料和常温养护，制备出强度高达200 MPa的混凝土，并通过掺入钢纤维使UHPC 抗拉强度达到了15.9 MPa。

2 超高性能混凝土性能特点

2.1 力学性能

通过添加钢纤维，UHPC 在拥有超强抗压强度的同时，兼具超强的韧性和抗折强度。 Fehling 等[11]研究了不同钢纤维掺入量的UHPC 受压应力—应变曲线，结果表明不掺入钢纤维时，UHPC 受压破坏模式呈爆炸性，无曲线下降段；掺入钢纤维后，应力—应变曲线存在明显的下降段。Prabha 等[12]研究了不同钢纤维种类和掺入量对RPC 单轴受压应力—应变曲线的影响，结果表明RPC 应力—应变曲线上升段呈直线状，而下降段的形状则与钢纤维种类和含量相关；钢纤维形状对抗拉强度、耗能能力和峰值应变的影响较小，而钢纤维的掺入量对其起决定性作用。

研究初期加入的是直径0.15～0.4 mm、长度6～12 mm 的光圆钢纤维，此时的UHPC 抗折强度可达到30 MPa， 标志着UHPC 正式进入高韧性材料的行列。如今，异形钢纤维的掺入进一步提高了UHPC的抗拉强度、韧性和断裂能。 UHPC 与普通混凝土、高性能混凝土和钢纤维混凝土的性能数据对比[13]如表1 所示，UHPC 的力学性能指标均远大于传统混凝土。

表1 UHPC 与其他水泥基材料的主要力学性能对比

2.2 耐久性

大量试验研究与理论可证实，RPC 具有非常紧密的微观结构、很强的抗渗能力和很好的抗冻融循环能力[14]；UHPC 不存在碱—骨料反应、冻融循环和延迟钙矾石生成的问题[13]。在无缝状态下，UHPC 的耐水性[15]、抗氯离子渗透[16]、抗碳化[17]、抗化学腐蚀[18]等耐久性指标与传统混凝土相比有巨大提升。UHPC 与普通混凝土、高性能混凝土和钢纤维混凝土的耐久性数据对比[13]如表2 所示，UHPC 的各项耐久性指标均远大于传统混凝土。

表2 UHPC 与其他水泥基材料的主要耐久性对比

与传统钢筋混凝土结构相比，UHPC 寿命是其数十倍；与钢结构相比，UHPC 有着高耐久且零维护费的优势。 依据目前的理论分析、现场试验和工程实测可得，在非腐蚀环境中，UHPC 结构的使用寿命可达1000 年； 在自然腐蚀环境中，UHPC 结构的使用寿命可达200 年。

2.3 经济效益和环保性

借助Damineli 等[19]提出的胶凝材料浓度指数和碳浓度指数这2 个指标对UHPC 的生态效率进行评价。 可以发现UHPC 的水泥或胶凝材料的利用率最高，属于最低碳环保的水泥基材料，并且结合实际工程结构计算，可以量化UHPC 的节材减排成效。

在节能减排方面，有专家估算，根据目前我国每年混凝土使用量推算，通过推广运用UHPC 并合理使用掺合料，每立方混凝土节约水泥25 kg，可实现年节约水泥1×108t，进而减少材料的消耗量可达：石灰石1.1×108t、黏土6×107t、煤1.2×107t，减少二氧化碳排放量可达7.5×107t[20]。与传统的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构桥相比，UHPC 型梁板一体桥节材重量35%，节材体积24%，节能54%，减少直接排放二氧化碳可达59%。 UHPC 与引气混凝土、高性能混凝土的节材减排数据对比[21]如表3 所示，可以直观地看出，当所加载荷保持一致时，UHPC 结构的等效体积最小，加之又能承受更大的剪切荷载作用，因此可以在一定程度上减少梁体的配筋。 故采用UHPC 进行工程结构设计，不仅可以显著减小结构体积、减少建材的用量，而且UHPC 结构在全生命周期内的养护维修成本低，蕴含着巨大的经济效益。

表3 UHPC 与其他水泥基材料的节材减排对比

2.4 其他性能

研究人员还对UHPC 的高温、黏结性能等展开了一定的研究[22]。 当温度达到100℃时，UHPC 的立方体抗压强度开始下降；温度在200℃～500℃时，抗压强度增大；温度达到600℃后，抗压强度又开始下降[17]。 UHPC 抗压强度随着纤维掺入量的增加而增加，但当温度超过300℃后，抗压强度随掺入量的增加而降低。在火灾环境中，UHPC 抗拉强度的降低速度比抗压强度的降低速度快，而UHPC 强度降低速度和质量损失率均低于普通混凝土和高性能混凝土[23-24]。 UHPC 的黏结性能分为与钢筋的黏结性能和与其他混凝土的黏结性能。 邓宗才等[25]研究了高强钢筋与RPC 的黏结性能，结果表明，与普通混凝土相比，高强钢筋与RPC 的荷载—滑移曲线的上升段较陡，下降段比较平缓。 安明喆等[26-27]研究了光圆钢筋与RPC 的黏结性能，研究表明，RPC 的黏结性能要优于普通混凝土的黏结性能。

3 超高性能混凝土在公路工程中的应用

虽然使用UHPC 的工程成本较高， 但是其凭借着优异的力学性能和超强的耐久性能在高速公路领域已经有了大量的应用案例，并取得了良好的成效。

3.1 修复与加固中的应用

3.1.1 伸缩缝修复

伸缩缝是高速公路中十分重要又极易损伤的附属构件，伸缩缝混凝土经常出现过早断裂、脱落等病害，对行车平稳性和安全性构成威胁。 有数据显示，每年江西省高速公路的伸缩缝混凝土中约有20%～35%的病害发生率[28]。 为此，任亮[29]发现在UHPC 中加入聚丙烯纤维和钢纤维后，UHPC 的抗折强度、抗压强度和抑制收缩开裂能力都大大增强，并将其应用于石吉高速公路的伸缩缝快速修复中（见图1）。运用普通混凝土修复桥梁伸缩缝一般需要5～7 d，而采用混杂纤维增强UHPC 浇筑完成2 d 后便可恢复交通，且多年后没有再出现断裂、剥落等病害。这表明在高速公路桥梁伸缩缝快速修复中，混杂纤维增强UHPC 具有广阔的应用前景。

图1 快速修复施工工艺流程

3.1.2 路面修复

在路面工程中， 由于UHPC 本身具备强度、耐久性、韧性和抗渗性等方面的超高性能，且通过调整组分能够很好的满足施工要求，施工后实现迅速凝结硬化、快速恢复交通。 其不仅能够承受外界因素产生的影响，还能保障路基质量，避免出现路基下沉等问题，因此UHPC 解决了道路施工混凝土强度较低的问题，提高了道路的使用寿命，是高速公路修复中兼具快速和高质量的重要材料。 李欢欢[30]将UHPC 实际运用在莘奉金高速公路修复工程中，按照试验研究所得的最佳方案配制出了2 h 快硬UHPC（见图2），应用效果十分理想，为自密实UHPC的生产制备和运用推广打下坚实基础。 重庆某公路为满足重型车辆的通行需求，开展了常规C30 混凝土铺装与UHPC 铺装的方案比选， 经对比选择了UHPC 铺装（见图3）。 与普通混凝土铺装相比，UHPC铺装使得道路的耐久性能提升了10 倍以上， 工期也大大缩减，实现了当天铺装、隔天通行的高效率施工。

图2 莘奉金高速公路UHPC 施工现场照片

图3 UHPC 重载路面施工

3.1.3 桥梁主体结构加固

在交通量增加和混凝土收缩徐变的持续影响下， 高速公路运营中的桥梁极易出现桥面板下挠、混凝土开裂等问题，因此桥梁加固是必不可少的。借助UHPC 的高延性、高黏结性等特点对桥梁进行加固可以达到事半功倍的效果。某公路某段中有2 座槽型梁桥[31]在长期运行过程中出现严重碳化、裂缝等病害，且在行车荷载作用下既有病害进一步恶化。考虑到上述2 座桥梁公路等级高、交通量大、无法中断交通进行加固，故使用UHPC 加固，以保证加固的可靠性和耐久性（见图4）。无粗骨料的UHPC具备良好的流动性，浇筑过程中无需振捣，且行车造成的微振反而有利于UHPC 的黏结和新旧界面的黏合，满足了不中断交通的需求。广州海心桥[32]的拱脚及其下部钢拱肋均外包了UHPC 保护层（见图5），以此保证桥梁结构具有更强的耐久性，该实例为钢结构防腐提供了新思路。 山东省某高速公路现役桥梁[33]中的T 梁经下行车辆多次冲撞，存在较多的裂缝，为了尽快恢复桥梁的承载能力，设计人员采用外包钢模、内部填充UHPC 的方式进行加固，加固效果良好，运营至今未出现明显不足。

图4 UHPC 薄层加固方案

图5 广州海心桥拱脚及下部钢拱肋外包UHPC

3.2 接缝中的应用

采用UHPC 湿接缝进行构件之间“结构连接”，大幅减小接缝宽度、简化接缝配筋，减少施工量和难度，能够提高施工效率、装配化率和经济性。 最重要的是能够提升装配结构的抗疲劳、抗裂、抗震性能及耐久性。 在京哈高速公路加宽改造工程、东阳茂高速扩建工程和宜城汉江大桥维修加固工程[33]中，为保证新旧桥梁连接位置的质量和结构的耐久性，减少后期病害，均使用了UHPC 浇筑新旧桥湿接缝部位（见图6、7），实现了“强节点、弱构件”，使新旧桥连接实现整体强化。

图6 连续箱梁新旧桥之间的UHPC 湿接缝

图7 UHPC 湿接缝加固

3.3 预应力锚固齿块中的应用

预应力锚固齿块作为预应力混凝土箱梁桥的关键受力部件，不仅要承受巨大荷载作用，还要将其传递至整个结构， 因此预应力锚固齿块受力复杂，在桥梁服役期间极易出现裂缝，影响桥梁正常使用。 杨俊等[34]开展了UHPC 锚固齿块和普通混凝土（NC）锚固齿块的承载能力和抗裂性能研究（见图8）。 研究表明，UHPC 锚固齿块整体性更好，抵抗变形能力更强，呈延性破坏特征，且UHPC 的运用能够大幅提高锚固区的承载能力和抗裂性能。

图8 齿块劈裂破坏模式

3.4 公路桥梁中的应用

在石磁高速K34+690 处， 为跨越该高速公路，修建了中国第一座UHPC 公路箱梁桥[35]。于2015 年建成通车以来，该桥运行情况良好，通过对足尺梁的破坏试验和多次优化设计，为UHPC 在中国桥梁中的应用奠定了基础。 为跨越高恩高速公路，设计修建了透空式UHPC 刚架拱桥[36]，该桥利用了UHPC极强的力学性能、超高的耐久性和低徐变性能等特点，解决了传统刚架拱承载力低、易开裂、浇筑时间长的问题（见图9）。

图9 UHPC 刚架拱桥实桥

钢—UHPC 复合桥面不仅解决了钢桥面铺装与钢结构破坏的难题， 而且大幅提高了桥面刚度，产生了良好的经济效益。 福厦铁路乌龙江特大桥和滨海湾大桥[33]均采用了UHPC 铺装（见图10），跨张花高速大桥和丹江口水库特大桥[36]的主梁均采用钢—UHPC 组合梁结构（见图11）。

图10 UHPC 铺装

图11 钢—UHPC 组合梁

图12 UHPC 新型电缆沟盖板力学实验

图13 福建宁上高速公路UHPC 隧道盖板

3.5 公路隧道电缆沟盖板中的运用

新型高性能UHPC 隧道电缆沟盖板同传统电缆沟盖板相比，厚度大幅减少，重量减轻，不易缺角掉边。 与采用传统混凝土相比，大幅提高了产品的抗折、抗压和抗拉性能，提升耐久性，减少过程维养。 福建宁上高速公路首次使用了新型UHPC 隧道预制电缆沟盖板，实现了“预制方便、施工便捷”，不仅解决了传统电缆沟盖板重而铺装不易、强度不高而缺边掉角等问题，还因盖板变薄而大幅提高沟槽使用空间，均匀的高强度大大提高使用年限，经济效益良好。

4 研究与应用中存在的问题

综上，UHPC 具备着超强的性能，并在实际工程中得到了广泛的应用。 但目前仍存在着一些技术上的不足， 致使在应用过程中无法充分发挥其性能。在UHPC 的研究和应用中存在以下问题[37]：（1）相关标准不完善。 当前我国UHPC 相关标准编制进展较慢，仅有少量材料的标准和一些UHPC 结构设计相关的地方性标准，极大限制了UHPC 结构的设计和施工，很大程度上影响了UHPC 在我国的推广使用。（2）制备工艺复杂。 UHPC 是通过DSP 理论制得的，因此需要不断调整颗粒级配以达到最密实堆积状态，并加入高效减水剂以实现超低水胶比；此外，为了达到较高的抗拉强度，还需要额外掺入大量的钢纤维，故UHPC 黏度大，对搅拌和施工过程所需设备的要求较高。 为了实现更好的工作性能， 部分UHPC 还需要进行蒸汽养护， 这无疑在施工过程中又增加了一道难题。 所以如何简化UHPC 制备工艺、 实现免蒸汽养护又具备高性能是研究方向之一。 （3）制备成本高。UHPC 的制备原料主要有优质水泥、石英砂、超细粉煤灰、钢纤维、硅灰和高效减水剂等，其制备成本远高于普通混凝土，这是限制UHPC 普遍应用于实际工程的主要原因。 因此寻找来源广泛、成本低廉的代替原材料和提高材料的利用率是降低UHPC 制备成本的主要研究方向。 （4）自收缩量大。 UHPC 制备过程中需要使用大量水泥和硅灰等活性粉末材料，同时又要求实现超低的水胶比，因此UHPC 的早期水化作用放热较大，故而自收缩量也较大；此外，部分UHPC 构件要求蒸汽养护， 在养护中局部区域会产生较大的温度变化，从而引起较大的自收缩。 所以如何减小自收缩量或补偿自收缩量也是研究的重要方向。