用超高性能混凝土造桥

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超高性能（UHPC）因其具有高强度、高韧性等类金属的优良性能，在国内外桥梁工程中的应用进展迅速。近年来，UHPC在我国桥梁工程中也逐步得到实践和应用。

混凝土作为最大宗的建筑结构材料，在桥梁、市政、工民建等领域应用广泛。超高性能混凝土（UHPC）也称为活性粉末混凝土（RPC）采用最大堆积密度理论，利用毫米级的细骨料，微米级的胶凝材料和亚微米的硅灰形成致密堆积，同时采用钢纤维或高分子纤维增韧，经养护后高强、高韧性，具有类金属特性，在公路、桥梁等建设中得到了成功应用。

目前的公路桥梁按承重材料主要分为混凝土桥梁、钢桥和钢混3种结构，各有优势，但也存在一定缺点。人们在减轻工程自重、提高荷载强度和耐久性方面发掘了超高性能混凝土的应用优势，并逐步应用于工程实践。

超高性能混凝土的特点

超高性能混凝土问世距今已有20多年，由劳尔（Larrard）和赛德兰（Sedran）首次提出，后经Bouygues公司和拉法基公司合作开始商业化，将各种微集料以最佳堆积方式进行配合比设计，由毫米级、微米级及亚微米级的材料进行致密填充，同时加入短钢纤维增韧，强度一般在150兆帕以上，水胶比在0.2以下，辅以高性能减水剂保证UHPC良好的自流平性能。与常规混凝土材料相比，UHPC具有较高的强度，远超普通混凝土的韧性及更均匀的内部结构。有研究推算，UHPC材料的使用耐久性最高可达200年，对于提高混凝土结构的耐久性、延长结构的服役寿命是一项重大突破。

由表1可以看出，UHPC抗压强度是普通混凝土的3倍，抗折强度是普通混凝土的约10倍，能够承受较大的徐变，表现出优异的使用性能。

表1 UHPC与普通混凝土的主要力学和耐久性指标对比

UHPC性能的影响因素

通过将标准砂进行磨细，按照水泥:硅灰:粉煤灰:细砂:水:B32高效减水剂:短钢纤维=1:0.25:0.20:1.25:0.23:0.013:0.25配制了活性粉末混凝土。经蒸汽养护后测试混凝土的抗压强度为210.1兆帕，抗折强度为38.8兆帕，断裂能为每平方米21千焦。相关研究人员就地取材，利用天然细骨料和外掺料代替传统石英粉和硅灰配制UHPC，经过蒸汽养护，最高强度达200兆帕，抗折强度达50兆帕，在市政井盖制造上得到应用。

相关研究人员还研究了河砂和石英砂等细集料对超高性能混凝土的性能影响，结果发现同条件下，河砂制备的UHPC的流动性略低于石英砂制备的UHPC；河砂制备的UHPC与石英砂制备的UHPC的抗压/抗折强度均可达140兆帕/20兆帕以上，收缩也较小，粒径小于1.18毫米的河砂综合性价比最佳。将纳米级材料对超高性能混凝土进行改性，可以获得更高的水化反应效率，试验研究纳米碳酸钙（CaCO3）和纳米（二氧化硅）SiO2能够增加混凝土的黏聚性，提高UHPC的抗折强度和韧性，但面临成本和分散问题。

纤维的加入能够为超高性能混凝土提高增韧，提高UHPC的抗折强度，不同纤维对UHPC的影响也有所差异。钢纤维体积掺量增加，UHPC抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度都有不同程度的提高，且钢纤维体积掺量为1.0%至1.5%时混凝土抗劈裂强度和抗折强度增长最快，增长最快，钢纤维的长径比对混凝土增韧增强效果产生一定影响，大长径比的钢纤维抵抗荷载的能力更强。

外掺玄武岩纤维制备UHPC，研究其对超高性能混凝土力学性能的影响，测试了各配比的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度。研究结果表明：玄武岩纤维对混凝土各项强度指标均有提高，当玄武岩纤维掺量为每立方米2千克时，UHPC的综合性能最佳，取得了良好的力学性能。

混凝土良好的养护制度能够提高水泥等胶凝材料的水化程度，提高超高性能混凝土的力学强度和耐久性，目前UHPC常用的养护方式有热水养护、蒸汽养护和干热养护。

相关研究人员研究了纳米氧化硅和纳米碳酸钙在UHPC的增韧机理，并进行了热水养护，发现热水养护对混凝土强度提高明显。其他学者的研究同样发现热水养护相比自然养护和常温水养对超高性能混凝土的强度和韧性提高更为明显。

Super BridgeI人行斜拉桥

德国Grtnerplatz桥

在研究了自然养护、60摄氏度蒸汽养护48小时、90摄氏度蒸汽养护48小时3种养护制度对UHPC力学性能的影响，研究结果发现，蒸汽养护可以改善混凝土的微观结构，提高混凝土强度，且高温蒸汽养护对混凝土抗压强度提高更为显著。有人研究了升温速度、预养护时间和恒温温度等蒸汽养护参数对UHPC抗折强度的影响，研究发现升温速度越快，内部裂纹增多，混凝土抗折强度下降，预养护时间越长，UHPC抗折强度越高，恒温时间适当增加有利于混凝土强度增长。

干热养护制度对超高性能混凝土的影响与温度有关，干热养护温度从150摄氏度提高至200摄氏度时，混凝土抗折和抗压强度都有所提高，同时养护时间增加混凝土强度也会有所升高，这是因为高温下的水泥水化反应和火山灰反应消耗了氢氧化钙，改善了界面过渡区，但杨吴生的研究发现干热养护时间延长会使得混凝土抗压强度和抗折强度降低，这说明干热养护在提高UHPC性能的同时也要注意恒温时间。

影响UHPC性能的因素还有施工水平、使用部位及服役环境等。超高性能混凝土作为新型性能材料，目前施工工艺主要为预制拼接，或者采用灌浆方式作为工程加固。良好的养护水平对于超高性能混凝土性能发挥尤为重要，作为特殊混凝土，对施工人员的技术要求较高，应区别于普通混凝土相对粗放的施工，精细化的生产管理对超高性能混凝土性能尤为重要。

UHPC国外桥梁工程应用进展

超高性能混凝土自从问世以来，以其较高的强度、超强的韧性在建筑工程领域得到应用，特别与钢筋组合发挥了其作为结构材料的独特性能。

UHPC可以减轻桥梁的自重，增强桥梁整体的观赏性。超高性能混凝土在国外应用时间较长，世界上最早将UHPC应用于工程领域的是法国，世界第一座使用UHPC建造的桥梁为加拿大魁北克省舍布鲁克桥，该桥跨度60米，桥梁腹杆采用直径为150毫米钢管RPC，下弦使用了高380毫米的RPC预制梁。美国第一座UHPC桥梁建于2005年，位于爱荷华州，跨度33.5米。其后，UHPC在世界范围内得到关注，并在桥梁工程建设中得到大胆尝试。其中，韩国推广UHPC桥梁的建设，新技术不断创新。韩国建设了世界上第一座UHPC拱桥——仙游桥，该桥具有跨度大（120米），主拱厚度低（30毫米），π型截面，其中拱肋的UHPC采用蒸汽养护制得。

另外一座桥梁为Super BridgeI人行斜拉桥，该桥于2009年建成，由独塔、板梁与斜拉索构成，板梁呈扇形，共3片。其中，两片为18.5米的UHPC梁，UHPC混凝土水胶比为0.24，掺加2%的短钢纤维，预制节段先进行48小时自然养护，再经90摄氏度蒸汽养护48小时，预制后的桥梁表观良好，抗压强度达到180兆帕，抗弯强度20兆帕，抗拉强度20兆帕，体现出优良的力学性能。

德国在UHPC桥梁方面开展了大量研究，并实现了项目应用。2007年，德国建成了世界首座UHPC钢组合桥梁——Grtnerlatz桥，共6跨，桥长133.2米，UHPC在组合结构和桥面板中得到应用，上弦杆通过环氧树脂胶进行连接。

此外，奥地利在2010年建成了世界首座UHPC公路拱桥，总长154米，主拱跨径70米，拱轴线采用多边形，采用UHPC施工后大大减少了桥面厚度，取得了良好的外观效果。日本和马来西亚也相继建成了UHPC桥梁。据不完全统计，目前使用UHPC建造的桥梁己超过400余座，国外桥梁在使用UHPC建造方面取得了长足的进步。

UHPC在国内桥梁中的应用进展

我国UHPC研究相对较晚，但学者针对UHPC的良好性能表现出极大的研究兴趣，黄政宇、覃维祖、蒲心诚等国内一批早期的学者对UHPC的制备及性能进行了跟踪和研究。我国截至2017年使用UHPC材料的桥梁共有32座，第一座为2006年在迁曹铁路工程中修建的滦柏干渠大桥，12片T梁为超高性能混凝土预制，梁高1.35米，高跨比1/14.8，跨中腹板厚度18厘米。

2016年建成的湖南长沙北辰三角洲UHPC人行天桥，为世界首座全预制拼装UHPC混凝土桥，长度为70.8米、宽度为6.5米，采用预制拼接，跨度大，桥墩部分整体预制吊装，大大缩短了桥梁的建设周期，由于自重减轻，厚度降低，美观度提升。

大岳高速公路洞庭湖大桥是超高性能混凝土组合钢桥面

2017年通车的上海嘉闵高架南延伸段工程，其中袁家河桥为全国首座采用UHPC预制π梁的UHPC-RC组合梁桥，桥梁跨径22米，桥宽17.75米。袁家河桥上部结构采用UHPC-RC组合梁，为UHPC预制π梁与普通钢筋混凝土（RC）桥面板组成的组合结构桥梁。桥梁横桥向布置7片UHPC预制π梁，单片UHPC预制π梁长22米，宽2.5米，高0.93米，顶板最薄处仅5厘米，大大降低了自重，吊装时施工速度大幅提高。

青岛海湾大桥应用了海工高性能耐久混凝土

超高性能混凝土在国内人行步道的成功应用拓展了UHPC的应用范围，上海申通地铁总结了超高性能混凝土的应用案例后，结合上海闵浦二桥使用超高性能混凝土的情况，得出UHPC在上海地铁工程应用的可行性，同时超高性能混凝土在国内电缆槽盖板、桥梁加固等得到应用，2007年超高性能混凝土在襄渝铁路二线山区桥梁实现了示范展示。

超高性能混凝土以其高抗拉强度和类金属的拉伸应变性能，以及优异的裂缝宽度控制能力等特点在世界范围内的桥梁工程中得到了应用，但也面临原材料的选择和养护工艺的优化等问题。由于目前UHPC研究理论较多，国内应用案例相对较少，行业缺乏对超高性能混凝土定义、性能等统一的规范性认识，对超高性能混凝土推广造成了一定影响。随着对UHPC制备工艺的研究深入，UHPC在桥梁工程中的应用潜力会得到更深入挖掘，并在装配式桥梁构件的生产有所作为。