超高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用研究

黎均權(quán)

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

眾所周知，橋梁工程是公路工程建設(shè)中的重要組成部分，一定程度上制約著交通基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展?；炷烈跃偷厝〔?、生產(chǎn)耗能低、工藝簡單、適應(yīng)性強等優(yōu)勢，以及良好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟性能，成為橋梁工程中的重要結(jié)構(gòu)組成材料，被廣泛應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)中。大量工程實踐表明，隨著混凝土結(jié)構(gòu)使用時間的延長，其各項力學(xué)性能均出現(xiàn)了“老化”甚至是“病害”等耐久性問題，致使混凝土結(jié)構(gòu)壽命和結(jié)構(gòu)安全度降低，嚴重影響結(jié)構(gòu)的正常使用與運行，甚至造成了巨大的經(jīng)濟損失[1]。隨著國內(nèi)外大跨度橋梁以及特種結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，對混凝土的各方面性能提出了更高的要求。因此研究發(fā)展具有超高強度、超高韌性和超長耐久性特點且維護少的混凝土成為一個亟待解決的關(guān)鍵問題。超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一種高強度、高韌性、高耐久性的新型纖維增強水泥基復(fù)合材料，其力學(xué)性能和耐久性能也明顯優(yōu)于普通混凝土(OC)和高強混凝土(HSC)，且具有良好的工作性能、抗疲勞性能以及高環(huán)保性的特點[2-3]。基于這些優(yōu)良的材料特性，UHPC具有很高的工程應(yīng)用價值，且比OC和HSC具有更大的優(yōu)越性和更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可應(yīng)用于建筑工程、橋梁工程、港口和海洋工程、市政工程、隧道及地下工程、水利工程及核廢料隔離與控制等諸多工程領(lǐng)域[4]。本文研究UHPC的基本力學(xué)性能、耐久性能和工程應(yīng)用概況，以期為國內(nèi)UHPC進一步的實際推廣和橋梁工程應(yīng)用提供參考。

1 UHPC的力學(xué)性能

UHPC依據(jù)最緊密堆積理論進行設(shè)計，采用低水膠比，通過摻入高活性的礦物摻合料以及采用高溫養(yǎng)護激發(fā)礦物活性，輔以鋼纖維的摻入，使UHPC的孔隙率顯著降低，顯著提高基體的密實度，從而獲得極高的強度[5]。UHPC、高強混凝土(HSC)和普通混凝土(OC)的性能指標對比如表1所示。從表1中可以看出，UHPC的抗壓強度、抗彎拉強度和彈性模量均明顯優(yōu)于HSC和OC。此外，UHPC本身致密的結(jié)構(gòu)和鋼纖維的摻入，使得UHPC基體與鋼纖維之間的粘結(jié)性能和斷裂后應(yīng)變硬化性能得以顯著提高，在一定摻量范圍內(nèi)，UHPC的極限粘結(jié)強度與鋼纖維摻量呈良好的線性關(guān)系，UHPC的極限粘結(jié)強度隨著鋼纖維摻量的增加而增大[6]。楊久俊等通過研究發(fā)現(xiàn)，在摻入適量的鋼纖維后，UHPC的韌性有效提高，斷裂性能則增大了34倍，具有極高的斷裂韌性[7]。

表1 RPC200與HSC的性能對比表[8]

雖然UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但UHPC性能影響因素較多，其影響因素主要有膠凝材料的礦物組成與顆粒級配、水膠比、鋼纖維的幾何尺寸與摻量、養(yǎng)護條件等，不同因素的影響機理和程度也各不相同[9]。例如，Yu通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定摻量范圍內(nèi)，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強度逐漸提高，且UHPC抗壓強度的增加速率與鋼纖維摻量呈良好的線性關(guān)系，即隨著鋼纖維摻量的增加而增加[6]。Kazemi和Lubell[10]通過研究兩種不同尺寸試件在不同摻量鋼纖維下對UHPC抗折強度的影響，其測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，相比于未摻入鋼纖維的UHPC，摻入4%鋼纖維的UHPC其抗折強度提高了近兩倍以上。黃政宇等[11]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護制度對UHPC抗壓強度有著顯著的影響，在熱水養(yǎng)護條件下，UHPC的抗壓強度可達170 MPa，而在高溫養(yǎng)護條件下則達到200 MPa以上，認為其影響程度與砂膠比、水灰比和鋼纖維摻量有關(guān)。另外，PR Prem等[12]研究結(jié)果表明，在常溫水養(yǎng)護、熱水養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護等不同養(yǎng)護條件下，UHPC的抗壓強度在熱水養(yǎng)護條件下其力學(xué)性能表現(xiàn)為最優(yōu)。這主要是由于隨著養(yǎng)護溫度的提高，UHPC基體內(nèi)部水泥水化反應(yīng)機理發(fā)生變化，有助于快速生成致密的水化產(chǎn)物，加上基體內(nèi)部活性礦物摻合料的微集料填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)，有效填充基體內(nèi)部的空隙，顯著改善基體的孔隙結(jié)構(gòu)，降低基體的孔隙率，極大提高基體的密實度。如圖2所示，隨著養(yǎng)護溫度的提高，UHPC基體的孔隙率顯著降低，當(dāng)養(yǎng)護溫度從20 ℃升到180 ℃時，UHPC的孔隙率約降低了64%[13]?；炷恋目紫堵逝c抗壓強度呈線性關(guān)系，隨著孔隙率的降低，混凝土的抗壓強度逐漸提高。

圖1 鋼纖維摻量對UHPC抗折強度的影響曲線圖[10]

圖2 養(yǎng)護溫度對UHPC孔隙率的影響曲線圖[13]

因此，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)準確把握UHPC的制備原理及其影響因素，克服制約UHPC實踐工程應(yīng)用的影響因素，提高施工工藝水平，使其更加廣泛而成熟地應(yīng)用于橋梁工程建設(shè)中，將有助于顯著提升橋梁工程建設(shè)的質(zhì)量。

2 UHPC的耐久性

2.1 抗氯離子滲透性

混凝土的抗氯離子滲透性能是評價混凝土耐久性能的重要指標之一?；炷林械穆入x子遷移是引起鋼筋銹蝕的重要原因，當(dāng)氯離子濃度超過一定的閾值，則鋼筋上的鈍化膜將會被破壞，在一定條件下鋼筋將會被腐蝕，從而降低結(jié)構(gòu)的安全性能，導(dǎo)致嚴重的工程問題。

研究人員通過測定氯離子擴散系數(shù)來評價混凝土抗氯離子滲透性能，氯離子擴散系數(shù)越小，混凝土的抗氯離子滲透性能越高。國外學(xué)者Roux等[14]通過試驗測得C30、C80和UHPC的氯離子擴散系數(shù)分別為1.1×10-13m2/s、6.0×10-13m2/s和0.2×10-13m2/s，UHPC的氯離子擴散系數(shù)比OC要高出一個數(shù)量級。Thomas等[15]通過試驗測得UHPC的氯離子擴散系數(shù)為1.3×10-13m2/s；Dobias等[16]同樣通過試驗，測試不同條件下的UHPC試件，發(fā)現(xiàn)所有UHPC試件的氯離子擴散系數(shù)均低于1.4×10-13m2/s。國內(nèi)學(xué)者安明喆等[17]通過試驗，測得UHPC和HSC的氯離子擴散系數(shù)分別為2.22×10-13m2/s和15.44×10-13m2/s，UHPC的氯離子擴散系數(shù)明顯要低于HSC；此外，未翠霞等[18]利用NEL-PD型電測儀分別測定了UHPC和C60混凝土的氯離子擴散系數(shù)，測試結(jié)果表明UHPC的氯離子擴散系數(shù)遠低于C60混凝土，僅為C60混凝土的1/6～1/5。由此可見，UHPC的氯離子擴散系數(shù)均很低，基本處于10-13m2/s的數(shù)量級甚至更小，明顯低于HPC和OC，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氯離子滲透性能。

2.2 抗碳化

未翠霞等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)在進行碳化試驗28 d后，在大摻量粉煤灰活性粉末混凝土中并未觀察到碳化現(xiàn)象，而C80混凝土的平均碳化深度為1.37 mm。UHPC試件放在二氧化碳環(huán)境中養(yǎng)護90 d后，在UHPC試件中也沒有觀察到碳化現(xiàn)象；而在二氧化環(huán)境中碳養(yǎng)護6個月后，觀察到碳化深度也僅為0.5 mm[19]；碳化1～3年后，UHPC試件的碳化深度也僅約為1.5～2.0 mm，比HSC和OC低2.5～4.5倍[20]。此外，卡塞爾大學(xué)對活性粉末混凝土和超高性能混凝土在90 ℃低壓蒸汽養(yǎng)護下進行長期的碳化測試，UHPC在二氧化碳環(huán)境中養(yǎng)護3年后，UHPC的最大碳化深度也僅為1.7 mm。由此可見，相比于HSC和OC，UHPC擁有更為優(yōu)異的抗碳化性能。碳化是一個擴散過程，CO2侵入混凝土毛細孔隙系統(tǒng)，與混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物反應(yīng)，使混凝土內(nèi)部喪失高堿性環(huán)境。當(dāng)碳化深度超過混凝土的鋼筋保護層時，鋼筋鈍化膜將受到破壞，鋼筋就會發(fā)生銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)的安全度?；炷恋目固蓟阅茉綇姡接欣谘娱L混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命和使用壽命，降低其運營成本。

2.3 抗凍性

楊吳生等[21]通過對UHPC的耐久性能研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)300次凍融循環(huán)后UHPC的耐久性系數(shù)≥100，說明UHPC具有極好的抗凍性能。此外，學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過300次凍融化循環(huán)后，檢測發(fā)現(xiàn)UHPC試件中并沒有發(fā)生很大的質(zhì)量損失，幾乎為零；經(jīng)過600次凍融循環(huán)后，UHPC的耐久性系數(shù)≥100，且由此引起的質(zhì)量損失也幾乎為零；甚至在經(jīng)過800次凍融循環(huán)后，UHPC試件中也沒有觀察到凍融破壞現(xiàn)象[22-24]。此外，學(xué)者通過研究UHPC試件經(jīng)過凍融循環(huán)后的相對動彈性模量的變化情況，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過1 000次凍融循環(huán)后，普通混凝土、高強度砂漿和UHPC的相對動彈性模量分別下降了61%、22%和10%，UHPC的抗凍性能優(yōu)于前兩者[25]；但在300～1 500次的凍融循環(huán)作用下，UHPC試件的相對動彈性模量基本沒有改變，這說明了UHPC具有優(yōu)異的抗凍性能[26]。凍融循環(huán)是寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)惡化的主要原因，混凝土在接觸水又受凍的環(huán)境下容易發(fā)生凍融破壞，導(dǎo)致混凝土表層剝落、開裂、強度降低乃至破壞。而由此引起的工程問題和經(jīng)濟損失不容忽視，解決這一問題的主要措施就是提高混凝土的密實度，最大限度地降低孔隙率，減少內(nèi)部的連通孔隙。UHPC具有很低的水膠比，拌和時水幾乎能完全反應(yīng)，混凝土內(nèi)部幾乎沒有多余水分，而且結(jié)構(gòu)致密均勻，孔隙率低且孔徑小，致使外界水分難以進入，加之自身強度非常高，抵御凍融循環(huán)破壞性能非常強，因此，UHPC的應(yīng)用將有效減少混凝土結(jié)構(gòu)的凍融病害問題。

2.4 耐腐蝕性

楊吳生等[21]將養(yǎng)護后的UHPC試件分別置于自來水和人工海水中浸泡180 d后發(fā)現(xiàn)，UHPC的抗壓強度和抗折強度并沒有降低，說明UHPC并未受到侵蝕。葉青等[27]通過研究也發(fā)現(xiàn)UHPC混凝土的抗化學(xué)侵蝕能力明顯優(yōu)于HSC。此外，未翠霞等[18]通過對大摻量粉煤灰活性粉末混凝土進行耐硫酸鹽侵蝕試驗，發(fā)現(xiàn)大摻量粉煤灰活性粉末混凝土具有優(yōu)異的耐硫酸鹽侵蝕性，認為其主要原因是：大量粉煤灰的摻入保證了其流動性能，且粉煤灰與硅灰的火山灰效應(yīng)使得水泥石中Ca(OH)2的含量減少，改善了集料與水泥石界面結(jié)構(gòu)，Ca(OH)2在界面富集和結(jié)晶定向排列的問題得到解決，形成了致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而大大提高抗?jié)B性能，進一步阻止了硫酸鹽溶液侵蝕作用。國外學(xué)者Pierard等[28]將UHPC試件放在硫酸鹽溶液中浸泡500 d后，發(fā)現(xiàn)UHPC試件也未發(fā)生侵蝕和破壞，表明UHPC具有很強的抗腐蝕性能。

3 UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用

結(jié)合目前公路橋梁發(fā)展情況來看，中小跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)形式主要以小箱梁、T梁和空心板為主，由于普通混凝土自身材料性能的限制，橋梁斷面尺寸一般較大，結(jié)構(gòu)自重在橋梁總荷載的占比大，尤其是在大跨徑混凝土箱梁橋中更為明顯，給人以笨重感，缺乏美觀。此外，在運營較長時間后，混凝土梁橋表現(xiàn)出較多的病害，如梁體開裂、主跨撓度過大、鋼筋銹蝕等，致使橋梁結(jié)構(gòu)功能退化，安全度降低，嚴重影響結(jié)構(gòu)的正常使用[29-31]。

基于UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，UHPC不僅能顯著減少混凝土用量，降低橋梁自身重量，且其抗折強度相對較強，相比于普通的混凝土橋梁能承受更大的彎曲和拉力，即使是受力開裂之后，仍具有相對較好的抗拉性能。因此UHPC不僅能顯著提高橋梁的承載能力，減少橋梁的變形，提高橋梁的安全性和可靠性，而且提高了橋梁的經(jīng)濟效益和社會效益，尤其是在大跨度橋梁的應(yīng)用中這種優(yōu)勢更為明顯[29]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2016年年底，世界各國應(yīng)用UHPC材料而建成的橋梁已超過400座，其中采用UHPC作為主體結(jié)構(gòu)材料的超過150座。

UHPC在橋梁工程中的主梁、華夫板、濕接縫連接、舊橋加固等方面的應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟效益，且在世界各國橋梁工程中的應(yīng)用越來越成熟、廣泛。UHPC橋梁在充分利用UHPC材料的高強度和高耐久性情況下，可以有效減少橋梁的斷面尺寸，從而顯著降低橋梁結(jié)構(gòu)的自重(結(jié)構(gòu)自重僅為普通混凝土結(jié)構(gòu)的2/5～3/5倍)，進而提高橋梁結(jié)構(gòu)的跨越能力[29，32]。超高性能混凝土與普通混凝土之間的性能對比如表2所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出UHPC各方面的性能指標均明顯優(yōu)于普通混凝土，說明UHPC擁有非常優(yōu)異的斷裂韌性性能和變形性能，能顯著改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力[32]。同時，由于自身非常高的強度和優(yōu)異的耐久性能，UHPC可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的配筋甚至取消普通鋼筋的配置，一定程度上簡化了橋梁的施工工藝，有效延長橋梁的服役壽命，降低結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本和運營維護成本，更有助于結(jié)構(gòu)的裝配化施工，在橋梁工程中具有廣闊的發(fā)展前景。UHPC的推廣與應(yīng)用將有效解決現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)中難以解決的技術(shù)問題，如因主梁或板的橫向連接構(gòu)造失效而產(chǎn)生的單梁(板)受力問題、大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的梁體開裂和主跨撓度過大的問題，以及橋梁在運營過程中出現(xiàn)的各類耐久性問題等，這對于提升我國的橋梁設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計水平具有重要意義。

表2 超高性能混凝土與普通混凝土之間的一般技術(shù)指標典型值對比表

4 結(jié)語

UHPC作為一種具有高強度、超高韌性和超長耐久性的新型建筑材料，不僅能滿足橋梁工程在結(jié)構(gòu)和跨徑等方面的需求，有效減少橋梁結(jié)構(gòu)的自重，降低建筑材料的用量，提高橋梁的安全可靠性，而且在惡劣的環(huán)境中也具有良好的適應(yīng)能力，有效延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。UHPC的推廣及應(yīng)用對于解決現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)中難以解決的諸多技術(shù)問題具有重要意義，更有助于推動橋梁工程行業(yè)的發(fā)展，在橋梁工程中具有廣闊的發(fā)展前景。雖然國內(nèi)外學(xué)者對UHPC在橋梁工程方面進行了許多的研究，也取得了許多重要的成果，但在UHPC的實際工程應(yīng)用上仍舊缺乏系統(tǒng)而深入的研究，更缺乏相應(yīng)具有指導(dǎo)性的工程規(guī)范或應(yīng)用指南。今后應(yīng)加強推廣UHPC在橋梁工程上的研究與應(yīng)用，在借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗的同時，有效結(jié)合工程實例展開技術(shù)專題研究，積極完善其相應(yīng)的技術(shù)標準、應(yīng)用指南或工程規(guī)范，為UHPC在橋梁工程的建設(shè)提供可靠的理論指導(dǎo)，推動橋梁工程行業(yè)的不斷發(fā)展與進步。