超高性能混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用研究

宋立國

(中鐵十四局集團房橋有限公司唐山分公司 河北唐山 063305)

1 引言

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料，活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是其中一種發(fā)展較為成熟的超高性能混凝土材料[1－3]。RPC于1993年在法國材料試驗室制備成功，是將混凝土粗骨料去除后采用最大密實度理論制備形成的一種超高性能混凝土材料。

RPC自其問世以來便得到研究人員的廣泛研究，主要分為兩方面:其一，為材料的制備技術(shù)及其材料力學(xué)性能。RPC剛出現(xiàn)時被定義為R120和R200兩個等級，采用高溫蒸養(yǎng)和真空高壓的方式進行制備。隨著研究的逐漸深入，研究人員逐漸形成RPC成熟的材料配合比及制備工藝。在此基礎(chǔ)上針對RPC的抗壓性能、抗拉性能、抗折性能、黏結(jié)性能、抗沖擊性能和耐久性能進行了廣泛而深入的研究。研究結(jié)果表明，該種超高性能混凝土材料具有良好的工作性能和超高的材料力學(xué)性能，被譽為世界上最先進的混凝土材料之一。其二，為UHPC構(gòu)件受力性能[4]46－52。研究人員基于成熟的材料配合比和制備工藝，普遍采用2%的鋼纖維體積摻量[5]，對UHPC構(gòu)件力學(xué)性能進行了深入研究，包含梁的抗彎性能、抗剪性能、疲勞性能、收縮徐變性能和與鋼筋的黏結(jié)性能等。研究結(jié)果表明:UHPC構(gòu)件具有良好的受力性能。

隨著研究人員對超高性能混凝土材料的深入研究[6－7]，工程人員也極為關(guān)注該材料的性能并進行了廣泛的嘗試。由于UHPC材料致密的材料結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的耐久性能，該種材料最初被應(yīng)用于核電站和軍事工程建設(shè)。橋梁結(jié)構(gòu)跨度和體量增大后，對材料的要求愈加嚴格，工程師逐漸思考將UHPC材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，并在人行橋、公路橋、景觀橋等方面進行了廣泛嘗試，目前國內(nèi)外已超600座橋梁采用該種材料。大量實踐證明[8－9]，該種材料在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用能充分發(fā)揮該種材料優(yōu)異的材料性能和耐久性，可大幅降低橋梁自重和建設(shè)質(zhì)量，提高橋梁耐久性和景觀性。

本文針對UHPC材料的優(yōu)異力學(xué)性能，開展UHPC材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析，以拓展高性能混凝土材料的應(yīng)用，提高結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性和美觀性。對應(yīng)用分析基礎(chǔ)上剖析目前UHPC材料應(yīng)用主要限制方面，旨在提醒科研和工程人員共同努力克服既有限制，推動高性能材料和橋梁結(jié)構(gòu)性能的發(fā)展。

2 UHPC應(yīng)用分析

2.1 橋梁主體結(jié)構(gòu)

自UHPC出現(xiàn)以來，國內(nèi)外科研和工程人員在進行探索和實踐過程中進行了廣泛的嘗試[10]，已在公路T梁和人行橋主體結(jié)構(gòu)中采用了UHPC材料，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的跨度和耐久性，見圖1。但是該種結(jié)構(gòu)中荷載較小，尚不能充分發(fā)揮UHPC材料的超高性能。

圖1 UHPC人行橋

由于UHPC材料的超高抗壓強度和優(yōu)異耐久性，UHPC材料在荷載較大或剛度要求較高的橋梁主體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用宜采用高截面薄壁箱形和超高預(yù)應(yīng)力體系結(jié)合的形式。其中薄壁箱形和超高預(yù)應(yīng)力可充分發(fā)揮UHPC材料的超高抗壓強度，從而降低橋梁結(jié)構(gòu)自重，提高橋梁跨越能力和抗震性能；高截面可有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和發(fā)揮UHPC抗壓性能，從而彌補材料彈性模量與強度不匹配的缺點。

2.2 正交異性鋼橋面板

隨著我國橋梁工程建設(shè)量的逐年增大，運營數(shù)年后既有橋梁結(jié)構(gòu)中的一些病害暴露出來。其中，鋼橋的正交異性鋼橋面易疲勞開裂和橋面瀝青鋪裝頻繁破損，是鋼橋中較為常見且不易整治的病害。

有學(xué)者[11]提出將UHPC材料應(yīng)用于公路鋼橋正交異性鋼橋面的橋面板，提出了鋼－UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)，以提高鋼橋面局部剛度，從而解決了鋼橋面病害問題。

鐵路鋼橋正交異性鋼橋面有著同樣的問題，且鐵路活載效應(yīng)和對結(jié)構(gòu)往復(fù)加載的效應(yīng)更大，鐵路荷載作用下正交異性鋼橋面有著疲勞開裂的風(fēng)險。因此，UHPC材料在鐵路鋼橋橋面有著良好適用性。

2.3 人行道蓋板

人行道蓋板作為橋梁結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式的蓋板較大程度增加結(jié)構(gòu)的自重，為降低二期恒載重量，采用無配筋UHPC材料制備薄板形式人行道蓋板，見圖2。但由于施工過程中，薄板承受沖擊等荷載而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致薄板結(jié)構(gòu)帶裂縫工作，在不配筋情況下有較大破壞風(fēng)險。

圖2 UHPC人行道蓋板

薄板形式人行道蓋板中細鋼纖維尚不能替代鋼筋的作用，薄板構(gòu)件宜采用混雜纖維形式，采用長纖維代替鋼筋。

2.4 裝配結(jié)構(gòu)后澆帶

隨著橋梁建造技術(shù)的發(fā)展和建造質(zhì)量要求提高，建造過程逐漸智能化、工廠預(yù)制化和裝配化，裝配件之間如何連接成為工程人員考慮的主要問題。在傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)中混凝土現(xiàn)澆濕接縫是較為可靠和成熟的連接技術(shù)。一方面由于濕接縫尺寸較大，增加了現(xiàn)場作業(yè)量，降低施工速度。另一方面由于普通混凝土與預(yù)制構(gòu)件間黏結(jié)強度較低，導(dǎo)致連接部位容易出現(xiàn)裂縫。

基于UHPC材料致密的材料結(jié)構(gòu)形式和黏結(jié)性能，在裝配式橋梁結(jié)構(gòu)濕接縫中有著良好適用性?？沙浞掷肬HPC材料的超高力學(xué)性能，減小濕接縫構(gòu)造尺寸，減小現(xiàn)場濕接縫工作量。UHPC材料可大幅提高裝配式橋梁結(jié)構(gòu)連接薄弱環(huán)節(jié)的抗拉性能和耐久性，從而提高結(jié)構(gòu)的整體性能。

2.5 負彎矩區(qū)材料

鋼混組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)中負彎矩區(qū)承受較大的拉應(yīng)力，在長期橋梁設(shè)計和建設(shè)過程中未有十分合理的方法解決此處混凝土受拉開裂的問題。

UHPC材料具有超高的抗壓強度，也具有良好的抗拉性能。在鋼混組合連續(xù)梁負彎矩區(qū)具有良好適用性，可抵抗負彎矩區(qū)抗拉效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 UHPC工程限制因素分析

雖然從力學(xué)性能和耐久性方面考慮UHPC材料有著諸多優(yōu)點，但UHPC材料在經(jīng)歷近30年研究和應(yīng)用后，尚未能夠進行大規(guī)模廣泛應(yīng)用。是由于UHPC材料在性能提高后，在實際應(yīng)用中存在著多方面的限制。本章節(jié)擬針對主要限制方面進行分析，旨在剖析UHPC材料應(yīng)用限制條件，為科研和工程人員發(fā)展方向提供借鑒。

3.1 相關(guān)規(guī)范不完善

UHPC材料由于其超高性能表現(xiàn)在多方面，且各配合比之間材料性能差別較大，因此增加了規(guī)范編制的難度。

目前，已有的全國性規(guī)范只有《活性粉末混凝土》[12](GB/T 31387—2015)，且規(guī)范只涉及材料相關(guān)的方面，未對結(jié)構(gòu)中的性能及計算方法進行相關(guān)規(guī)定和說明。

針對UHPC的材料相關(guān)、結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)、制造過程相關(guān)、結(jié)構(gòu)驗收相關(guān)等方面的規(guī)范尚未頒布，UHPC材料的應(yīng)用設(shè)計和結(jié)構(gòu)建造尚無明確的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

因此，該方面極大限制了UHPC材料在結(jié)構(gòu)中的設(shè)計、建造和驗收。廣大科研和工程人員應(yīng)針對目前已有基礎(chǔ)盡快編制UHPC材料、設(shè)計、建造和驗收等方面的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，為UHPC結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供依據(jù)，提高UHPC結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，為UHPC結(jié)構(gòu)性能提供支撐和保障。

3.2 材料制備技術(shù)要求高

UHPC材料是采用最大密實度理論和加入活性材料后形成的一種致密的新型水泥基復(fù)合材料，該種材料制備過程中有兩方面關(guān)鍵因素:其一，是對原材料的要求較高，不符合要求的原材料將直接影響材料的整體性能；其二，是材料制備過程一般需要強制式攪拌機、一定的攪拌工藝和蒸汽養(yǎng)護才能迅速達到超高力學(xué)性能。

目前廣泛使用的混凝土材料通常采用現(xiàn)場攪拌、澆筑和自然養(yǎng)護的方式進行制備。因此，UHPC材料在現(xiàn)場制備中存在諸多難點。

3.3 材料造價高

UHPC材料中加入了硅粉等活性材料，使得材料結(jié)構(gòu)致密，具有超高的抗壓強度，同時為降低材料的脆性，在其中摻入了鋼纖維，提高結(jié)構(gòu)的抗拉強度和韌性，從而形成具有超高抗壓強度、良好抗拉強度和抗裂性的混凝土材料。

UHPC中原材料的價格明顯高于普通混凝土，導(dǎo)致UHPC結(jié)構(gòu)的造價較高，成為限制UHPC材料在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

3.4 力學(xué)性能不完備

雖然科研人員針對UHPC材料進行了廣泛而深入的研究，但是基本都是基于各自團隊UHPC材料進行的一些探索和研究，尚未形成統(tǒng)一的理論。需在確定穩(wěn)定配合比基礎(chǔ)上，分析UHPC的材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

另外，對于UHPC材料的疲勞性能、抗沖擊性能、抗震性能等方面缺少研究資料。研究人員需針對該方面進行深入分析研究。

4 UHPC經(jīng)濟性分析

4.1 UHPC配合比及原材料

按照既有資料中RPC材料較為成熟的配合比，摻有2%體積量的鋼纖維。UHPC每立方米含有水泥∶硅粉∶石英砂∶鋼纖維∶水∶減水劑 ＝706∶160∶1 249∶160∶122∶69(kg)。其中水泥為 42.5＃普通硅酸鹽水泥，硅粉為SiO2含量高于90%的高活性硅粉，石英砂按照粗細程度分為粗、中、細三種，減水劑的減水率為29%，含固量為31%，鋼纖維為特制細圓形鍍銅鋼纖維，水為普通自來水。

4.2 因素化分析

據(jù)統(tǒng)計原材料的價格如下，水泥∶硅粉∶石英砂∶鋼纖維∶水∶減水劑 ＝550∶1 800∶320∶10 000∶4.1∶6 000(元/t)。

將原材料中每種材料現(xiàn)有摻量確定為100%，分別計算0%、25%、50%、75%、100%情況下，每立方米UHPC材料價格，具體見圖3。由圖3可知，鋼纖維對材料價格影響最大，水對材料價格影響最小，其余材料對價格的影響程度均在二者之間。

圖3 UHPC材料價格因素化分析

因此，在UHPC實際使用中可靈活調(diào)整鋼纖維摻量以達到最優(yōu)的使用性能和經(jīng)濟性。

5 UHPC在勝利黃河大橋維修改造工程中的應(yīng)用分析

5.1 工程概況

勝利黃河大橋全長約2.8 km，于1987年9月建成，是當(dāng)時亞洲主橋跨度最長的鋼斜拉式大橋，1989年榮獲“魯班獎”。隨著使用年限和通行車輛的不斷增加，勝利石油管理局于2003年4月對該橋路面進行過第一次全面大修。2015年、2019年先后兩次對大橋進行檢測，主橋被評為四類危橋，2019年引橋被評為五類危橋，安全隱患問題比較突出，亟需維修改造。大橋維修改造施工任務(wù)由中鐵十四局承擔(dān)。計劃2022年4月改造完成恢復(fù)通車。主要任務(wù)為主橋下部結(jié)構(gòu)和橋塔的加固及防腐、鋼梁維修加固及防腐涂裝、斜拉索更換、主橋橋面鋪裝更換、引橋上部結(jié)構(gòu)和蓋梁拆除重建、引道路面改造等。

5.2 橋面鋪裝

采用單層鋼筋網(wǎng)片布置，將縱向鋼筋放置于下層，橫向鋼筋放置在縱向鋼筋上，再用細鋼絲將縱橫鋼筋在相交處綁扎。后澆部分的鋼筋與先澆部分預(yù)留的鋼筋采用焊接連接。

橋面板橫向?qū)挾?6 m，厚度55 mm，鋼筋采用φ10鋼筋，布置間距50 mm，其中整橋共設(shè)置縱向鋼筋319根，長度681.5 m，橫向鋼筋13 629根，長度16 m。總長度435 462.5 m，總重量268 680 kg，其中縱向鋼筋距離橋面板凈距11 mm，鋼筋配筋率為0.86%。

5.3 UHPC收縮與鋼筋應(yīng)力

UHPC由于其致密的材料結(jié)構(gòu)和超細骨料的摻入，導(dǎo)致UHPC材料的收縮較大，國內(nèi)外學(xué)者[4]46－52對UHPC材料的收縮性能進行了試驗和理論分析，并建議在傳統(tǒng)UHPC基礎(chǔ)上加入粗骨料，以降低材料的收縮量。

根據(jù)前期學(xué)者研究結(jié)果表明，未摻粗骨料UHPC收縮量為1 810 με，摻粗骨料UHPC收縮量為 660 με。

采用以上兩種UHPC材料收縮變形量，利用鋼筋和UHPC材料受力平衡原理對橋面UHPC和鋼筋受力進行分析，受力分析模型見圖4。

圖4 收縮受力分析模型

鋼筋受力計算見公式(1):

UHPC橋面頂面受力計算見公式(2):

UHPC橋面底面受力計算見公式(3):

根據(jù)UHPC材料收縮和二者受力平衡理論計算得出鋼筋和UHPC橋面受力分析結(jié)果見表1。由表中結(jié)果可知由于UHPC材料的收縮性能，導(dǎo)致橋面板在材料產(chǎn)生收縮后鋼筋承受壓應(yīng)力，橋面板承受拉應(yīng)力。摻碎石后UHPC收縮量減小，鋼筋和橋面板受力減小。

表1 收縮受力分析結(jié)果

6 結(jié)束語

本文在對UHPC材料性能進行梳理基礎(chǔ)上，開展了UHPC材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析，總結(jié)了UHPC發(fā)展的限制因素，對UHPC材料價格展開因素化分析，得出主要結(jié)論如下:

(1)UHPC材料在橋梁主體結(jié)構(gòu)、橋面板、人行道蓋板、后澆帶和負彎矩區(qū)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，可充分發(fā)揮UHPC材料超高的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐久性。

(2)依據(jù)UHPC發(fā)展現(xiàn)狀，提出相關(guān)規(guī)范不完善、材料制備技術(shù)要求高、材料造價高和力學(xué)性能研究不完備是限制UHPC材料應(yīng)用的主要方面。

(3)基于RPC配合比和原材料價格[13]，開展材料價格因素化分析，結(jié)果表明鋼纖維對材料價格影響最大，水對材料價格影響最小，其余材料對價格的影響程度均在二者之間。

(4)UHPC材料在實際結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時可靈活調(diào)整材料組成，在滿足結(jié)構(gòu)使用要求基礎(chǔ)上達到最優(yōu)經(jīng)濟性。

(5)根據(jù)UHPC材料收縮和受力平衡理論對橋面板鋼筋和橋面結(jié)構(gòu)進行受力狀態(tài)分析。結(jié)果表明由于UHPC材料的收縮性能，導(dǎo)致橋面板在材料產(chǎn)生收縮后鋼筋承受壓應(yīng)力，橋面板承受拉應(yīng)力。摻碎石后UHPC收縮量減小，鋼筋和橋面板受力減小。