UHPC在橋梁工程中的發展綜述

高 翔，李 麗

(西華大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610039)

0 前 言

伴隨我國國民經濟的快速發展，城市化建設進程的步伐逐年加快，國家基礎設施的建設更是突飛猛進。在近二十年來，我國已建成橋梁多達80多萬座[1-2]。目前，人們對橋梁建造的認識更加標準化、規范化、合理化，對橋梁質量要求更苛刻，對橋梁的耐久性能要求也越來越高。實踐表明，過去結構簡單、功能單一的傳統混凝土橋梁存在大量的病害問題，嚴重縮短了橋梁壽命。由此，催生出了超高性能混凝土材料。超高性能混凝土是一種新型的水泥復合基工程材料，其優異的力學性能與耐久性能，使其近年來在國內外得到快速發展。

1 發展歷程

超高性能混凝土材料的起源可以追溯到20世紀70年代的丹麥，在20世紀80～90年代，歐洲國家對UHPC的研究進入到了系統化的階段，將UHPC材料在中小型的工程上。Yudenfreund等[3]采用了超細磨水泥、助磨劑等，通過真空攪拌技術拌制出了低孔隙率、超低水灰比的水泥石，并在28 d適宜的溫度、濕度養護后，測其立方體試件抗壓強度，高達205 MPa。同年，Roy D.M.等[4]將水泥凈漿試件在壓力達50 MPa的狀態下壓制成型，并在高壓、高溫技術下進行養護，試件內部的孔隙率微乎其微，其成型的水泥石試件抗壓強度最高達到了510 MPa。直到1994年，Larrard和Sedran才發表論文首次提出了“超高性能混凝凝土(UHPC)”這一概念[5]。

超高性能混凝土的發展和應用不是偶然的，近年來，其憑借著優異的力學性能和超高的耐久性能在橋梁工程的使用中脫穎而出。與傳統混凝土相比，其主要力學性能和耐久性能指標見表1。

從表1中不難看出，UHPC的抗壓強度和抗拉強度遠高于普通混凝的抗壓強度和抗拉強度，其抗折強度是普通混凝土強度的10倍之大。此外，在抗表面剝蝕性能以及抗凍融性能方面，高性能混凝土也表現得更優異。

表1 超高性能混凝土、高性能混凝土、普通混凝土的主要力學性能和耐久性能指標

2 UHPC在橋梁中的應用

由于UHPC具有優異的力學和耐久性能，在橋梁工程需求輕質高強、快速架設、經久耐用的背景下，引起了橋梁界的極大興趣和高度重視，在橋梁領域具有廣闊的應用前景。截止2020年為止，在全球范圍內，主體或者部分使用UHPC建造的橋梁從2016年的400多座增長到1 000多座，我國約有120座橋梁使用了UHPC材料[6]。

2.1 UHPC在國外橋梁中的應用

2001年，法國使用超高性能混凝土建成了世界上第一座公路橋[7]，該橋梁主梁采用預制的“π”形梁，橫向有5片主梁，主梁間通過翼緣板現澆UHPC濕接縫連接，橋梁只有人行道板、護欄、接縫處預埋了鋼筋，主梁等位置未配置普通鋼筋，由于UHPC的優異性能，減少了混凝土的使用量，大大減輕了橋梁的自身重量。

2004年，瑞士首次將超高性能混凝土應用于某一鋼筋混凝土橋面板加固中[8]，其橋梁跨徑10 m，橋面被氯離子和重車荷載嚴重破壞。加固方案是在其原橋面板上澆筑3 cm厚的配筋UHPC保護層。其次，在加固橋面板的同時，在混凝土欄桿上也澆筑一層3 cm厚的覆蓋層，增強欄桿的抗撞擊能力。瑞士不僅將UHPC運用于橋面板加固上，而且用在了加固防撞護欄、橋墩等方面。

2010年，全球第一座超高性能混凝土公路拱-Wild橋在奧地利建成[9]。橋梁總跨徑為154 m，主拱圈的跨徑為70 m，矢高18 m。該橋施工采用豎向下放式轉體法施工，拱軸線呈多邊形折線，主拱由2根單箱單室拱肋組成，拱肋間使用橫系梁將其連接，使其受力更均勻，提高橋梁穩定性。

2011年，美國首次將優化過的華夫型雙向帶肋UHPC橋面板使用在愛荷華州的Little Cedar Creek大橋[10]的建造上，該橋的總跨徑18.3 m，寬10 m，橋面板由華夫型雙向帶肋板預制而成，各個預制板之間通過UHPC接縫連接成連續板，預制板與主梁通過剪力槽和縱向濕接縫連接成整體。相比于傳統鋼筋混凝土橋梁，UHPC華夫橋面板的自重可減少約25%。在2013年，美國出臺了有關華夫橋面板的設計規范。

2015年，馬來西亞建成的UHPC箱形梁公路橋-Batu6橋[11],該橋目前世界上單跨最大的全預制拼裝橋梁。其單跨跨徑達100 m，橋梁寬為5 m。其主箱梁在工廠預制完成，UHPC箱梁預制時分為兩次澆筑，先澆筑腹板和底板，再澆筑頂板，待高溫養護完成后，再運輸到施工現場進行吊裝。到2020年，馬來西亞采用超高性能混凝土建成的橋梁已超100座，馬來西亞對超高性能混凝土的研究值得各國學習和參考。

2.2 UHPC在國內橋梁中的應用

2006年，我國首座采用超高性能混凝土的T梁橋[12]誕生于在遷曹鐵路工程中的灤柏干渠大橋，這為UHPC橋梁的建設提供了有價值的參考。

2017年初，坐落于江西省太原市的攝樂大橋建成通車[13]，全長約780 m。為了滿足攝樂大橋的外形景觀及服役要求，結合該橋外部環境條件，大橋主橋采用大幅變寬塔柱與空間扭索面相結合的獨塔斜拉橋，主梁采用半封閉雙邊箱鋼梁，使用UHPC對該橋進行橋面鋪裝。

2017年，我國建成成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋[14]，其主拱采用拱墩固結、拱梁分離的剛架系桿拱體系，跨長為336 m，矢高100 m。主橋公路橋面采用正交異性整體鋼橋面板，為了延長其耐久性能，橋面板采用新型UHPC雙層鋪裝體系，上層為4 cm改性瀝青SMA10，下層采用4.5 cm厚的UHPC，兩層中間設置環氧防水粘結層。

2011年，我國首次將超高性能混凝土應用在肇慶馬房橋梁[11]加固工程中，采用鋼箱梁與UHPC組合成輕型組合橋結構。肇慶馬房橋梁營運期間經過多次維修，依然存在主梁鋪裝層嚴重破壞以及鋼結構疲勞破壞，使用50 mm厚的UHPC進行維修加固，截至目前，其輕型組合結構依然運行良好。這為UHPC在國內的發展奠定了基礎，如今國內已有17座橋梁采用了鋼-UHPC組合橋面。2016年，蕰藻浜大橋[15]在服役多達20多年后，經檢查，發現其橋面板碳化嚴重，槽型主梁內部積水，且底板和腹板出現大量裂縫。采用現澆UHPC薄層法進行加固，可以增強橋面板的剛度，加強主梁和橋面板之間的聯系。運營至今，仍未出現任何問題，加固效果可靠。

2.3 UHPC在橋梁發展中存在的問題

超高性能混凝土材料雖在其力學性能和耐久性能方面有絕對的優勢，但較低水膠比和高膠凝材料用量，使其生產成本高昂且具有較大收縮等不足，從而導致超高性能混凝土材料無法廣泛應用于工程中，這也是超高性能混凝土材料在橋梁建設領域雖有發展，但尚無法普及和廣泛應用的原因。

1)制備工藝要求高。超高性能混凝土是基于緊密堆積理論配制的，要使組成材料的顆粒級配達到緊密狀態，所以其中不使用粗骨料而替換成硅灰，采用聚羧酸等高效減水劑降低水膠比，摻入大量鋼纖維進行進行攪拌。攪拌時，拌料容易成團，對攪拌設備的要求較高。在澆筑完成后，為使超高性能混凝土達到最佳的狀態，要保證在高于90℃的溫度且蒸壓條件下養護，而現場澆筑超高性能混凝土難以保證養護條件。

2)生產成本高。近年來，配制超高性能混凝土所用的原材料，例如：磨細石英砂、硅灰、高效減水劑等價格一直居高不下，導致生產超高性能混凝土的價格遠遠高出普通混凝土價格，且為了防止鋼纖維材料生銹，不降低超高性能混凝土性能，需要對鋼纖維表面鍍銅，使其生產成本再度上漲。為此，在保證超高性能混凝土性能的同時，尋找更經濟實惠的材料代替價格高昂的材料或者實現廢物再循環利用，是未來的主要研究方向。

3)收縮變形大。制備超高性能混凝土需要使用大量的水泥和硅灰等活性材料，同時加入聚羧酸減水劑降低水膠比，導致前期超高性能混凝土水化放熱大，造成的自身收縮量也大。由于超高性能混凝土需要在高溫條件下養護，在養護期間，局部溫度發生改變，也會造成溫度收縮。因此，通過何種方法減小其收縮變形也是以后的重要研究方向。

4)設計理論規范不完善。目前，國外對超高性能混凝土的生產、設計及應用出版了相關規范，2014年，瑞士出版了《UHPFRC:建筑材料、設計與應用》(SIA 2052)，2016年，法國出版了《超高性能纖維增強混凝土:規范、性能、生產和合格評定》(NF P18-470)、《超高性能纖維增強混凝土結構設計規范》等規范，而國內對超高性能混凝土的研究相對滯后，相關規范還未完善，相信待相關規范完善后，能加速超高性能混凝土在我國橋梁工程中的應用與發展。

3 結論與展望

超高性能混凝土發展已有20多年，UHPC其優異的力學性能和超高的耐久性在全世界都得到了廣泛的認可。從目前在橋梁工程的發展中來看，UHPC已被用于橋梁加固、橋梁接縫、組合橋梁結構和全UHPC橋梁結構。其解決了傳統鋼筋混凝土橋梁自重大、鋼橋面容易開裂等一系列問題，UHPC是未來建造高質量橋梁的重要選擇之一。盡管目前國內已對UHPC橋梁結構進行了大量的研究，但都處于初始階段，需要進一步的修改和完善，尚未能在國內橋梁工程中獲得廣泛的應用。

今后，應在大量試驗研究的基礎上，盡快完善有關超高性能混凝土橋梁的理論設計規范。采用有效的方法降低超高性能混凝土的生產成本，利用技術手段降低其收縮變形，補充完善有關的施工工藝規范，推動超高性能混凝土橋梁在我國高質量發展和建設。

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