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青龍洲大橋UHPC矮肋橋面板

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力學(xué)性能和超高的耐久性能，被認(rèn)為過去三十年最優(yōu)異的水泥基復(fù)合材料之一，能較好地適應(yīng)當(dāng)前土木工程結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜化的趨勢，也能符合社會可持續(xù)發(fā)展對高性能材料發(fā)展要求。近年來，UHPC材料與結(jié)構(gòu)已成為了熱點(diǎn)研究方向，相關(guān)專利與論文數(shù)量呈指數(shù)型增長，UHPC應(yīng)用數(shù)量、范圍與地區(qū)不斷攀升，各類規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地制定與修訂之中。本文圍繞超高性能混凝土的研究與工程運(yùn)用現(xiàn)狀，梳理超高性能混凝土在橋梁工程、建筑工程以及防護(hù)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，為超高性能混凝土材料今后進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1994年，Larrard與Sedran首次提出了超高性能混凝土UHPC（Ultra-High Performance Concrete）的概念。同年，法國的Richard報(bào)道了最具代表性的超高性能混凝土——活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete），宣告混凝土進(jìn)入超高性能時代。超高性能混凝土一經(jīng)問世，便得到土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，近年來UHPC材料與結(jié)構(gòu)相關(guān)研究發(fā)展迅速。圖1基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果顯示，從1996年至2019年國內(nèi)外發(fā)表與UHPC相關(guān)的論文及申報(bào)的專利呈指數(shù)型增長趨勢，UHPC的研究與應(yīng)用已發(fā)展成為了土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在我國工程院戰(zhàn)略咨詢中心等單位發(fā)布的《全球工程前沿報(bào)告2018》中，超高性能混凝土與智能水泥基復(fù)合材料位列土木、水利與建筑工程領(lǐng)域前沿發(fā)展第2位。

圖1 UHPC相關(guān)論文及專利數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢

盡管UHPC材料的研究日臻完善，但是UHPC應(yīng)用仍然處于較為初級的階段，在實(shí)際工程建造中離取代傳統(tǒng)土木工程材料（如普通混凝土）仍有相當(dāng)大的距離。制約其大規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵之一是，當(dāng)前UHPC應(yīng)用中仍主要沿用傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)理論，難以充分發(fā)揮UHPC性能優(yōu)勢、獲取性價比優(yōu)異的高性能結(jié)構(gòu)。

圖2 UHPC發(fā)展國內(nèi)外大事年表

圖2給出了UHPC發(fā)展的主要大事年表，可以較為清晰地看出UHPC發(fā)展的幾個不同的階段。20世紀(jì)80年代以前，受技術(shù)限制，只能通過一些特殊手段（如真空拌和和高溫養(yǎng)護(hù)）來提高混凝土的致密性和強(qiáng)度。雖然這種混凝土具有高抗壓強(qiáng)度，但韌性很差，且在制作過程中的能耗較高，難以應(yīng)用于實(shí)際工程。20世紀(jì)80年代，丹麥學(xué)者研發(fā)成功DSP，加入了超塑化劑和硅灰，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到345MPa，由于材料很脆，通常摻入鋼纖維來改善其韌性。20世紀(jì)90年代，活性粉末混凝土（RPC）被研發(fā)成功，RPC是以DSP為膠凝材料，配以較小粒徑、間斷級配的石英砂和鋼纖維所組成，抗壓強(qiáng)度可達(dá)200MPa～800MPa，具有良好的施工和易性，便于實(shí)際工程應(yīng)用。同時，法國Larrard等首次將基于DSP配制而成的混凝土材料統(tǒng)稱為超高性能混凝土UHPC，此后這一概念被廣泛采用。2000年以后，UHPC得到快速發(fā)展，性能不斷改進(jìn)，組分也不斷優(yōu)化，價格也逐漸降低，應(yīng)用日趨廣泛。近十年，UHPC的研究主要集中在如何充分利用UHPC性能特點(diǎn)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式、制定相關(guān)的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，為大規(guī)模化推廣與應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

經(jīng)過30年左右的發(fā)展，UHPC材料與結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)深入到與之相關(guān)的方方面面。早期研究主要側(cè)重UHPC自身材料層面，包括：組成和配合比、摻入纖維性能與影響、拌合物性能、力學(xué)性能、變形性能、長期性能、養(yǎng)護(hù)方法等方面。近期研究中，主要側(cè)重UHPC結(jié)構(gòu)研發(fā)與應(yīng)用，包括：UHPC基本構(gòu)件性能、組合構(gòu)件與結(jié)構(gòu)性能、連接構(gòu)件性能、基于UHPC的既有結(jié)構(gòu)加固，以及基于UHPC的新結(jié)構(gòu)與新體系的研發(fā)。當(dāng)然，由于UHPC具有面向需求的可調(diào)配性與可設(shè)計(jì)性，面向結(jié)構(gòu)性能需求設(shè)計(jì)功能化的UHPC也是近期研究中的熱點(diǎn)問題之一。就UHPC研究而言，總體上呈現(xiàn)出由UHPC材料研究向結(jié)構(gòu)與應(yīng)用研究過渡的特征?？梢灶A(yù)見，這些研究都將推動UHPC材料的大規(guī)?；瘧?yīng)用、結(jié)構(gòu)范式的變革，以及高性能結(jié)構(gòu)時代的到來。

由于UHPC所具有超高力學(xué)性能與耐久性能，UHPC結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為具有結(jié)構(gòu)自重小、韌性好、耐久性高、設(shè)計(jì)自由度大、符合可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)。下面將從橋梁工程、建筑工程、防護(hù)工程等方面梳理UHPC的運(yùn)用現(xiàn)狀。

橋梁工程

在橋梁工程中，UHPC已被應(yīng)用于主梁結(jié)構(gòu)、拱橋主拱、橋面結(jié)構(gòu)、橋梁接縫及舊橋加固等多方面。目前，將UHPC材料作為主要或部分建筑材料的橋梁主要分布在亞洲（東亞、東南亞）、歐洲、北美洲和大洋洲，包括馬來西亞、中國、日本、韓國、越南、緬甸、法國、德國、瑞士、荷蘭、奧地利、捷克、意大利、斯洛文尼亞、西班牙、加拿大、美國、澳大利亞、新西蘭等國家。其中，馬來西亞、美國、加拿大、中國、日本等國家應(yīng)用UHPC材料的橋梁均在70座以上。在UHPC橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和推廣方面，僅馬來西亞一國就已經(jīng)建成150座UHPC橋梁（截至2019年底），絕大多數(shù)為主梁結(jié)構(gòu)采用UHPC材料。北美洲（加拿大和美國）主要將UHPC材料應(yīng)用于橋梁接縫，約有350座采用UHPC材料的橋梁，其中約有25座為主體結(jié)構(gòu)（主梁）采用UHPC材料，其余均為將UHPC應(yīng)用于橋面板接縫等局部構(gòu)造。而中國目前約有80座橋梁采用了UHPC材料，其中約有20座橋梁主體結(jié)構(gòu)（主梁、拱圈等）采用UHPC材料，其余主要用于鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆接縫、維修加固等方面。近年來UHPC在橋梁中的應(yīng)用主要集中在亞洲，這與亞洲多國仍處于大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)時期有關(guān)，也與UHPC在這些國家具有相對較低的價格有關(guān)。

a.南京長江五橋施工圖

b.廣東高恩剛架拱橋

圖3 UHPC在我國橋梁中的應(yīng)用實(shí)例

建筑工程

UHPC在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也得到了較為廣泛的關(guān)注。2001年美國伊利諾伊州，建成了18m直徑的RPC圓形屋蓋，設(shè)計(jì)中考慮了RPC優(yōu)異的抗拉性能和延性。該屋蓋用時11天現(xiàn)場拼裝而成，采用鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場拼裝大約為35天，使用RPC方案在獲得良好性能的同時，也大大縮短了施工工期。該屋蓋的設(shè)計(jì)因先進(jìn)建筑材料與結(jié)構(gòu)形式完美結(jié)合，獲得了2003年Nova獎提名。相比其他國家，UHPC在法國建筑行業(yè)認(rèn)可度更高，得到建筑師的普遍青睞。1998年，就在卡特農(nóng)核發(fā)電廠中采用了預(yù)制預(yù)應(yīng)力UHPC梁。此后，UHPC廣泛運(yùn)用于建筑幕墻、屋蓋、外墻掛板中，如圖5所示。在我國，深圳的超高層建筑“京基100”（京基金融中心）、杭州的余杭大劇院、寧波的未來城科普中心、南京雨花中學(xué)等結(jié)構(gòu)中部分運(yùn)用了UHPC材料。

總體上，相比橋梁結(jié)構(gòu)，UHPC在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用相對較少，目前主要側(cè)重中非承重裝飾性構(gòu)件上。這一現(xiàn)狀的主要原因是：建筑結(jié)構(gòu)相比橋梁結(jié)構(gòu)跨越要求低，傳統(tǒng)普通混凝土就能夠較好地勝任，考慮價格因素等，一定程度上限制了UHPC在建筑結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。

防護(hù)工程

由于涉密原因，鮮有資料公開基于UHPC研發(fā)的軍事防護(hù)結(jié)構(gòu)與性能。但是，目前已有大量的文獻(xiàn)廣泛地研究了UHPC梁、板和柱等構(gòu)件在不同沖擊荷載（如低速撞擊、侵徹、爆炸荷載）作用下的性能。總體上，這些研究工作的主要結(jié)論為：相比普通混凝土，UHPC具有優(yōu)異的抗沖擊性能，能夠顯著減小防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的損傷，在軍事防護(hù)結(jié)構(gòu)中具有廣泛的研究前景。

除了軍事防護(hù)結(jié)構(gòu)中，UHPC近年在民用低速沖擊防護(hù)中也逐步得到關(guān)注。例如，考慮寒區(qū)等惡劣環(huán)境因素，有學(xué)者利用UHPC超高的耐久性和抗撞性能，提出了UHPC與普通混凝土組合的新型防撞護(hù)欄、鋼-UHPC組合的防撞消能裝置，為實(shí)際車/船撞防護(hù)提供了新思路。

其他領(lǐng)域

除了上述3個主要領(lǐng)域，UHPC還在市政、電力、軌道交通工程方面有所應(yīng)用，諸如井蓋結(jié)構(gòu)，電纜溝槽、支架、蓋板，輕型電桿、重載電桿，裝配式變電房，地鐵疏散平臺，隔聲板和構(gòu)件，預(yù)制輕型排水溝等。這些應(yīng)用也表明UHPC的高性能使其具有強(qiáng)健的適應(yīng)能力，具有廣闊的應(yīng)用空間與前景。

隨著近年來UHPC在工程中的運(yùn)用，相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)已逐步制定或正在制定。表 3統(tǒng)計(jì)了世界各國已制定或正在制定的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。由表2可知，大部分UHPC相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)是近5年內(nèi)制定的，有相當(dāng)一部分規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)尚處于編制中（特別是在我國），反映出目前UHPC應(yīng)用尚處于初始階段。隨著各類規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的出臺，將極大推動UHPC在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，值得注意的是，由于UHPC成為學(xué)界和工程界的熱點(diǎn)，多種多樣相似的UHPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范正在制定中。這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的出臺帶來便利的同時，也可能給工程技術(shù)人員帶來困擾。因此，如何提高UHPC工程技術(shù)規(guī)范體系的先進(jìn)性對UHPC應(yīng)用與長期發(fā)展至關(guān)重要

UHPC期待結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

推動UHPC大規(guī)?；瘧?yīng)用的過程中，除了進(jìn)一步降低UHPC材料造價外，更重要的是把握工程需求，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，發(fā)展與UHPC相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。過去二十余年，筆者團(tuán)隊(duì)在這方面做了一些探討與研究。

鋼-UHPC新型組合結(jié)構(gòu)。筆者團(tuán)隊(duì)于2010年提出了正交異性鋼板-薄層UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)。UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)在基本不增加自重的前提下，大幅提高了橋面的局部剛度，并且為瀝青面層提供了易黏結(jié)的混凝土基面，從而可同時解決正交異性鋼橋面的兩大難題。同時，項(xiàng)目組對UHPC進(jìn)行針對性強(qiáng)化，通過摻入納米組分、混雜鋼纖維和重配筋協(xié)同增韌，并施以高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，將其抗裂強(qiáng)度提升至30%～42MPa，獲得了鋼橋面專用UHPC材料，稱其為超高韌性混凝土STC（Super Toughness Concrete）。此外，為了降低大跨徑鋼-混凝土組合梁的自重，研發(fā)了鋼-UHPC矮肋橋面板組合橋梁結(jié)構(gòu)，在降低自重的同時確保橋面剛度。此新結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)組合梁可減小30%～40%的自重，而橋面板+鋪裝的綜合單價僅為傳統(tǒng)鋼橋面系的一半。

基于UHPC的大跨徑箱梁橋新結(jié)構(gòu)。針對大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋自重過大、主跨過度下?lián)虾土后w開裂等難題，筆者團(tuán)隊(duì)提出了單向預(yù)應(yīng)力UHPC薄壁連續(xù)箱梁新結(jié)構(gòu)。因自重輕、強(qiáng)度高、徐變小，UHPC箱梁可避免傳統(tǒng)大跨預(yù)應(yīng)力箱梁橋主跨過度下?lián)虾土后w開裂的風(fēng)險，并將混凝土連續(xù)梁橋的極限跨徑拓展至500m，且經(jīng)濟(jì)性通常優(yōu)于同等跨徑的斜拉橋和懸索橋。這種新型箱梁結(jié)構(gòu)將在廣東英德市S292線一座跨徑102m簡支梁上實(shí)施。

圖4 鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)

圖5 鋼-UHPC輕型組合梁

圖6 青龍洲大橋UHPC矮肋橋面板

圖7 單向預(yù)應(yīng)力UHPC薄壁箱梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖

根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)的UHPC實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，UHPC的推廣與應(yīng)用根本在于：良好的性價比和優(yōu)良的品質(zhì)。在UHPC創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展中需要重視以下幾方面：

（1）緊密把握工程需求，以需求為目標(biāo)研發(fā)產(chǎn)品；

（2）構(gòu)建材料、結(jié)構(gòu)、施工、裝備等多學(xué)科全鏈條化的協(xié)作團(tuán)隊(duì)；

（3）整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建健康的行業(yè)及市場體系。

工程材料的發(fā)展是工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要驅(qū)動力，而結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也是新材料能否有生命力與競爭力的關(guān)鍵所在。當(dāng)前UHPC材料與結(jié)構(gòu)已成為了熱點(diǎn)研究方向，相關(guān)專利與論文數(shù)量呈指數(shù)型增長。同時，UHPC應(yīng)用數(shù)量、范圍與地區(qū)不斷攀升，各類規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地制定與修訂之中，為UHPC結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。

可以預(yù)見，隨著我國UHPC相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)制定與實(shí)施，必將進(jìn)一步推動UHPC在新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)加固中的運(yùn)用與發(fā)展。同時，需要注意的是，在UHPC材料、創(chuàng)新性運(yùn)用UHPC、先進(jìn)的規(guī)范體系等方面仍然需要投入較大研發(fā)力量，推動UHPC材料與結(jié)構(gòu)向高質(zhì)量、規(guī)?；\(yùn)用方向發(fā)展。