超高性能混凝土（UHPC）是指抗壓強(qiáng)度大于100MPa，各項(xiàng)性能都十分優(yōu)良的一種混凝土材料。以二航局修建的怒江二橋工程為例，重點(diǎn)介紹了在此工程中UHPC的原材料組成、配制方法、模型實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工等應(yīng)用情況。對(duì)UHPC材料在橋梁工程中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC），不同于普通混凝土，是指抗壓強(qiáng)度大于100MPa，各方面性能都十分優(yōu)良的混凝土。UHPC最早于1993年由法國的皮埃爾·理查德研究小組研制而成。加拿大利用UHPC材料修建了第一座UHPC景觀橋，隨后美國、歐洲等國也在一些公路橋梁等工程中開展了實(shí)際應(yīng)用。
UHPC與普通混凝土的組成和配制方法不同，最大的區(qū)別在于其配制采用超低水灰比，添加高活性的火山灰摻合料，鋼纖維和高效減水劑，以及不使用粗骨料，改為用高品質(zhì)細(xì)集料來填充配制。制備UHPC的原材料主要包含高品質(zhì)水泥、硅灰等活性摻合料、石英砂石英粉、鋼纖維、高效減水劑等。UHPC擁有超高強(qiáng)度，超高耐久性，超高韌性等諸多優(yōu)點(diǎn)。
通常UHPC的生產(chǎn)主要是以高溫預(yù)制的方式進(jìn)行，通過對(duì)成型后的UHPC試件進(jìn)行加壓，并采取高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，可以得到不同強(qiáng)度等級(jí)的UHPC預(yù)制構(gòu)件。據(jù)資料表明，UHPC在常溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下也可被用作現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑，現(xiàn)場(chǎng)澆筑出來UHPC性能指標(biāo)較預(yù)制的低一些，抗壓強(qiáng)度通常在100-150MPa之間。
當(dāng)前，國內(nèi)UHPC的應(yīng)用途徑很少，且主要以預(yù)制為主，比如高鐵工程上使用的UHPC蓋板等，很少有應(yīng)用于現(xiàn)澆工程中，特別是UHPC應(yīng)用于橋梁之中。本文以二航局修建的怒江二橋工程為例，介紹現(xiàn)澆UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用。
1 工程概況
UHPC應(yīng)用依托的怒江二橋是由二航局修建的獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋，跨徑組合為81+175m，總體布置如圖1所示，橋面寬度32m，采用塔、墩、梁固結(jié)體系。RC橋塔高70m，斜拉索采用平行鋼絲體系，扇形布置。為減小邊中跨比并提高主跨跨越能力，主梁采用混合梁，主跨采用鋼箱梁，截面如圖2所示。邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，標(biāo)準(zhǔn)截面如圖3所示。鋼混結(jié)合段設(shè)置在主跨側(cè)距橋塔中心線8.75m處。
圖1 怒江二橋總體布置圖Fig.1Layout of Second Nu Jiang bridge
圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面Fig.2Standard section of steel box girder
圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面Fig.3 Standard section of prestressed concrete box girder
邊跨采用滿堂支架現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工。考慮到橋位處怒江水流速度高達(dá)5～6m/s，水路運(yùn)輸和棧橋搭設(shè)都難以實(shí)現(xiàn)，因此鋼箱梁采用現(xiàn)場(chǎng)組拼-纜索吊吊裝的工藝施工。
鋼混結(jié)合段是混合梁斜拉橋受力最關(guān)鍵的部位，設(shè)計(jì)階段原先考慮結(jié)合段內(nèi)腔混凝土采用C55，與此對(duì)應(yīng)，施工階段斜拉索張拉需分階段進(jìn)行，為簡(jiǎn)化施工工序，施工控制提出采用斜拉索一次張拉到位的工藝，而為保證鋼混結(jié)合段受力滿足要求，需提高結(jié)合段混凝土強(qiáng)度，因此，提出將內(nèi)腔C55混凝土換成強(qiáng)度可達(dá)100MPa的UHPC。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 UHPC材料組成與試配
此次施工采用UHPC在工廠混和完成，袋裝運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，然后加水拌和的工藝。UHPC的組分含有：中熱水泥，粉煤灰，硅灰15-20%，磨細(xì)石英砂粉（膠砂比約為1:1），混雜纖維（其中鋼纖維長(zhǎng)度2cm，長(zhǎng)徑比1/65-1/80，摻量為體積比1.5%；聚丙烯纖維），粉體聚羧酸外加劑，減水率約為36%�，F(xiàn)場(chǎng)拌和水膠比0.18-0.20，試拌混凝土強(qiáng)度見表1，用水量9.5%，試件尺寸均為100×100×100mm。
2.2 模型實(shí)驗(yàn)
在指揮部協(xié)調(diào)下，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了混合梁結(jié)合段混凝土模型試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。試驗(yàn)內(nèi)容包括澆筑工藝以及荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期目標(biāo)。
圖4 混合梁結(jié)合段模型Fig.4Joint girder model
3 UHPC現(xiàn)場(chǎng)施工
UHPC的生產(chǎn)在工程現(xiàn)場(chǎng)的商品混凝土站，一臺(tái)站拌和普通的C55混凝土，一臺(tái)站拌和UHPC。袋裝UHPC從拌合站的砂石料倉加入，加水?dāng)嚢?-10分鐘（實(shí)際經(jīng)過三輪調(diào)試后，攪拌時(shí)間為5分鐘），然后由混凝土攪拌車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，通過汽車泵輸送至倉面。一個(gè)倉連續(xù)不停的進(jìn)行UHPC的攪拌供應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)，總澆筑方量為90m3，最終總澆筑時(shí)間為16h。
混凝土每罐攪拌約2方混凝土，控制下料重量5000kg左右，加水470kg左右，調(diào)試過程稍有10kg左右的微調(diào)。
圖5 UHPC生產(chǎn)攪拌站Fig.5Production mixing station of UHPC
圖6 UHPC下料生產(chǎn)Fig.6 Production of UHPC
由于UHPC沒有粗骨料，且流動(dòng)性好，初凝時(shí)間長(zhǎng)，因此容易發(fā)生漏漿，對(duì)澆筑空間的密閉性要求較高。因此，澆筑前需對(duì)模板以及鋼箱梁形成的腔室進(jìn)行仔細(xì)檢查，盡量不要出現(xiàn)較大的縫隙，發(fā)現(xiàn)有縫隙應(yīng)采用土工布塞堵等方法進(jìn)行處理。
圖7 UHPC澆筑布置Fig.7Placement of UHPC
現(xiàn)場(chǎng)泵送采用一臺(tái)天泵，先澆筑底板部分C55普通混凝土，然后澆筑UHPC，后續(xù)依次交替進(jìn)行。C55混凝土與UHPC交界處，加強(qiáng)該處混凝土的振搗，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混合后強(qiáng)度介于C55與UHPC之間。
圖8 泵送澆筑UHPCFig.8Pump casting UHPC
通過現(xiàn)場(chǎng)澆筑UHPC，總結(jié)出UHPC在澆筑施工時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：
1、UHPC離差系數(shù)大，對(duì)加水量誤差非常敏感，要求現(xiàn)場(chǎng)原材料、水計(jì)量非常精確。
2、UHPC粘度較大，在采用泵送施工時(shí)不宜中斷，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)UHPC泵送性能良好。
3、UHPC坍落度很大，沒有粗骨料，現(xiàn)場(chǎng)模板要求密封嚴(yán)密，否則容易漏漿。
4、UHPC攪拌時(shí)間大于普通混凝土，混凝土生產(chǎn)效率較低，攪拌時(shí)間3-5分鐘。
4 UHPC應(yīng)用展望
UHPC擁有極佳的力學(xué)性能和耐久性能，尤其是其抗彎折強(qiáng)度較普通混凝土大幅提高，可以有效提升增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，延長(zhǎng)橋梁服役使用的周期。UHPC由于其獨(dú)特的超高性能，可以展望其在以下橋梁工程中的應(yīng)用：
（1）UHPC用于鋼結(jié)構(gòu)橋面鋪裝。鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有重量輕，跨度大的優(yōu)勢(shì)，橋面鋪裝通常采用瀝青，瀝青與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合力差，如果橋面車輛載重大，容易造成瀝青層的快速脫落，甚至?xí)䲟p壞鋼箱梁，對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害。在鋼結(jié)構(gòu)箱梁與瀝青層之間施加一道薄層UHPC，可以起到減緩鋼箱梁承載變形能力，延長(zhǎng)橋面瀝青層的使用壽命。
（2）UHPC用于設(shè)計(jì)新型橋梁結(jié)構(gòu)形式。由于橋梁施工裝備化的快速發(fā)展，如今的橋梁結(jié)構(gòu)形式也越來越多樣化。UHPC的超高力學(xué)性能，可以用來替代普通混凝土設(shè)計(jì)輕薄型橋梁結(jié)構(gòu)，比如薄壁箱梁的預(yù)制。此外，UHPC還可與鋼管復(fù)合用來配制高強(qiáng)鋼管混凝土，增大拱橋的跨徑。
（3）UHPC用于橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)受力部位。橋梁局部受拉、局部受壓，以及結(jié)合段等一些關(guān)鍵受力部位，是容易疲勞開裂破損的部位，往往對(duì)材料的力學(xué)性能要求更高。使用UHPC替代普通混凝土進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，有助于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力。
（4）UHPC用于橋梁的結(jié)構(gòu)維修加固。橋梁在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間服役后由于受到荷載、環(huán)境侵蝕作用，會(huì)出現(xiàn)局部破損甚至開裂的現(xiàn)象。通過清除腐蝕破壞的舊混凝土層和更換銹蝕鋼筋，澆筑UHPC保護(hù)加固層形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以大幅提高損傷部位的耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的壽命。
