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)場澆筑施工等應(yīng)用情況。對uhpc材料在橋梁工程中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
0 引言
超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，簡稱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)場施工澆筑，現(xiàn)場澆筑出來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)場澆筑施工?？紤]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，與此對應(yīng)，施工階段斜拉索張拉需分階段進(jìn)行，為簡化施工工序，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，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（其中鋼纖維長度2cm，長徑比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)場施工
uhpc的生產(chǎn)在工程現(xiàn)場的商品混凝土站，一臺站拌和普通的c55混凝土，一臺站拌和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，攪拌時間為5分鐘），然后由混凝土攪拌車運(yùn)輸至現(xiàn)場，通過汽車泵輸送至倉面。一個倉連續(xù)不停的進(jìn)行uhpc的攪拌供應(yīng)現(xiàn)場，總澆筑方量為90m3，最終總澆筑時間為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，且流動性好，初凝時間長，因此容易發(fā)生漏漿，對澆筑空間的密閉性要求較高。因此，澆筑前需對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)場泵送采用一臺天泵，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)場澆筑uhpc，總結(jié)出uhpc在澆筑施工時需要注意以下事項(xiàng)：
1、uhpc離差系數(shù)大，對加水量誤差非常敏感，要求現(xiàn)場原材料、水計(jì)量非常精確。
2、uhpc粘度較大，在采用泵送施工時不宜中斷，現(xiàn)場檢驗(yàn)uhpc泵送性能良好。
3、uhpc坍落度很大，沒有粗骨料，現(xiàn)場模板要求密封嚴(yán)密，否則容易漏漿。
4、uhpc攪拌時間大于普通混凝土，混凝土生產(chǎn)效率較低，攪拌時間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，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)p壞鋼箱梁，對結(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)過長時間服役后由于受到荷載、環(huán)境侵蝕作用，會出現(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，延長結(jié)構(gòu)的壽命。