法国公路桥梁uhpc设计三

法国公路桥梁uhpc设计三

11章开头的结论是本文的第四个部分，也是最后一个部分。第一部分分为三章、第二部分、第四部分和第三部分，并在本期刊上发表在第十三章。11uhpc的项目和产品应用11.1混凝土构件的建造许多公路桥梁处于严酷环境,如盐水冻融、氯离子侵入诱发钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀等,达不到期望的使用寿命或经常需要维修加固。UHPC提供了建造超长寿命桥梁的可能性,许多UHPC的应用研发工作也因此是围绕桥梁展开的。法国在2001年最早建成两个相同结构UHPC公路桥梁—Bourg-lès-ValenceOA4和OA6跨线桥。这两个桥梁的下部结构(墩柱和桥台)与传统桥梁一样,使用C30钢筋混凝土。上部结构的布局、尺寸按照传统预应力梁跨线桥设计,不同的是:梁与桥面板由5个并排的门型梁(英文称“π型梁”)构成,见图11.1。门型梁为预制先张预应力梁,采用设计抗压强度175MPa(实际28d达到210MPa)、钢纤维体积含量3%的自密实UHPC浇筑,常温饱和湿度养护,2天脱模。门型梁之间的横向接口和纵向翼板接口,采用预拌自密实UHPC现场灌注,刚性连接形成连续、无接缝整体桥面板,上面直接铺设沥青混凝土铺装层。OA4桥门型梁长22.5m,高0.9m,宽2.4m,翼板(桥面板)厚0.11m,梁重量37吨。OA4桥一个门型梁中有30束高强预应力钢绞线,不设被动钢筋,仅设置横向和纵向接口的连接钢筋。该UHPC桥的等效桥板厚度为0.25m,自重只有传统预应力混凝土桥梁的三分之一。桥梁的建造施工过程,包括门型梁预制、运输安装和现场接口灌注等,非常顺利,没有使用任何新的机具设备。这种创新性梁板一体的桥型,能够同时发挥UHPC的超高强度和超高耐久性。接口灌注UHPC施工方便快速,连接可靠,现在越来越广泛地应用于预制混凝土构件的接口连接。法国在建造这两个桥梁的同时,进行了许多材料和结构性能试验,以及设计验证工作,为编制法国UHPC设计指南提供了依据,也为UHPC桥梁设计施工积累了经验。2012年对该桥进行了详细检查评价,UHPC结构(预制梁和现浇接口)在11年后状态良好(参考文章之三9.5节)。2004年澳大利亚建造的ShepherdsGullyCreek公路桥,采用I型UHPC梁。这种桥型是在两个I型UHPC主梁之间,搭设25mm厚度的UHPC板作为永久模板,上面浇筑普通钢筋混凝土桥面板(见图11.2)。UHPC板具有永久模板和保护上部结构两个功能。法国2005年建造的StPierrelaCour公路桥也采用了这种I型梁结构。2005年法国还建造了UHPC箱型梁公路桥—PS34跨线桥,为跨径47.4m的单跨单车道桥,由一个顶板宽4.4m(含翼板)、高度1.63m的UHPC箱型梁构成,见图11.3。建造过程为:工厂预制22个镶合成型(match-cast)的箱梁节段,运输到现场平台进行节段拼接,节段相互粘接,用6束体外预应力钢索张拉形成整体,然后整体吊装就位,梁总重量小于200吨。厚度0.14m的箱梁顶板,既是桥面板也是路面板。桥面不铺设防水层和沥青混凝土铺装层。在箱梁预制成型时,使用特殊纹理模板,使箱梁顶面直接浇筑形成UHPC粗糙纹理,作为车行路面,保证抗滑性能。传统结构、同样功能跨线桥,需要使用200m3的C45混凝土,该桥的UHPC用量约80m3,施工周期则缩短了至少1个月,并且取消了中间桥墩、桥面防水和铺装层。该节段拼装UHPC箱梁桥的等效桥板厚度为0.28m,梁的跨/高比约30。如果标准化工业预制桥梁,模板可2或3次以上用于相同结构,这种UHPC桥的材料费用可以降低,耐久性则因为使用UHPC大幅度提高。建造过程取得经验教训:箱梁节段浇筑成型,需要考虑灌注方法和程序对纤维分布的影响;节段接缝粘接(环氧树脂胶)一定要密实,防止渗水。美国联邦公路管理署(FHWA)2001年开始UHPC研究计划,2002年派专家组赴法国考察学习,之后开展了多项UHPC桥梁研究工作。2004年在弗吉尼亚州实验性建造了一个门型UHPC梁的小型桥梁,显示出这种桥梁具有架设高效快速的优点。2006年在爱荷华州建成美国第一座UHPC公路桥—MarsHillBridge,2008年又在弗吉尼亚州和爱荷华州各建成一座UHPC公路桥,三个桥的梁型分别为I型、T型和门型,这些UHPC梁均不设抗剪钢筋,利用UHPC自身的高抗拉性能。此外,抗弯与抗疲劳试验,显示出现场灌注UHPC连接桥面板接口性能的优越性。2009年,纽约州的两个公路桥,预制传统混凝土桥面板采用现浇UHPC连接。这种桥面板的无接缝结构连接方法,现在已经获得广泛认可,并在越来越多桥梁工程上应用。法国首创、美国优化与发展的“井”字形双向肋板UHPC桥面板,也称作“华夫饼”(waffle)式桥面板(见图11.4),经过大量性能测试,2011年首次在爱荷华州的LittleCedarCreek桥上使用(见图11.5)。2013年FHWA出版了《预制UHPC井字肋板结构桥面板(包括连接)系统设计指南》。这种公路桥的上部结构为:传统混凝土梁或钢梁上铺设预制UHPC井字肋板结构桥面板,桥面板与梁之间、桥面板相互间采用现场灌注UHPC连接,设置抗剪栓钉、钩、传力杆等保证连接的强度和可靠性(详见图11.6)。这种UHPC桥面板系统,预期能有效解决化冰盐导致桥面板快速劣化的问题。美国UHPC公路桥梁的研发工作,主要在四个方面展开:(1)发展模数化或标准规格的预制预应力上部结构与桥面板构件,适应美国的基本桥型。这样可以工厂预制,现场快速组合安装。美国大部分跨径在20m~35m的公路桥梁,上部结构和桥面板已经接近寿命终点。更换这些桥梁的上部结构和桥面板,必须快速完成,才能降低对现有交通的影响。图11.7所示跨径30m第二代门型梁,就是为了能够“一夜间”完成桥梁上部结构和桥面板更换或改造而优化设计的。(2)为上部结构仍可使用,桥面板损坏的桥梁,提供解决方案。桥面板劣化损坏是美国公路系统,特别是北方冻融环境的桥梁所面临的严峻问题,急需发展模数化桥面板构件,能够在桥梁或车道短暂关闭时间内完成桥面板更换。现在的研究成果体现在井字肋板结构UHPC桥面板(见图11.4~11.6)。(3)将UHPC的结构性能与耐久性定量化,为编制UHPC结构设计规范提供基础数据。(4)解决工业化生产UHPC构件,遇到的新技术问题。到2012年底,美国已经有20个公路桥梁工程使用UHPC作为关键的结构部分,其中大部分是使用现场灌注UHPC连接桥面板。2010年奥地利建成世界上第一座UHPC公路拱桥。该桥建设在Vlkermarkt的风景区,从与峡谷环境协调和结构合理性两方面,拱桥是最佳选择。采用UHPC建造轻质桁架拱,使拱桥结构细巧、造型优美,见图11.8。该桥长154m,拱的跨径约70m,拱高约40m。并列的双桁架拱,由预制正方形薄壁箱梁和接头现场组装而成,拱内部安装体外后张预应力钢索施加预应力。使用的UHPC强度等级为C185,构件成型2天脱模,3天后进行90oC热养护,使构件收缩快速完成。WILD桥是拱桥轻型化的一次尝试,也是超大长细比预应力UHPC柱性能的一项基础研究项目。11.2uhpc层的加固和增强层的研制UHPC较早的应用之一是维修加固混凝土结构。针对桥梁的典型性劣化损伤,瑞士比较系统地研究与实践了用UHPC进行维修与加固,并通过欧洲的联合研究项目(SAMARIS和ARCHES)在欧洲国家推广应用。基本方法为:用高压水刀清除旧结构上损伤、已经劣化或被腐蚀性介质污染的混凝土层,去除和更换锈蚀的钢筋,然后在旧结构上现浇铺设UHPC保护层或补强层、增强层,或在结构外围安装预制的UHPC保护加固层,见图11.9。这种维修与加固方法,形成普通混凝土结构与UHPC外层的复合结构,使普通混凝土结构容易受机械荷载与环境荷载(冻融、氯盐、硫酸盐等)损伤的部位,得到高强度、高耐久、低渗透的UHPC层保护,预期可以大幅度延长结构的使用寿命。K.Habel对普通混凝土与UHPC复合结构进行的抗弯试验研究表明,在普通混凝土梁上浇筑UHPC层形成的复合结构,表现良好的整体性结构行为;UHPC层处于受拉部位,结构抗力与刚度有所提高;UHPC层设置钢筋,能进一步提高结构抗力与刚度,并达到更高的表观硬化行为。如果UHPC层厚度太小(小于10mm),或UHPC的自收缩太大(28天龄期时大于750×10-6),UHPC层会出现细微裂缝,因此UHPC的自收缩不宜太大。现浇UHPC保护层、补强层和增强层的建议方案如图11.10所示。UHPC层能否与现有混凝土结构良好地粘结?或在怎样的条件下能够获得较高的粘结强度?Carbonell等的试验研究给出了答案。他们采用劈裂抗拉强度,测试UHPC与普通强度混凝土(NSC,NormalStrengthConcrete)之间的粘结强度。试验NSC的表面包括干燥或饱水的平整表面(清洁无表面处理)、钢刷处理表面、喷砂处理表面、断裂表面和切槽表面,并测试300个冻融循环对粘结强度的影响。试验结果显示:UHPC-NSC的粘结强度与NSC表面的粗糙度关系不大,影响粘结强度的关键因素是浇筑UHPC时NSC表面的潮湿程度—饱水的NSC表面(饱和面干表面),无论是否进行过表面粗糙化处理,均获得非常高的UHPC-NSC界面粘结强度(3.1MPa~4.1MPa),达到了NSC抗拉强度的69~91%。UHPC与表面切槽NSC的粘接强度,达到NSC抗拉强度的107%~117%,进入槽中UHPC显然承担了部分拉应力。所有试件经过300个冻融循环,UHPC-NSC粘接强度不仅没有降低,反而都有所增长(冻融后NSC抗拉强度也在增长),抗冻性能优良。该研究还在继续进行600和900个冻融循环的抗冻性试验。总之,使用UHPC进行结构维修加固或罩面保护,旧结构的表面不需要专门的粗糙化处理,只需要表面洁净无尘和充分湿润,最好达到饱和面干状态,就能够实现UHPC与旧混凝土结构牢固地粘接。本文11.1节所述的现场灌注UHPC,无缝连接桥梁上部构件(板与板、板与梁、梁与梁之间的结构性连接),也是利用UHPC与预制构件之间很高的粘结强度。在旧的现有结构上浇筑UHPC保护层,旧结构对新浇筑UHPC层的收缩会产生约束,可能导致微裂缝,这是否会增大UHPC层的渗透性呢?如文章之三9.2.1节所述,拉伸变形在0.13%(1300×10-6)水平,微裂缝UHPC初始的水渗透性与无裂缝普通混凝土相当;在有水条件下,微裂缝会愈合使渗透性大幅度降低。对实际维修工程现浇UHPC层的渗透性,采用透气法现场测试评价,结果表明:现浇与预制UHPC的渗透性达到非常低水平(透气系数为0.003~0.004×10-16m2,见表11.1和图11.11),远远低于欧洲标准EN206-1规定最严酷环境等级对结构混凝土的要求(相当于透气系数小于0.5×10-16m2)。可见,现浇UHPC层的收缩,受到现有混凝土结构约束(约束程度随UHPC层厚度增加和强度发展而降低),并不必然导致产生会增大渗透性的裂缝,但需要UHPC具备相应良好的性能。欧洲SAMARIS研究项目编制的“UHPFRC用于公路混凝土结构修复指南”,对维修用UHPC的性能指标提出要求:其中对于高约束程度(0.8~0.9)、高交通荷载结构部位现浇维修,要求UHPC的抗拉强度≥14MPa,变形能力(应变硬化)εpeak≥0.2%,3个月收缩≤0.06%(600×10-6)。这样就保证了混凝土结构维修修复后,(1)UHPC层本身具有高耐久性,即自身具备足够的抵抗机械荷载和环境荷载破坏的能力;(2)UHPC层的渗透性非常低,能够长期有效地保护普通混凝土结构。法国试验对比了用于水利水电结构的抗冲耐磨材料,UHPC显示的优势在于同时具备高耐磨和高抗冲击性能。2004年试验用UHPC维修阿尔卑斯山中一个10%坡度的渡槽底板,经历百年一遇的洪水后,UHPC完好无损,而广泛使用的ALAG®(铝酸盐水泥与铝酸钙耐磨骨料)抗冲磨面层则完全破坏。在实际工程上验证了UHPC的优良抗冲击和耐磨性能,业主在随后的维修中用UHPC替代了以前的耐磨材料ALAG®。在法国,已经有多个水利水电结构的受冲磨部位采用UHPC维修,均取得满意效果。此外,在欧洲开展的UHPC维修加固研究和实践,还包括海工结构修复、建筑梁板修复加固、建筑抗震加固、核电站反应堆混凝土结构防护罩的气密性修复,等等。11.3上安装固定uhpc板海洋环境属于高腐蚀性环境,因此也是发挥UHPC高耐久性的舞台。日本东京的羽田机场扩建工程,面积达52万m2的新跑道(跑道D)建造在海上,其中19.2万m2为桩基支撑结构,顶面为在钢梁上安装固定UHPC板构成,见图11.12。该工程是迄今最大规模的UHPC海工结构,两年间预制生产了6900多块7.82m长、3.53m宽的先张预应力板(横向和纵向双向预应力,板厚75mm,肋高175mm,平均厚度130mm),共计使用了22000m3的UHPC。设计使用UHPC板,主要基于两个原因:(1)利用UHPC超高强度大幅度降低结构重量。每块板重量,从传统预应力混凝土板的24吨,减小到UHPC板的10吨,重量减小56%,因此降低了桩基础的建设成本;(2)保证混凝土结构在高腐蚀性环境的耐久性,设计使用寿命100年,减小使用期的维护维修费用。11.4鞣景式石膏花造型设计用UHPC制造的建筑结构、功能或装饰构件,轻巧美观,坚固耐久,彻底改变了混凝土构件“粗、厚、笨、重”的面貌。例如用于建造大跨径人行桥,薄壳结构,建筑的阳台、楼梯、遮阳屏、面板等构件,既坚固耐久又轻薄美观(见图11.13~11.15),深受建筑设计师喜爱。卡塔尔新建国家博物馆(QNM)设计为一个巨型石膏花造型,由130个直径10m~43m的透镜状圆盘构成。这个巨型“石膏花”处于高风载和高腐蚀性海洋环境,以及大温度变化环境(+10oC~+85oC),因此要求面板材料具备高强(要求单轴抗拉强度大于20MPa)和高耐久性(60年)。最终选择白色UHPC作为圆盘的面板材料,使这一独特设计得以完美地变成现实。“石膏花”由共计12万m2、40mm厚预制白色UHPC面板精确安装组合而成(见图11.16)。UHPC可以成型各种或复杂、或简洁的结构,适合用于艺术造型的建筑承重结构,也适合作为建筑外立面的自承重装饰性或功能性构件、幕墙、屋面等,开辟了建筑设计巨大的想象与发挥空间(见图11.7和图11.8),这方面的工程实例现在快速增多。此外,用UHPC制作家具、雕塑或艺术作品等,别具特色,见图11.19。11.5uhpc结构体系韩国建筑技术研究院(KoreaInstituteofConstructionTechnology,简称KICT)从2007年开始,开展了为期6年、总预算达1100万美元(约合7000万元人民币)的UHPC研究项目—SuperBridge200。研究的主要目标为:使斜拉桥的建造成本和保养维护成本分别降低20%,主要结构构件的工作寿命达200年。研究的主要内容为:(1)改善UHPC性能;(2)设计UHPC结构,例如梁、板等;(3)轻质、耐久桥面板;(4)跨径200m~800m的UHPC斜拉桥系统。该项目的目标明确,研究内容系统深入。在改善UHPC性能和降低UHPC成本方面,着重研究提高纤维效率。采用两种长度混杂钢纤维(df=0.2mm,lf=19.5mm和16.3mm),体积掺量2%(两种长度各1%体积),使UHPC的单轴抗拉强度达到17MPa的高水平,UHPC的材料成本则大幅度降低(比他们第一代UHPC成本降低70%,力学性能还有所提高)。为UHPC结构设计和建立本构关系,开展了大量的结构性能试验,包括无钢筋、有钢筋和预应力梁的抗弯、抗剪、抗扭等性能,板的抗冲剪性能,箍筋的抗剪作用,等等。在大量试验数据的基础上,2008年起草了UHPC结构设计和施工指南,每年再根据新的研究结果进行修改和完善。针对斜拉桥,设计、试验和优化了肋板结构的UHPC桥面板,以及预应力边梁(edgegirder)结构的斜拉桥UHPC梁板结构体系(见图11.20),大幅度降低斜拉桥上部结构的重量。为了验证这种边梁结构桥梁的可施工性,在KICT院内实验性建造UHPC边梁结构的人行斜拉桥。与C40普通混凝土梁板体系相比,C180UHPC梁板的重量减小了40%,见图11.21。造价分析表明,与韩国已建成跨径200m~800m的斜拉桥相比,采用UHPC边梁结构体系,造价可以降低23%~35%。耐久性则是UHPC结构的另一很大优势。至今,韩国已经针对实际工程设计了两个UHPC梁板结构的斜拉桥,其中Jobal桥为两个跨径200m的斜拉桥,见图11.21。设计方案正在等待业主批准,有可能会成为世界上第一个UHPC斜拉桥。11.6正在开发的新应用11.6.uhpc桩承载力分析美国开展了H型预应力UHPC桩的研究,并与H型钢桩进行性能对比。采用同样打桩设备锤击打入H型UHPC桩和钢桩。打入就位后,UHPC桩桩头状态完好,钢桩头部则有变形(见图11.22)。打入后UHPC桩内埋设的应变计八成多还能工作,显示内部应变在打桩前后几乎没有变化,并且UHPC桩内的残留应力很小。承载力测试显示,UHPC桩的轴向承载能力比同外形尺寸钢桩高86%,这可能因为UHPC桩的截面尺寸较大,提高了桩端的承载力。这意味,对于同样的桩基础,使用UHPC桩,需要桩的数量可以减少,可能能够降低桩基础整体的造价。UHPC桩的高耐久性,则是上部结构长工作寿命的基础。因此,在打桩施工、桩性能、桩基造价和耐久性几个方面,UHPC桩均比较有竞争力。11.6.uhpc钻头的结构应用德国研究用UHPC制作钻孔桩的钻孔钻头,见图11.23。实际的工程应用显示,UHPC钻头的技术性能与钢制钻头相同。UHPC钻头成型制造相对容易,成本低于目前使用的钢制钻头。11.6.钢筋混凝土柱在满足结构可靠度要求的前提下,从美观和节省空间两方面,均希望建筑物中立柱的截面尺寸尽可能小。离心成型的C95~C115高强钢筋混凝土柱,因为细长美观以及可以达到的耐火等级,得到建筑师喜爱和应用,见图11.24。使用UHPC,离心法成型钢筋混凝土柱,力学性能可以提高到一个新水平(见图11.25)。德国正在进行这方面研究。采用现有设备就能够成型UHPC柱,不热养护、无纤维的离心UHPC,强度可以达到172MPa(取芯强度)。试验测试表明,高强钢筋增强UHPC柱的承载能力,与相同截面的钢-复合柱(钢管混凝土柱)相近。11.6.聚合物混凝土和石材制造的基座性能高精度机床和生产设备需要整体的重基座,起到振动阻尼作用,保证生产加工的精度(见图11.26)。目前,聚合物混凝土和石材制造的基座性能最好。测试显示,UHPC基座的振动阻尼性能与聚合物混凝土和石材相似,有发展前途,但还需要解决生产成型中的一些技术问题,保证UHPC基座无裂缝、高尺寸精度和高体积稳定性(热养护后可以稳定)。11.6.xx温度稳定的墙板xps德国正在研究一种新型保温墙板,由UHPC薄板作为面板、挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)作为保温芯层,三层构成的“三明治”保温墙板(见图11.27)。预计这种结构的墙板非常轻质和高效保温,因为UHPC超高强度和韧性有助于降低面板重量,XPS则是高效隔热材料。目前,这种墙板还处于性能研究和设计优化阶段。11.6.uhpc路面修复方法美国的一种路面修复方法为“Whitetopping”(白色罩面),是直接在破损的沥青或水泥混凝土路面上,铺设一层厚度150mm~250mm的普通混凝土层(沥青混凝土称作“黑色”,水泥混凝土称作“白色”)。借鉴这种路面修复方法,德国尝试用UHPC薄层(120mm~150mm)作为白色罩面(见图11.28),期望使修复后路面具有更高承载能力和更长寿命,同时修复成本不明显增加。试验性铺设显示,使用0.22水胶比、440kg/m3水泥(CEMIII/A)、1%体积钢纤维和大用量间断级配的粗骨料,可以达到的性能为:抗压强度>150MPa,抗弯强度>15MPa,弹性模量60GPa,毛细孔体积<1%。这样的低成本UHPC,工作性可调整和适应传统混凝土路面摊铺机,硬化性能则奠定了高耐久、长寿命路面的材料基础。该项研究还在继续,进一步优化UHPC配制和薄层摊铺工艺。预计UHPC薄层罩面修复路面的成本,比传统混凝土白色罩面只是略微高一些。11.6.增强uhpc的试验材料法国高交通流量的公路设计寿命为三十年,实际寿命一般会更长,但是路面耐磨层寿命只有7~10年。耐磨层损坏或抗滑性能不足,需要周期性进行维修或重新铺设,严重干扰公路交通网的运行。法国开展了系列研究,寻找更好的材料和解决方案。经过多种材料、多方面性能研究对比,确定了两种性能较好的材料和方案:·HPCM(High-PerformanceCementitiousMaterials,高性能水泥基材料):用UHPC(含3%体积钢纤维)作为厚约8mm的粘结层,粘结一层暴露出表面的烧结铝矾土破碎颗粒层,形成高强高耐磨面层;·GFRUHPC(GroovedFibre-ReinforcedUltra-HighPerformanceConcrete,切槽纤维增强UHPC):先铺设厚度不小于19mm的UHPC(含2.5%~3%体积钢纤维)面层,硬化后沿道路纵向切割沟槽(沟槽中心间距10mm、宽4.5mm、深3mm,见图11.29)作为长寿命耐磨层。HPCM材料和方案的优点是初始摩擦系数高且维持时间长,缺点是导致车轮行驶噪音大,铺设铝矾土颗粒的嵌入深度、平整度较难控制,施工难度大。GFRUHPC材料和方案,初始摩擦系数和噪音水平略高于沥青混凝土面层,但GFRUHPC的摩擦系数会随摩擦抛光次数的增加而增大,并能长期维持(见图11.30),施工质量则较容易控制,应用前景较好。2011年法国铺设了这两种耐磨层的公路试验段各75m,检验实际的长期使用效果。此外,HPCM和GFRUHPC均为水泥基材料,可以添加钛白粉(TiO2粉),使路面利用TiO2的光催化作用分解有害气体NOx。试验测试显示,含TiO2粉的GFRUHPC,降低NOx净化空气效果最好。11.6.uhpc高耐久性复合结构预制UHPC薄板或需要形状的薄壁构件,作为浇筑混凝土梁、板、柱或其它结构的永久性模板,形成的复合结构既可以利用UHPC高抗拉强度或抗裂能力,又可以利用UHPC的高耐久性保护结构,特别适合于高腐蚀性环境。欧洲、日本、韩国、中国等,在进行这方面研究。11.7uhpc概况从查阅到的文献来看,中国第一次UHPC工程应用,是2005年在沈阳用C140的UHPC(RPC)预制工业厂房的梁板,其中梁84片,楼板245块,UHPC总用量327m3。在迁曹铁路和蓟港铁路工程中,用UHPC制作低高度跨径20m~32m后张预应力T型梁。迁曹铁路生产了12片跨径20m的RPC梁,随梁蒸汽养护、然后标准养护试件,2d平均抗压强度92.7MPa,28d强度在123MPa~128MPa范围。2009年在清华大学的指导下,南京一轨道交通工程进行了一次现场浇筑薄层UHPC的施工。在商品混凝土搅拌站生产,共浇筑50多m3自流平UHPC,覆盖湿麻袋,常温养护,强度超过100MPa,并且表面光洁,没有裂缝。2006年10月,铁道部颁布《客运专线活性粉末混凝土(RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》。这种RPC盖板在郑西、京沪、哈大高铁等多个铁路项目上应用,京沪高铁可能是世界上至今“UHPC”用量最大的单一项目。2009年铁道部工程管理中心编制了《活性粉末混凝土构件施工要点手册》,将活性粉末混凝土分为5个强度等级(类型),性能要求见表11.2。柳州欧维姆公司成功地应用UHPC制造预应力系统使用产品—防落梁装置的偏向器和锚垫板,替代铸铁或铸钢件,不仅能满足技术性能要求和降低成本,UHPC的高电阻率、高耐久性还提高了对预应力钢筋的保护(见图11.31)。热养护(90oC热水养护48小时+200oC~300oC常压高温“干热”养护8小时)UHPC试件(40mm×40mm×160mm),抗压与抗折强度分别达到325MPa和54MPa;自然养护试件30d抗压与抗折强度分别为187MPa和35MPa。12uhpc工程材料的价值、潜力和可持续发展12.1uhpc作为一种材料的性能优势12.1.从强度/质量比比刚度的影响来分析从表观密度比较,UHPC稍高于高强和高性能混凝土(HSC/HPC),UHPC似乎不能算是“轻质材料”。然而,在力学性能方面,UHPC大幅度超越了HSC/HPC。从强度/质量比(比强度)和刚度/质量比(比刚度)的比较(参考文章之一表2.2),以及可建造的轻质高强结构来分析对比,UHPC理应归入“轻质高强”材料。UHPC开创“细、薄、巧、轻”的混凝土结构,彻底告别了“肥梁胖柱”。在耐久性方面,UHPC也比HPC有了长足进步(参考文章之三表9.1)。从理论上和目前试验结果分析,在大多数恶劣自然环境中,UHPC的结构寿命预期比HPC结构寿命高2倍以上。在海洋环境中,UHPC结构的工作寿命超过200年是完全可能的。12.1.高等级建筑材料的耐久性和寿命在强度/质量比和刚度/质量比方面,钢筋增强UHPC(CRC或HRUHPC)梁能够达到了钢梁水平(参考文章之一表2.2)。在耐久性与耐火性能方面,UHPC则具有显著优势。钢结构能够达到的寿命,最有力的证明就是1889年建成的埃菲尔铁塔,至今仍然是巴黎的地标和骄傲。然而,埃菲尔铁塔到目前124年寿命,是依靠高昂的维护保养费用维持—约每7年涂刷一遍防锈漆,至今已涂刷19遍。2009~2010年进行第19次防锈涂装,铁塔25万m2表面使用了60吨防锈涂料,25名油漆工历时18个月完成,总耗资400万欧元(约3600万元人民币),相当于铁塔每年的防锈费用500万元人民币。另外,该塔的材质是熟铁,如果是钢材,保养维护费用会更高。对于HPC和UHPC结构,定义的工作寿命是指:不需要维修、加固或更换,HPC和UHPC结构构件达到的寿命。因此,UHPC结构不仅工作寿命长,寿命期内的保养维护费用也非常低廉,保养维护工作主要是定期的清洁和结构状况检查。对于建筑,特别是高层建筑,钢结构的高温软化是一个致命缺点,需要外包层或屏蔽层防火。采取适当技术措施,如掺加一定量聚丙烯纤维、选用适宜骨料等(参考文章之三第8章),UHPC结构自身就能够达到足够的耐火等级或耐火时间。UHPC还拥有一些独特性能,如抗爆、抗冲击、耐磨等性能,超越了其它所有的工程材料。12.2混凝土uhpc碳浓度指数cics“节能减排”是现在社会可持续发展的主题。水泥生产的二氧化碳排放量,约占世界总排放量的5%。近年来,水泥工业虽然努力减排,但远远不能抵消水泥产量快速增长而增加的碳排放。发展中国家的水泥需求和产量还会持续增长,预计在2005~2050年期间,水泥生产的碳排放会再增长2.5倍。提高水泥特别是熟料的使用效率,以及降低混凝土的水泥用量和需求量,是水泥和混凝土工业节能减排的重要手段之一。B.L.Damineli等提出了衡量水泥使用的两个生态效率指标:胶凝材料浓度指数bi(binderintensity)和碳浓度指数ci(CO2intensity)。bi=b/p,ci=c/p,p表示混凝土达到的性能,b为单位体积混凝土的胶凝材料用量(kg/m3),c为单位体积混凝土原材料生产运输产生的CO2排放量(kg/m3)。混凝土性能p一般采用28d标准抗压强度(MPa),指数bics(cscompressivestrength,代表抗压强度)表达“每产生1MPa抗压强度的胶凝材料用量”;指数cics则表达“每产生1MPa抗压强度的碳排放量”。统计数据显示,在中低强度范围(50MPa以下),bics指数一般在10~20kg/m3·MPa范围,随混凝土强度增大而趋于降低;在高强范围(60MPa以上),bics指数趋向于5kg/m3·MPa水平,见图12.1a。同样,cics指数一般在1.5~15kg/m3·MPa范围,随混凝土强度增大也呈下降趋势,见图12.1b。使用当地原材料减少运输,降低水泥用量、熟料用量或使用较高强度混凝土,均有助于降低混凝土的碳排放。cics与bics没有明显的相关性,因此二者有可能同时达到低水平。根据文章之二表4.1的统计数据,可以计算UHPC的胶凝材料浓度指数bics。表4.1中,无粗骨料UHPC-fi,平均水泥用量833kg/m3,平均硅灰用量为水泥的24%(即200kg/m3),平均抗压强度为162MPa,得平均bics=6.4kg/m3·MPa;有粗骨料UHPC-ca,平均水泥用量715kg/m3,平均硅灰用量为水泥的22%(即157kg/m3),平均抗压强度为178MPa,得平均bics=4.9kg/m3·MPa。可见,UHPC的bics在5kg/m3·MPa左右,属于最高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土。碳浓度指数cics计算分析相对复杂,但从图12.1b显示的趋势看,UHPC的cics也处于5kg/m3·MPa以下的低水平。原材料本地化,使用粗骨料,使用粉煤灰或矿粉替代部分水泥,等等,可有效降低UHPC的碳浓度指数。用胶凝材料浓度和碳浓度指数评价,UHPC既有利于提高水泥的使用效率,也有利于减小碳排放,属于环境友好的工程材料。通过具体工程结构的计算比较,可以量化体现UHPC的节材、节能和减排效果。图12.2a为典型的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥,图12.2b为门型梁UHPC梁板一体公路桥。两个桥的材质与结构不同,长度、宽度和功能完全相同。表12.1详细分析计算了两个桥使用材料数量、能耗和温室气体排放量。对比可见,UHPC桥节材体积为24%,节材重量为35%;节能54%;减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP(当量CO2排放)分别达到59%和44%。上述分析证明,作为结构工程材料,UHPC节材、节能和减排作用显著。如果将UHPC结构的超长使用寿命纳入效能评价,UHPC的节材、节能和减排作用还会成倍增大。12.3uhpc工程UHPC作为新型工程结构材料应用,遇到的阻碍在于需要新建立本构关系和缺乏设计方法与规范的指导,以及高昂的材料费用。“设计规范”的瓶颈正在逐步被突破,法国和日本已有设计指南可以作为UHPC结构设计依据,其它国家(德国、韩国等)和国际组织(fib、ACI等)的规范或指南已经在起草或完善阶段。如今,UHPC的高材料成本是其应用的主要障碍。在UHPC的材料成本构成中,纤维所占的比重最大,达到UHPC总材料成本的一半以上;基体材料包括胶凝材料(水泥、硅灰等)、减水剂和骨料则属于通用的优质材料,虽需要“精挑细选”成本也高,但高的有限。因此,提高纤维的增强增韧效率,是降低UHPC材料成本的关键。这方面的研究已经有较大进展,扭转形钢纤维,1%体积掺量就能实现UHPC单轴拉伸应变硬化,并达到非常高抗拉强度和变形能力(参考文章之二6.2.2节)。UHPC基体原材料的成本,也有下降的空间,例如使用优质天然砂代替石英砂,用矿粉、粉煤灰置换石英粉和部分水泥,用低成本超细粉煤灰或矿粉替代部分硅灰,等等。此外,现在UHPC应用规模较小,也是其成本较高的原因。随着应用规模增大,UHPC的原材料,特别是纤维的大规模工业化生产和充分的市场竞争,价格有望显著降低,使UHPC的成本降低。配制、生产和施工技术的复杂性以及较高的成本,决定了UHPC不会是普遍适用的工程材料,而是现代工程材料的有益补充,是用于解决工程中遇到的问题或需要性能更好、更美观的工程结构。因此,要将UHPC用在能够充分发挥其性能优势和体现其价值的场合,即“好钢用在刀刃上”,这样UHPC则可能不显著增加乃至降低结构或工程整体的初始造价,获得当时的和/或长期的效益,例如,·法国建造的节段拼装UHPC箱型梁公路桥(参考本文11.1节和图11.3),跨径47.4m,取消了中间墩柱、桥面防水层和铺装层,材料方量降低,施工工期缩短,这些节省在很大程度上抵消了UHPC增加的材料成本。如果规模化应用,预制UHPC箱梁的模板可以重复使用,则总的材料和工程建设成本有望低于传统同类桥梁。UHPC桥更长的工作寿命和更低的养护维修费用,则降低了桥梁的寿命周期费用。·日本羽田机场的海上跑道工程使用UHPC板(参考本文11.3节),降低了上部结构的重量,从而降低了对下部结构承载力的要求,使下部桩基结构造价降低。另外,UHPC的高耐久性或长工作寿命,则降低了长期的维护维修费用。·日本第一个UHPC铁路桥-Kayogawa桥,采用UHPC的主要因素是工程造价。该工程是因为河道改善需要拆除和更换原先的一个小型钢箱梁铁路桥(跨径9.6m、梁高695mm)。新桥跨径为旧桥的1.65倍,从保养维护方面考虑,新桥采用混凝土材料,对比的方案为传统混凝土和UHPC的U形结构梁,见图12.3。该工程的特殊性在于:为保证河流的排洪能力,新桥的梁底高度被限制,而U形梁底板的上表面高度又受到现有铁路轨道的限制,因此给予U形梁底板的净空高度只有250mm。采用传统混凝土结构,U形梁底板厚度需要390mm(见图12.3b),这样就必须抬高沿线轨道高度,扩大工程规模和增加工程造价。使用UHPC,则工程限于桥梁,总成本相对低。结构性能分析与桥梁建成后的测试结果,确认该UHPC桥(图12.3a)安全且设计合理。·韩国研究使用UHPC制造斜拉桥的梁板(参考本文11.5节),预期使桥梁整体造价降低20%以上,同时可实现超长的结构工作寿命。·瑞士研发的用现浇UHPC维修桥面板方法(参考本文11.2节),施工总成本比传统维修方法高约12%。取消了传统的防水层和使用薄层(30mm)UHPC,是使成本增加不多的原因。然而,增加的12%成本也有所得,包括:维修对桥梁的保护时间预期提高2倍以上(与传统方法相比);维修施工周期从三个月减小到一个月,缩短了对交通干扰的时间。·美国对UHPC桩的研究分析表明,H型UHPC桩的承载能力高于同外形尺寸的H型钢桩,替代钢桩可以减少桩的数量,有望降低桩基础整体的造价,并且UHPC桩的耐久性和寿命远远超越钢桩(参考本文11.6.1节)。·UHPC作为抗冲击和耐磨材料,在水利水电、路面、工业物料输送系统等中应用,可以较大幅度提高使用寿命,减少维修频率,有可能显著地节省相关费用。·用UHPC替代铸铁、铸钢等材料,制造耐磨件、钻孔桩钻头、预应力锚具等,可以降低制造成本,还可能改善产品性能。另外,有些工程或产品应用,只有UHPC能够提供有效解决方案,最能凸显UHPC的价值。例如,防爆门、防爆屋面等,既需要轻质又需要高抗爆性能,以及需要超高抗爆性能的军事或重要工程的掩体,UHPC是最佳选择。美国研究应用预制门型(π型)UHPC梁板一体桥梁上部结构,用于更换有缺陷桥梁上部结构和桥面板。在交通饱和的公路上,期望桥的梁、板更换施工一夜间完成,最大限度地缩短桥梁关闭时间。目前,只有UHPC梁板的同步安装,以及接口UHPC灌注连接,才可能如此快速完成