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UHPC材料在裝配式橋梁中的應用前景
01 引言
裝配化是橋梁工業化的主要特征，也是我國建設領域“十三五”期間轉型升級與戰略產業發展方向。2016年7月，交通運輸部印發《交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》，指出大力推進鋼結構橋梁建設標準化設計、工業化生產、裝配化施工，提升橋梁工程的質量品質；2016年9月，國務院印發《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，力爭10年內使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30％。
中小跨徑裝配式橋梁在我國橋梁建設中具有舉足輕重的地位。根據交通運輸部統計資料，到2017年底，全國公路橋梁達到83.25萬座，其中中小跨徑橋梁73.61萬座，占比達88．4％。推動裝配式中小跨徑橋梁的發展，對推動橋梁施工方式變革、提高工程質量、縮短工期、減少勞動強度、降低造價、節能環保等具有重要意義。
02 技術瓶頸
裝配式橋梁目前主要有裝配式混凝土梁（空心板、T梁、小箱梁等）、裝配式鋼--混凝土組合梁、裝配式鋼箱梁等三大類型。但大量的工程實踐表明，現有的裝配式橋梁結構仍存在以下兩個主要技術瓶頸：
（1）現有裝配式橋梁結構或吊裝重量大，或現場施工作業量大，裝配化水平有待進一步提高：預應力混凝土梁（空心板、T梁、小箱梁）自重較大，跨徑超過30 m，梁體重量偏大，對運輸、吊裝設備和施工安全性要求更高，導致大尺寸構件的裝配化施工難以實施；常規混凝土梁和鋼--混凝土組合梁橋面板現場作業量大、工期長；鋼箱梁現場焊接量大，施工質量不易控制。因此上述常規結構的裝配化施工水平仍有提高空間。
（2）現有裝配式橋梁結構的梁體、連接節點易開裂、破損、滲漏，耐久性較差，后期維護費用較高；預應力混凝土梁（空心板、T梁、小箱梁）橫向連接節點屬于薄弱環節，易失效開裂導致單梁（板）受力，且易出現滲漏等技術難題；鋼--混凝土組合梁負彎矩區橋面板在實際運營階段易出現裂縫，加之雨水滲入侵蝕，影響結構安全性和耐久性；鋼箱梁采用傳統的正交異性鋼橋面系，存在鋼橋面板易出現疲勞裂縫和鋼橋面鋪裝極易損壞的難題。上述病害導致常規結構的后期維護費用偏高。
總體而言，現有裝配式中小跨徑橋梁在施工性能、使用性能、耐久性能等方面仍有很大的改進空間。面對橋梁標準化、裝配化、工業化的現實需求，在現有中小跨徑橋梁結構體系的基礎上，發展具有高施工性能、高使用性能、高耐久性能的高性能裝配式橋梁結構是重要發展趨勢。
03 超高性能混凝土
超高性能混凝土（UHPC）要由水泥、硅灰、細骨料、高效減水劑及鋼纖維等材料組成，按照最大密實度原理構建（圖1），使得材料內部的缺陷（孔隙與微裂縫）減至最少，從而獲得優異的力學性能和耐久性。
研究表明，由于UHPC中分散的鋼纖維可以大大減緩材料內部微裂縫的擴展，從而使材料表現出超高的韌性和延性；同時，由于結構致密、孔隙率低，UHPC材料的耐久性可達200 a以上。
由于UHPC具有超高的強度，在同等承載力條件下，UHPC結構的尺寸介于普通混凝土結構和鋼結構之間，且接近于鋼結構（圖2）。因此，當UHPC應用于實際工程時，可大大減小截面尺寸、降低結構自重，并有利于裝配化施工。
UHPC的引入，將有望給傳統裝配式中小跨徑橋梁技術帶來革命性的變化，實現裝配式橋梁的高性能化：
（1）等強度承載條件下，自重可降為傳統結構的40％～60％，以方便運輸，實現大構件快速化架設；
（2）因UHPC中鋼筋錨固長度僅需10倍的鋼筋直徑，現場各梁間結合部可大幅度縮小，并可實現現場零焊接；
（3）結構抗腐蝕、抗凍、防滲漏性能優良，基本實現結構設計壽命周期內免維護。
裝配式中小跨徑橋梁中引入高性能材料UHPC實現高性能化，有望基本解決現有裝配式橋梁結構的技術難題，實現結構高施工性能、結構高使用性能、結構高耐久性能的可持續發展戰略，結束我國傳統“粗放”式的高勞動強度、高能耗建造模式，符合目前國家大力發展裝配式建筑政策導向和大力推進建設領域“供給側結構性改革”的總體目標，是提升我國橋梁結構建設品質的重要途徑。
04現階段存在的問題
（1）制備條件要求高
UHPC摻入的纖維在攪拌過程中容易發生團聚，影響生產效率和材料的力學性能。若要發揮UHPC最佳的力學性能，養護溫度需達到90℃以上且在蒸壓條件下進行，這樣的條件對于UHPC現場澆筑顯然是難以實現的。目前可行的辦法是在滿足UHPC制備條件的預制場，制作UHPC預制構件。
（2）生產成本高
超高性能混凝土成本是傳統混凝土成本的數十倍，高效減水劑、硅灰和石英砂的使用造成了成本的上漲。為了防止鋼纖維生銹，增加鋼纖維抗拉強度，表面需進行鍍銅處理，也造成了UHPC的成本上升。
（3）收縮變形
UHPC的水膠比相較于普通混凝土更低，水化反應造成毛細管中水分不飽和，形成毛細孔負壓，導致自收縮的產生。
05 結語
裝配式中小跨徑橋梁中引入高性能材料UHPC實現高性能化，有望基本解決現有裝配式橋梁結構的技術難題，實現結構高施工性能、結構高使用性能、結構高耐久性能的可持續發展戰略，結束我國傳統“粗放”式的高勞動強度、高能耗建造模式，符合目前國家大力發展裝配式建筑政策導向和大力推進建設領域“供給側結構性改革”的總體目標，是提升我國橋梁結構建設品質的重要途徑。
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