劉瑜LIU Yu；黃荊HUANG Jing；劉曉貝LIU Xiao-bei

（①北京世紀(jì)千府國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100089；②桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

1944 年，Larrard 和Serran 首次提出了超高性能混凝土UHPC（ultra-high performance concrete）的概念，同年，法國(guó)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）[1]。UHPC作為新型材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在橋梁、建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家近年來頒布了一系列與UHPC 相關(guān)的設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范，為UHPC 的應(yīng)用與推廣提供了參考依據(jù)。本文對(duì)UHPC 的基本性能研究成果以及對(duì)UHPC 材料在橋梁中的應(yīng)用做出總結(jié)，以期為UHPC 材料與工程實(shí)際相結(jié)合提供一定的參考。

1 UHPC 的材料性能

與普通混凝土NC（normal concrete）以及高性能混凝土HPC（High Performance concrete）相比，UHPC 材料依據(jù)最密實(shí)堆積理論設(shè)計(jì)，有較低的水膠比與內(nèi)部致密的水泥基石，并且剔除了較大粒徑的粗骨料，故其表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗壓能力。同時(shí)，由于UHPC 材料內(nèi)部填充了一定數(shù)量的鋼纖維，使得UHPC 材料在開裂之后，由于鋼纖維的存在，使得材料仍具有一定的拉應(yīng)力，此外，UHPC 的力學(xué)性能相比于普通混凝土得到了極大的提高，這決定了UHPC材料在工程中可以廣泛的推廣及使用以改善傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的不足之處。

1.1 UHPC 的抗壓性能

作為混凝土結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，抗壓強(qiáng)度一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)問題。

1.1.1 試件的尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓性能的影響

作為一種水泥基復(fù)合材料，尺寸效應(yīng)對(duì)其抗壓強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生很大的影響，材料的抗壓強(qiáng)度與其尺寸、截面形式等具有一定的相關(guān)性。Yuliarti 等[2]研究了立方體和圓柱體兩種不同類型、不同鋼纖維體積摻量的UHPC 的抗壓強(qiáng)度，采用的圓柱體尺寸為100×200mm（直徑×高度），立方體試塊的邊長(zhǎng)為100mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，立方體和圓柱體試樣之間不同鋼纖維摻量所對(duì)應(yīng)的平均抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.89（0%）、0.94（1%）以及0.94（2%），這與之前Leubecher 所提出的轉(zhuǎn)換因子0.96 較為接近。蘇捷等[3]設(shè)計(jì)水膠比分別為0.16、0.18 和0.2 的多個(gè)強(qiáng)度等級(jí)和纖維摻量的超高性能混凝土立方體試塊，由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知，UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度與鋼纖維的體積摻量以及尺寸效應(yīng)有關(guān)，通過試驗(yàn)得到的各纖維摻量尺寸效應(yīng)關(guān)系提出了UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)率。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試件尺寸的增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，進(jìn)一步分析原因發(fā)現(xiàn)，試件澆筑成型時(shí)，鋼纖維的分布會(huì)出現(xiàn)“箍筋”一樣的邊壁效應(yīng)，且試件的邊壁效應(yīng)與尺寸效應(yīng)成正相關(guān)，即試件尺寸越小，尺寸效應(yīng)越強(qiáng)。同時(shí)，小尺寸試件極易產(chǎn)生鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使得尺寸效應(yīng)加強(qiáng)。Skazlic 等[4]研究了不同尺寸的UHPC 圓柱體試件抗壓強(qiáng)度，得到了70×140mm（直徑×高度），100×200mm，150×300mm 的試件抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)化系數(shù)，其研究分析結(jié)果如下：若采用100×200的圓柱體試塊作為標(biāo)準(zhǔn)試塊，則70×140 以及150×300 的試塊抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)化系數(shù)分別為1.05～1.15、0.85～0.95。

1.1.2 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

鋼纖維作為UHPC 的重要組成部分，其摻入量對(duì)于超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度影響顯著。沈從春等[5]通過立方體以及軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究分析了鋼纖維摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%以及2.5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在摻量為2.5%時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度相比于鋼纖維摻量為0%的水泥基體分別提高了25.61%以及25.49%，且相同纖維摻量的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值相差較小，其比例系數(shù)均穩(wěn)定在0.86。楊簡(jiǎn)等[6]分析了對(duì)鋼纖維摻量以及所摻入的鋼纖維長(zhǎng)度和直徑不同對(duì)UHPC 強(qiáng)度的影響，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果分析，鋼纖維摻量是影響其抗壓強(qiáng)度的主要因素，取文獻(xiàn)10 中鋼纖維摻量為2%的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，抗壓強(qiáng)度隨長(zhǎng)徑比的增大而增大。鋼纖維摻量越大，其增大的幅度越明顯。如圖2 所示。

圖2 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

1.1.3 其他因素對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響

除上述影響因素之外，UHPC 材料的抗壓強(qiáng)度還受砂的種類、澆筑時(shí)間、澆筑溫度等多種不同因素的影響。王冠等[7]設(shè)計(jì)多個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，分析了不同配合比、鋼纖維摻量、以及砂的種類對(duì)UHPC 材料的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過提高硅灰的摻量可以提高UHPC 的強(qiáng)度。試驗(yàn)中采用了四種不同砂的類型，分別為海沙、江砂、機(jī)制砂以及石英砂，試驗(yàn)結(jié)果表明，海砂、河砂中由于存在較多的雜質(zhì)，且海砂中存在一定的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)生成一定的滲透性或膨脹性的軟物質(zhì)，在混凝土中形成微小空隙，對(duì)抗壓產(chǎn)生明顯的不利影響，故其強(qiáng)度明顯低于石英砂，而機(jī)制砂是經(jīng)過人工破碎而成，表面粗糙且形狀不規(guī)則，顆粒與顆粒之間的咬合力增強(qiáng)，故其抗壓強(qiáng)度最高。Kazemi 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，澆筑時(shí)間對(duì)于UHPC 的抗壓強(qiáng)度也有一定的影響，并且得到了UHPC 的抗壓強(qiáng)度與澆筑時(shí)間的關(guān)系公式。Craybeal[9]采用相同配比的試件，研究分析了養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)UHPC 抗壓性能的影響，并通過曲線擬合，得到了養(yǎng)護(hù)溫度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式。

1.2 UHPC 材料的抗拉性能

UHPC 材料由于內(nèi)部摻加了大量的鋼纖維，使得其受拉性能相比于普通混凝土而言得到了很大的提升。以UHPC 板受負(fù)彎矩作用為例，當(dāng)板受到負(fù)彎矩作用，上部UHPC 層開裂，水泥基體退出工作，由于鋼纖維的橋接作用使其仍具有一定的抗拉強(qiáng)度，故普通混凝土規(guī)范中，忽略混凝土的抗拉作用的計(jì)算方法并不適用于UHPC 材料，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過于保守，造成材料浪費(fèi)。同時(shí)，與纖維混凝土相比，UHPC 材料的水泥基體內(nèi)部致密，因此，UHPC 的水泥基體對(duì)于鋼纖維的握裹力要遠(yuǎn)高于普通纖維混凝土。UHPC 材料優(yōu)良的抗拉性能使得其應(yīng)用的廣度以及應(yīng)用的范圍不斷增加，理論體系也日漸趨于完善。

1.2.1 鋼纖維對(duì)UHPC 材料受拉的影響

沈秀將等[10]對(duì)設(shè)計(jì)的試件進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)（DTT）、四點(diǎn)彎試驗(yàn)（4PBT）來測(cè)試?yán)w維取向分布及UHPC 薄層的抗拉性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著纖維流動(dòng)距離變化，薄板內(nèi)的非彈性部分抗拉性能較大，且抗拉強(qiáng)度以及極限應(yīng)變隨纖維流動(dòng)距離增大而增大。且采用4PBT 試驗(yàn)所得值普遍高于DTT 試驗(yàn)，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)類型對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

邵旭東等[11]研究了2%鋼纖維特性對(duì)UHPC 軸拉性能與彎拉性能的影響，設(shè)計(jì)了500mm×100mm 截面的狗骨頭型試件以及100mm×100mm×400mm 的棱柱體試塊分別測(cè)量試件的軸拉性能以及四點(diǎn)彎拉性能，以瑞士UHPC 指南中所規(guī)定的終止條件進(jìn)行加載，結(jié)果顯示，混凝土裂縫開裂時(shí)只有一條主裂縫，且斷裂面呈現(xiàn)彎曲形狀，原因在于鋼纖維被拔出時(shí)為亂象分布。對(duì)文獻(xiàn)中長(zhǎng)徑比為59 的端鉤型以及平直型試件各應(yīng)變點(diǎn)繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 鋼纖維類型對(duì)拉應(yīng)力的影響

以軸拉應(yīng)變?yōu)?000×10-6為分界點(diǎn)，在此之前，端鉤型試件的軸拉應(yīng)變大于平直型，當(dāng)裂縫開展到一定寬度后，由于端鉤型試件被拉直的過程中會(huì)對(duì)水泥基體產(chǎn)生一定的損傷，故平直型試件的軸拉強(qiáng)度反而會(huì)強(qiáng)于端鉤型試件。

摻入體積為2%的鋼纖維，軸拉峰值強(qiáng)度相比于無纖維的強(qiáng)度可以提高約11～12%，彎拉峰值強(qiáng)度可提高0.8～2.0 倍。纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)于彎拉的影響比其軸拉更加顯著如圖1 所示，且其彎拉韌性隨著纖維的長(zhǎng)徑比增加而呈現(xiàn)出了遞增的趨勢(shì)。如圖5 所示。

圖5 彎拉與軸拉試驗(yàn)

胡翱翔等[12]設(shè)計(jì)了8 字型試件，通過加大端頭兩端提拉的方法，研究了鋼纖維摻量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)鋼纖維摻量和抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線進(jìn)行曲線擬合后，如圖6 所示，得出鋼纖維摻量與UHPC 抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式（1），如下：

圖6 纖維摻量對(duì)抗拉強(qiáng)度影響

其中，ft0為不摻加鋼纖維時(shí)的抗拉強(qiáng)度，Vf為鋼纖維的體積摻量，為鋼纖維的長(zhǎng)徑比。

1.2.2 UHPC 的受拉本構(gòu)關(guān)系

張哲等通過設(shè)計(jì)四種混合鋼纖維摻量的棱柱體UHPC 試件，采用直接拉伸的方法，得到不同試件的應(yīng)力-伸長(zhǎng)率曲線以及應(yīng)力-裂縫寬度曲線，根據(jù)試驗(yàn)曲線提出了包含應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及應(yīng)力-裂縫寬度關(guān)系的兩階段本構(gòu)模型。在UHPC 材料達(dá)到極限應(yīng)變之前采用雙線性本構(gòu)關(guān)系[13]。

在應(yīng)力軟化階段，基于材料的斷裂特點(diǎn)，以最小斷裂能原理為基礎(chǔ)，在Stang 等提出的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，提出了兩種應(yīng)力-裂縫寬度的關(guān)系模型[14]，即指數(shù)函數(shù)應(yīng)力-裂縫寬度關(guān)系：

雙段線性函數(shù)應(yīng)力-裂縫寬度關(guān)系[14]，

與以往所提出的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式模型相比，其優(yōu)勢(shì)在于，形式得到了極大的簡(jiǎn)化，且與試驗(yàn)結(jié)果的擬合參數(shù)較高，在0.95～1.08 范圍內(nèi)波動(dòng)。

李立峰等基于雙折線本構(gòu)關(guān)系對(duì)兩階段拉伸本構(gòu)模型在應(yīng)力軟化階段進(jìn)行了調(diào)整，根據(jù)法國(guó)規(guī)范，將應(yīng)力-裂縫寬度關(guān)系轉(zhuǎn)化為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系后，得到軟化階段的曲線受拉階段本構(gòu)關(guān)系[15]，即

其中取Wp=1.0mm，p=0.95，εpc=0.002。

胡翱翔等通過以4%的鋼纖維軸拉試驗(yàn)得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，根據(jù)曲線取其上升段與下降段分別進(jìn)行分析，分別假設(shè)上升段與下降段的方程[12]為：

由上升段與下降段的邊界條件等，確定方程中各參數(shù)值，將各參數(shù)帶入方程（6）、（7），后通過試驗(yàn)擬合，得到擬合系數(shù)為0.025 時(shí)效果最佳，故UHPC 的受拉本構(gòu)[12]為：

2 UHPC 材料在橋梁工程中的應(yīng)用

UHPC 材料憑借其優(yōu)良的力學(xué)性能，在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究日漸增加，由于其具有較好的抗拉強(qiáng)度，故在橋梁工程中，多用于混凝土橋面或鋼橋面的橋面板受拉區(qū)加固薄層中。

根據(jù)UHPC 材料性能方面的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)橋面鋪裝層易受拉損壞以及疲勞開裂等問題，出現(xiàn)了多種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，邵旭東等[1]提出了三種輕型組合梁的形式，在傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板上鋪設(shè)UHPC 薄層的輕型組合梁、正交異性鋼橋面板UHPC 薄層、鋼梁UHPC 薄層，并對(duì)這三種新型組合梁的受力機(jī)理、靜力特性以及疲勞性能進(jìn)行了分析研究，結(jié)果顯示，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，UHPC 層不會(huì)開裂，鋼-UHPC 組合了的破壞模式是鋼結(jié)構(gòu)受壓局部失穩(wěn)，即鋼結(jié)構(gòu)先于UHPC 破壞。

為解決鋼-混組合梁的負(fù)彎矩混凝土板開裂問題，羅兵等[16]提出在組合梁的負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)采用UHPC 層代替普通混凝土層，通過利用UHPC 材料優(yōu)良的抗拉性能來減緩負(fù)彎矩區(qū)裂縫的開展，從而提高組合梁的抗開裂性能。設(shè)計(jì)三根試驗(yàn)梁進(jìn)行正位的加載試驗(yàn)，對(duì)比分析鋼-UHPCNC 組合梁與鋼-NC 組合梁受力性能的同時(shí)，驗(yàn)證不同配筋率對(duì)梁的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC 層裂縫與C50 混凝土層裂縫的分布具有相反的特點(diǎn)，UHPC 層裂縫數(shù)量較多，寬度較小，主要集中在跨中區(qū)和加載段，當(dāng)提高UHPC板的配筋率時(shí)，較高的配筋率使得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布更加明顯，從而使得裂縫的分布相對(duì)分散。

而C50 混凝土數(shù)量少、寬度大裂縫分布均勻且全截面貫穿。并且，經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，通過在梁的負(fù)彎矩區(qū)加設(shè)UHPC 薄層，組合梁在彈性階段的剛度提升了7～20%，對(duì)于其彈塑性和塑形階段來說，UHPC 層對(duì)于剛度的貢獻(xiàn)不大，在試驗(yàn)過程中，UHPC 層與NC 層并未發(fā)生相對(duì)滑移以及粘接破壞，故可證明UHPC 與NC 可以形成較強(qiáng)的組合作用。

類似的劉君平等以某鋼-普通混凝土簡(jiǎn)支組合梁橋?yàn)楸尘埃ㄟ^設(shè)計(jì)鋼-UHPC 組合梁以及鋼-普通混凝土組合梁模型來進(jìn)行抗彎性能的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，兩種組合梁的破壞模式，都是鋼梁受壓屈服后，橋面板的混凝土被壓碎，但鋼-普通混凝土的破壞形態(tài)為加載點(diǎn)處混凝土片狀壓碎破壞，而鋼-UHPC 混凝土的破壞形態(tài)則為純彎段的中部出現(xiàn)范圍較小的帶狀壓碎，因此，采用鋼-UHPC 組合梁使得破壞時(shí)的脆性現(xiàn)象得到了明顯的改善，且其剪力滯效應(yīng)以及鋼梁與橋面板間的相對(duì)水平滑移均小于鋼-普通混凝土組合梁，同時(shí)由于UHPC 材料性能遠(yuǎn)高于普通混凝土材料，故組合梁呈現(xiàn)出“鋼梁弱，UHPC 板強(qiáng)”的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮降低UHPC 板的厚度，相同的抗彎極限承載力的條件下，UHPC 板相比于普通混凝土板可以減薄28%。

朱勁松等[17]通過設(shè)計(jì)4 根鋼-UHPC 華夫組合梁開展了負(fù)彎矩抗彎性能的試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了板肋高度比，配筋率等因素對(duì)鋼-UHPC 華夫組合梁承載力的影響。

3 結(jié)束語

綜上，UHPC 力學(xué)性能優(yōu)異，使得國(guó)內(nèi)外對(duì)于該種材料的研究形成了初步的理論體系，但仍然存在許多不足之處。

對(duì)于鋼纖維的摻量、類型等對(duì)UHPC 強(qiáng)度影響的研究已經(jīng)十分充分，但對(duì)于UHPC 制備工藝的研究還需進(jìn)一步完善。

且對(duì)于鋼纖維的研究性能較為分散，均只是針對(duì)某一點(diǎn)的性能進(jìn)行研究，如何得到包含經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的綜合性能最優(yōu)配比，成為目前面臨的一個(gè)重要的問題。

混雜鋼纖維可以提高UHPC 的抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變等，但對(duì)于混雜型纖維的摻加比例，以及其對(duì)UHPC 的影響系數(shù)等還需進(jìn)行進(jìn)一步做定量研究。

UHPC 薄層現(xiàn)多應(yīng)用于橋面板結(jié)構(gòu)中，由于UHPC 橋面板的優(yōu)異力學(xué)性能，使得UHPC 層可以很薄，鋼板與UHPC 采用栓釘連接，當(dāng)UHPC 層很薄時(shí)，需進(jìn)行栓釘形式上的創(chuàng)新，如何創(chuàng)新栓釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式是進(jìn)一步發(fā)展UHPC 組合梁的關(guān)鍵。