南京五桥上的粗骨料UHPC应用，助力桥梁结构的体系创新

南京五桥

集约高效、经济适用、智能绿色、安全可靠成为桥梁工程的发展需求，而钢混组合结构能够高度契合上述要求而被世界桥梁界广泛应用。传统钢-混组合梁受普通混凝土材料强度、弹性模量的制约，钢结构的材料性能和结构性能均未能有效发挥，致使钢结构的材料用量相对较高；受普通混凝土抗裂性能和承载能力的制约，使桥面板厚度相对较大，且预应力的使用难以避免；钢、普通混凝土材料性能的较大差异和钢-混组合梁较大的结构自重，使其承担可变荷载的能力受限，制约了经济跨越能力的提高；同时，较重的混凝土构件，难以适应长距离陆路运输和便捷的吊装架设，亦使工厂制造、现场安装的优势难以充分发挥。而与普通混凝土或高性能混凝土相比，在强度、承载能力、结构设计优化、施工与安装速度、应对极端环境的抗介质渗透能力等方面均具有巨大优势的超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，简称UHPC），可满足钢混组合结构的快速施工、轻量化、大跨化和高耐久化的迫切要求，已成为首选材料之一。

工程需求

经过几十年的研究探索和工程实践，多种类型的UHPC板件相继提出，成为了提升钢-混组合梁结构性能的有效途径。然而，传统UHPC虽然可以解决钢-混组合结构中混凝土材料强度偏低的问题，但其弹性模量相对普通混凝土提高幅度有限，在保持等效刚度前提下仍难以有效降低桥面板厚度。同时常规养护条件下，传统UHPC总收缩一般达700με左右，徐变系数一般为0.8，钢-混组合梁长期应力分配的不确定性仍较为明显，必须通过加热养护等工艺措施加速UHPC水化反应和收缩发展，才能有效降低后期收缩、徐变效应的不利影响，进而限制了UHPC在重大工程中的规模使用。

而近些年，随着UHPC设计理论的发展和纳米新材料的融合，UHPC的原材料范围已经得到显著拓宽，尤其在UHPC体系中引入粗骨料，可减少胶材用量、降低水化温升、抑制收缩徐变变形，引起了学术界和工程界的广泛关注。众多研究指出，粗骨料UHPC不仅可以继承UHPC的高强度、高延性和高耐久性等卓越性能，还可以进一步提升UHPC抗压强度、弹性模量和耐磨性等性能、显著降低收缩、徐变变形，并一定程度降低UHPC材料成本。将粗骨料UHPC应用于钢-混组合梁结构中，利用其高弹模、低收缩、低徐变、高抗弯拉等特性，可提高混凝土结构与钢梁的匹配性，使结构中钢材力学性能效用得到提升，桥面板厚度得以减薄，降低结构自重、提高承担可变荷载的能力，并规避长期应力分配的不确定性，提高钢-混组合结构的综合性能，为实现组合梁斜拉桥的千米级跨越创造了条件，势必会成为钢混组合梁结构技术发展的重要方向之一。

韧性提升

在UHPC体系中引入粗骨料，一方面会带入大量界面过渡区，提高缺陷数量；另一方面会对钢纤维的分布和取向带来负面影响，进而劣化UHPC的拉伸性能，成为制约粗骨料UHPC应用中首要解决的重要难题。

针对该问题，首先可采用选择性吸附聚合物，利用其在粗骨料狭小界面空间内具有强吸附的特点，降低界面过渡区内的自由水，避免水化反应形成宏观缺陷，并诱导水化产物在粗骨料界面区内生成，密实界面微结构，进而降低界面过渡区厚度40%以上（图1）。并结合基于纳米聚丙烯酰胺的有机增韧材料，诱导UHPC水化产物生长，并细化、重排水化产物晶体，进而可提高粗骨料UHPC基体拉伸强度30%。

图1 粗骨料与基体界面优化效果

其次，在粗骨料和钢纤维的协同作用规律基础上，采用钢纤维尺寸与形状多方位混杂技术，提高纤维拔出耗能和强度利用率（图2），并结合微纳米流变调控材料，优化浆体颗粒堆积、吸附层和间隙液微观特性，改善颗粒剪切阻力和粘附行为，保证纤维分布均匀，使之分散系数达0.95以上，进而提升拉伸强度40%，并改善应变硬化行为（图 3），使得粗骨料UHPC初裂拉伸强度突破10MPa，有效解决粗骨料劣化纤维增韧UHPC拉伸性能的技术瓶颈，为UHPC引入粗骨料奠定了技术基础。

图2 异型纤维拔出耗能

图3 粗骨料UHPC韧性提升效果

强度提升

相比于承载能力，为使结构刚度平衡和长期稳定，UHPC弹性模量和徐变性能是制约钢混组合梁的轻量化突破的重要原因。然而，如何避免采用加热养护等工艺措施提升强度，以及降低后期徐变效应，成为粗骨料UHPC规模化应用中亟待解决的难题之一。

针对该问题，首先需要获知极低水胶比浆体多元复杂胶凝体系中氢氧化钙的生成和消耗历程，在剖析氢氧化钙竞争消耗机制基础上，引入阴离子梳型高分子活性剂，构建有机-无机纳米杂化材料，改性粗骨料UHPC活性粉末，改善颗粒堆积状态，释放自由水，提升氢氧化钙竞生成量（图4），并降低水化产物结晶势垒，诱导、加速水化，生成高密与超高密CSH凝胶，填充颗粒间隙，减少基体微缺陷，实现孔径细化，可以降低有害孔数量25%以上，促进粗骨料UHPC抗压强度的显著提升，可满足常规养护条件下的超高强度，达150MPa以上。

图4 纳米杂化材料水化作用机制

其次，为发挥粗骨料的骨架作用，进一步引入多尺度高模量颗粒进行分级调控，形成密实高强骨架，可明显提高弹性模量20%，粗骨料UHPC弹性模量可达54GPa以上（图5）。同时，密实的基体和骨架效应会显著提升粗骨料UHPC弹性模量与抗压强度的依时性比值（ftEt/ftoEo），进而抑制徐变变形，降低徐变系数60%以上，粗骨料UHPC徐变系数可低于0.35（图6），有效解决了UHPC刚度小、易下挠的难题，为钢-混组合结构桥梁的轻型化、高耐久提供材料基础。

图5 粗骨料UHPC弹性模量提升

图6 粗骨料UHPC徐变系数降低

流变调控

粗骨料的引入会对UHPC应用施工流动性的调控带来较大的挑战，粗骨料和钢纤维的交互作用，会使大流态下粗骨料UHPC浆体极易出现分离现象，从而引发结构整体物相的不稳定，造成性能的不均匀性。因此，如何形成有效的粗骨料UHPC拌合物稳定性调控技术，成为了粗骨料UHPC规模化应用亟待解决的又一难题。

针对该问题，可以通过获知粗骨料UHPC的非线性流变曲线特征，以及原材料和配合比参数对流变性能影响规律的基础上，建立骨料、纤维等物相分布参数与流变性能间的相互关系，确定满足工程需求的粗骨料UHPC高物相稳定性的流变特征参数取值。进而，设计并采用具有降粘和触变功能组分的流变调控材料，通过有机材料的吸附、络合，以及无机材料的絮凝、搭接调控浆体内部结构，改善浆体结构重建速率和储能模量，进而实现粗骨料UHPC浆体屈服应力和塑性粘度流变特征参数的单线分级调控（图7和图8），及其拌和物动静态间的快速转变。基此，可在保持物相分布均匀性的前提下，满足粗骨料UHPC流动性的可调可控，有效解决粗骨料UHPC物相分布不均以及物相易沉降等难题，为粗骨料UHPC规模化应用中的性能稳定和高效制取奠定技术基础。

图7 塑性粘度单线分级调控效果

图8 屈服应力单线分级调控效果

收缩抑制

高胶凝材料用量和低水胶比特征，导致UHPC的收缩变形可达700με左右，且主要以自收缩为主。粗骨料的刚性骨架虽然会对UHPC的收缩变形产生一定的抑制效果，约25%左右，但仍无法显著降低其收缩变形，导致结构的开裂风险依旧较高。因此，如何进一步降低粗骨料UHPC的收缩变形，仍是其规模化应用中亟需解决的重要难题。

针对该问题，在粗骨料刚性骨架的基础上，可采用疏水链段原位接枝技术，设计新型聚合物减缩剂，改善UHPC浆体孔溶液性质，降低表面张力，可达25%（图9），进而延缓应力发展，提高断裂应力，进而有效抑制粗骨料UHPC的收缩变形，降低60%以上。工程缩尺构件监测数据表明，700余天粗骨料UHPC的总收缩变形可低于300με（图 10），有效解决了收缩大、易开裂的问题。

图9 降低孔结构表面张力

图10 粗骨料UHPC收缩性能

工程实践

南京长江第五大桥是世界首座高性能、轻型化全钢-混组合结构斜拉桥（图11），其主桥跨径为80+218+600+600+218+80m，主梁采用整体抗扭性能较好的整体箱形组合梁型式，其全宽35.3m，内部分为三个箱室，梁高3.6m（组合梁中心线处）。顶板采用了17cm厚粗骨料UHPC桥面板，桥面板既作为主梁的一部分，同时也是行车道板，通过剪力键与钢主梁连接。

图11 新型台阶状UHPC接缝构造及实桥应用

作为国际首创应用粗骨料UHPC桥面板的典型范例，研究团队历经多年科研攻关，研发的粗骨料UHPC具有超高的力学性能和长期体积稳定性（表1），其初裂强度大于10MPa，弹性模量提高至54GPa以上，收缩降低60%，并满足了常规材料常规养护的规模制备要求。

粗骨料UHPC高弯拉、高弹模、低收缩徐变等显著特征，使得桥面板具有优异的结构性能，足尺模型静力试验结果表明（图12），连续桥面板可能会出现正弯矩破坏和负弯矩破坏两种形式，正弯矩破坏始于底钢板剪力钉的屈服，最后以受压区粗骨料UHPC的压溃而告终，极限承载力可达中国标准车辆荷载轴重的6倍；负弯矩破坏始于受拉钢筋屈服，其极限承载力可达中国标准车辆荷载轴重的5.2倍。同时疲劳试验表明，在4.1MPa（标准疲劳车折算应力幅）疲劳应力幅作用200万次后，正、负弯矩区均未开裂；以7.0MPa疲劳应力幅加载250万次后，在负弯矩区出现疲劳裂缝，其后分别以7.0MPa应力幅和9.1MPa应力幅继续加载150万次和400万次（图13），裂缝宽度仅0.04mm；在经历1000万次疲劳后刚度退化仅约21%，且未见破坏征兆，桥面板展现了良好的疲劳性能。

图12 静力荷载作用桥面板挠度分布

图13 9.1MPa疲劳上限挠度发展

工程实践表明，将粗骨料UHPC应用于南京长江第五大桥钢混组合梁，显著改善了混凝土结构与钢结构的材料匹配性，并充分发挥了钢-混组合结构的优势：

（1）与传统钢-混组合梁相比，粗骨料UHPC钢-混组合梁，桥面板抗裂强度提高4倍，减轻主梁自重1/3以上，减少徐变应力70%，提高了钢材利用效率，与同等跨径斜拉桥相比，主梁用钢量由400kg/m2减少到311kg/m2，将钢-混组合梁斜拉桥的跨越能力提高至千米级。

（2）与传统钢-混组合梁相比，由于主梁重量减轻，可减少索塔截面、桩基数量和承台体积，斜拉索钢材用量明显降低；梁段长度由10.8m增加至14.6m，梁段数量由29减少至20，减少了主梁安装和拉索张拉作业，缩短施工工期30%。

（3）因结构性能提高，减少材料用量，节约材料成本5817万元。因结构重量减轻，节约下部结构材料成本8068万元。因提高功效、减少人工和设备投入，节约施工成本1594万元。去除粗骨料UHPC材料成本，合计节约建设成本9091万元。

（4）由于混凝土、钢材用量减少，减少二氧化碳排放25545t，实现了钢-混组合结构的施工由建造型向制造型转化。

与之配套的工业化建造技术，南京长江第五大桥提高了钢-混组合梁结构的建设质量、减少了人工投入、降低了环境污染，取得了显著的经济、社会和环境效益。南京长江第五大桥的成功建设，为UHPC在桥梁工程中的应用提供了较好的借鉴作用，也高度契合了我国倡导的工业化和绿色化桥梁建设理念。

粗骨料UHPC在钢混组合梁结构的优势已显现并突出，在大跨度桥梁索塔、承台部位也彰显了应用前景，后续应持续开展粗骨料UHPC的基础理论和关键共性技术研究，加强原创性和引领性成果攻关，坚持重大工程需求牵引，积极推动粗骨料UHPC深层次、多元化的应用，助力桥梁结构的性能跨越和体系创新，推动我国成为粗骨料UHPC发展和应用最具活力的国家。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2021年 第5期 总第103期

作者 / 刘加平 崔冰

作者单位 / 东南大学材料科学与工程学院

高性能土木工程材料国家重点实验室

中交公路规划设计院有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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