超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC），不同于普通混凝土，是指抗压强度大于100MPa，各方面性能都十分优良的混凝土。UHPC最早于1993年由法国的皮埃尔·理查德研究小组研制而成。加拿大利用UHPC材料修建了第一座UHPC景观桥，随后美国、欧洲等国也在一些公路桥梁等工程中开展了实际应用。当前，国内UHPC的应用途径很少，且主要以预制为主，比如高铁工程上使用的UHPC盖板等，很少有应用于现浇工程中，特别是UHPC应用于桥梁之中。本文以怒江二桥工程为例，介绍现浇UHPC在桥梁工程中的应用。
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC），不同于普通混凝土，是指抗压强度大于100MPa，各方面性能都十分优良的混凝土。UHPC最早于1993年由法国的皮埃尔·理查德研究小组研制而成。加拿大利用UHPC材料修建了第一座UHPC景观桥，随后美国、欧洲等国也在一些公路桥梁等工程中开展了实际应用。当前，国内UHPC的应用途径很少，且主要以预制为主，比如高铁工程上使用的UHPC盖板等，很少有应用于现浇工程中，特别是UHPC应用于桥梁之中。本文以怒江二桥工程为例，介绍现浇UHPC在桥梁工程中的应用。
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概述
拱桥是一种以受压为主的结构，采用抗压强度高、抗拉强度低的混凝土，在地质与地形条件合适的桥位处修建，具有很强的竞争力。从施工的角度看，拱在未合龙之前不为拱，而需要依靠临时辅助设施或结构(如支架、拉索等)来支承。当混凝土拱桥跨径增大后，拱肋自重的增加会使施工费用急剧增加，难度也随之增大。因此，如何减轻拱肋自重成为超大跨径拱桥需要解决的首要问题。显然，采用具有极高抗压强度的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)，是解决上述问题的一种有效途径。
超高性能混凝土的概念由Larrard和Sedran于1994年提出，它指具有超高强度与良好耐久性的水泥基材料。然而，有关的研究早于此前就已开展，且持续至今。对于这一类材料迄今仍没有统一的定义，名称也多种多样，如细料致密(Densified with Small Parti-cles，简称DSP)混凝土、无宏观缺陷（Macro Defect Free，简称MDF）混凝土、密实配筋混凝土(Compact Reinforced Composite，简称CRC)、活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)、超高性能纤维增强混凝土(Ultra-high Performance Fiber Rein-forced Concrete，简称UHPFRC)等。在这些类型混凝土中，目前研究与应用相对活跃的是活性粉末混凝土(RPC)和超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)。相对来说，UHPC的范围大些，RPC和UHPFRC的范围小些。
克罗地亚在跨径达432m的巴卡尔(Bakar)桥的设计构思和跨径达500、750和1000m混凝土拱桥的系列研究中，提出采用RPC的设想。然而，在世界已建和在建的40余座UHPC中，拱桥仅有2座，1座是跨径为120m的韩国Sun-Yu(仙游)人行拱桥，另1座是跨径为70m的奥地利Wild(威尔德)公路拱桥，他们均将之称为UHPFRC。
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结构设计
该桥位于福州大学旗山校区内办公南楼前两湖之间的坝上，桥宽2.1m，横断面布置为0.3m 栏杆+1.5m人行道+0.3m栏杆。
为体现校园特色，要求设计在满足功能且经济合理的同时，充分重视桥梁景观，与周边环境相融合。为此，选用了拱桥方案。拱的优美曲线以及镂空的轻盈木栏杆，将与校区湖岸的树林景观融为一体。
图1 桥梁总体布置图（单位：cm）
桥位处地质条件较差，为抵抗拱的水平推力，桥梁采用钢筋混凝土系杆拱体系。由于桥梁所跨越的并不是常年的流水，将系杆埋于拱的下方，在其上铺砌保护层，既平衡拱的水平推力、降低下部结构费用，又不影响美观。
该桥主体于2015年1月建成，细部修饰于3月份完成。
2.2 结构设计
桥梁人群荷载为5kPa；土侧压力、水浮力、静水压力及风荷载均按规范计算；温度荷载按整体升降温25℃考虑。抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震动加速度峰值为0.10g。
主拱净跨径为10m，拱肋采用等截面板拱，厚10cm，拱轴线为半径R＝6.25m 的圆曲线，净矢高2.5m，矢跨比1/4。拱肋材料为UHPFRC(R130)。拱肋设计时，没有配置钢筋，为素混凝土拱。施工时，考虑到整体现浇拱肋，为防止早期收缩开裂，在拱肋中截面加了一层20cm×40cm 的?10cm 钢筋网，纵向配筋率仅为0.037%，因此结构仍应视为素混凝土结构。
拱肋两侧墙采用C30钢筋混凝土板，通过钢筋与UHPFRC拱肋连接形成拱腔，内填透水性材料，其上铺3cm砂浆和2cm厚防滑地砖铺面，较陡处为台阶。桥梁栏杆采用天然防腐木栏杆；雨水通过桥面纵坡自然排除。
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UHPFRC材料
3.1 配合比设计
该桥拱肋采用的UHPFRC的基本组成是水泥、硅粉、细砂、水、钢纤维和高效减水剂。为了获得满足设计力学性能要求的UHPFRC，使构件具有良好的颗粒级配，达到充分密实的目的，需选择合适材料和设置合适的配合比。该桥的配合比基于施工条件和结构所处的环境条件，综合文献中的配合比和河北石安高速4～30m UHPFRC连续箱梁桥的配合比，得到适合该桥的配合比。通过材性试验，测得与拱肋同批浇注的UHPFRC试块的力学参数指标为：150mm×150mm×150mm立方体抗压强度≥130MPa；弹性模量约为45GPa。
3.2 原材料的选择
水泥是混凝土最重要的原材料之一，它与其他材料混合后经过物理化学反应由可塑性的浆体变成坚硬的水泥石。在配制UHPFRC时，选择的水泥最好是强度高且同时具有良好的流变性能。因此，该桥的水泥采用福建“炼石牌”P.O.52.5通硅酸盐水泥。
为获得高强度，UHPFRC水胶比较低，因此，需选取高效的减水剂，不宜采用引气剂和普通减水剂，以避免引入气体对强度造成不利影响。该桥高效减水剂选用福州创先工程材料有限公司提供的聚羧酸减水剂，其减水率为25％～30％。
钢纤维宜采用长10～20mm、直径0.1～0.25mm、抗拉强度不小于2000MPa的规格型号。由于纤维类型与UHPFRC材性有密切的联系，因此，应通过预试验进行钢纤维的选取。钢纤维应储存在没有杂质如灰尘、雨水等污染的地方，不允许储存时发生生锈、弯曲或纤维断裂现象。该桥所采用的钢纤维为鞍山市铁西区昌龙钢纤维厂生产的超强钢纤维，其直径为0.18～0.22mm，长度为12～14mm，抗拉强度≥2860MPa，也是河北石磁高速4～30ｍ UHPFRC连续箱梁桥所采用的钢纤维。
硅灰是生产硅和含硅合金时所产生的副产品，由烟道气气相氧化形成，呈浅灰色到深灰色，颗粒细小。用硅灰配制的混凝土具有优良的抗冲磨性能。在UHPFRC中硅灰的作用主要有：填充不同粒径颗粒间的空隙；起到很好的润滑作用，起到二次水化作用。该桥采用福州建材市场购入的硅灰，平均粒径0.1μｍ左右，SiO2含量大于90％。
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施工
虽然该桥规模不大，但毕竟是中国第一座UHPFRC拱桥，为此，借鉴文献中拱桥的施工要点并结合UHPFRC桥梁实际情况，制订了具体的施工计划，保证了桥梁的顺利建成。
4.1 基础与桥台施工
施工前进行场地平整，清除建造桥址周围的障碍物，腾出工作面以便施工。与以往的桥梁施工一样，首先完成拱座基础与桥台的浇筑。接着，完成系杆的浇筑。需注意的是系杆钢筋应在桥台浇筑前与桥台钢筋一同绑扎。系杆混凝土原本应待桥面系施工完毕后最后浇筑，即在系梁钢筋受拉后再浇筑系杆混凝土，以避免系杆混凝土受拉而产生裂缝。但是，由于施工单位考虑到拱肋施工的便利性，再加上该桥系杆所受的拉力较小，最终采用了先浇筑系杆的施工顺序。
4.2 主拱施工
4.2.1 支架与模板
系杆浇筑完成并达到一定强度，紧接着准备拱肋的施工。该桥跨度小，且系杆已提前浇筑完成，可为搭建拱肋支架提供一个可靠的支撑平台。因此，拱肋的施工方法采用满堂支架法，见图2。由于UHPFRC与普通混凝土相比，重度较大、早龄期收缩很大，因此支撑的杆件应采用钢材，确保支撑杆件的强度；模板采用柔性的木模板以适应UHPFRC早龄期的变形。拱肋顶、底模板采用对拉杆固定，并用方木辅助对拉杆的使用。
图2 搭建拱圈模板
为了方便日后对该桥进行检查、检测，评估运营后桥梁的安全性，需对该桥建立长期的监测系统，定期对桥梁应力进行监测。因此，该桥在拱脚两侧及拱顶分别布置了3个埋入式应变计。
4.2.2 UHPFRC制备
4.2.3 UHPFRC浇注
UHPFRC流动性虽好，但其重度、粘性大。因此，浇筑拱肋时，为防止拱肋产生较多的气泡，拱肋的浇筑采用自下而上的浇筑顺序。分别在拱肋两侧的1/4处及拱顶设置浇筑口，将拱肋的浇筑分成了3个节段，其中一个节段为节段1，即从拱肋一侧1/4处至另一侧1/4处，另两个节段则为节段2、3，即从拱肋1/4处至拱脚。浇筑过程中采用对称浇筑的方式，首先在拱肋1/4处的浇筑口灌入UHPFRC，形成节段2、3，并用振动棒振实。待节段2、3浇筑完成后，将拱肋1/4处的浇筑口封上，再进行节段1的浇筑。由于UHPFRC自重、流动性大，拱顶浇筑时应注意拱脚附近处对拉杆的端部受压情况，防止用于辅助对拉杆的方木受力不均而断裂。另外，为方便检验该桥实际使用的UHPFRC的材性与试配试验得到的UHPFRC的材性是否一致，因此，采用浇筑拱肋的混合物浇筑了一批试件以供检测。
4.2.4 UHPFRC养护
该桥施工时为1月份，恰为当地气温最低的季节，最高温度为16℃，最低温度为7℃，月平均温度为12℃。为保证UHPFRC的强度、避免低温引起的早期收缩裂缝，采用了蒸气养护的措施。
拱肋浇筑完成6h以后，用3层加厚的塑料薄膜包裹拱肋，并用简易的支撑薄膜形成一个养护空间，不仅用于蒸气的注入，也避免早期的拱肋UHPFRC表面与外面的低气温直接接触。
在现场设置一个小型的锅炉，将锅炉产生的水蒸气，注入拱肋养护空间中，试件也放在其中进行养护。蒸养时，每隔1h便用温、湿度计对养护空间中的温、湿度进行测量，以便将其温度控制在55～65℃之间，湿度控制在85％～100％之间。
4.3 拱上建筑与附属工程施工
将拱肋蒸养3d以后便停止向棚里输入蒸气。为防止温度骤降导致拱肋开裂，拱肋带膜放置冷却1d以后才拆除拱肋外包的塑料薄膜，随后进行拱肋的顶模及侧模的拆除。
拱肋达到一定强度以后，拆除拱肋底模板，肉眼可见拱肋表面光滑、无气泡，如图4(a)所示。紧接着完成拱上建筑的建设，即浇筑拱肋上部左右两片肋板、铺设拱上填料，进行桥面铺装，增设木栏杆。成桥照片见图4(b)。
图4 福州大学校园人行UHPFRC拱桥
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结语
国内外的试设计研究与工程应用表明：UHPFRC具有超高的抗压强度，应用于以受压为主的拱桥具有良好的应用前景。根据前期的研究结果，建成了中国第一座UHPFRC拱桥，为今后UHPFRC拱桥的应用提供了借鉴。
中国UHPFRC试验室制备技术已经成熟，该桥的实践表明：它在拱桥结构中的规模应用也是可行的。UHPFRC流动性虽好，但其重度和粘性均较大。该桥浇筑拱肋时，采用了自下而上分段浇筑的顺序，实践表明可以防止拱肋产生较多的气泡。该桥施工时为1月份，恰为当地气温最低的季节，施工时采用了简易的蒸气养护措施，取得了较好的效果。
UHPC应用依托的怒江二桥是由二航局修建的独塔单索面混合梁斜拉桥，跨径组合为81+175m，总体布置如图1所示，桥面宽度32m，采用塔、墩、梁固结体系。RC桥塔高70m，斜拉索采用平行钢丝体系，扇形布置。为减小边中跨比并提高主跨跨越能力，主梁采用混合梁，主跨采用钢箱梁，截面如图2所示。边跨采用预应力混凝土箱梁，标准截面如图3所示。钢混结合段设置在主跨侧距桥塔中心线8.75m处。
图1 怒江二桥总体布置图
图2 钢箱梁标准截面
图3 预应力混凝土箱梁标准截面
边跨采用满堂支架现场浇筑施工。考虑到桥位处怒江水流速度高达5～6m/s，水路运输和栈桥搭设都难以实现，因此钢箱梁采用现场组拼-缆索吊吊装的工艺施工。
钢混结合段是混合梁斜拉桥受力最关键的部位，设计阶段原先考虑结合段内腔混凝土采用C55，与此对应，施工阶段斜拉索张拉需分阶段进行，为简化施工工序，施工控制提出采用斜拉索一次张拉到位的工艺，而为保证钢混结合段受力满足要求，需提高结合段混凝土强度，因此，提出将内腔C55混凝土换成强度可达100MPa的UHPC。
2.1 UHPC材料组成与试配
此次施工采用UHPC在工厂混和完成，袋装运输到现场，然后加水拌和的工艺。UHPC的组分含有：中热水泥，粉煤灰，硅灰15-20%，磨细石英砂粉（胶砂比约为1:1），混杂纤维（其中钢纤维长度2cm，长径比1/65-1/80，掺量为体积比1.5%；聚丙烯纤维），粉体聚羧酸外加剂，减水率约为36%。现场拌和水胶比0.18-0.20，试拌混凝土强度见表1，用水量9.5%，试件尺寸均为100×100×100mm。
2.2 模型实验
在指挥部协调下，在现场进行了混合梁结合段混凝土模型试验，实验结果见表2和表3。试验内容包括浇筑工艺以及荷载试验，试验结果满足预期目标。
图4 混合梁结合段模型
UHPC的生产在工程现场的商品混凝土站，一台站拌和普通的C55混凝土，一台站拌和UHPC。袋装UHPC从拌合站的砂石料仓加入，加水搅拌5-10分钟（实际经过三轮调试后，搅拌时间为5分钟），然后由混凝土搅拌车运输至现场，通过汽车泵输送至仓面。一个仓连续不停的进行UHPC的搅拌供应现场，总浇筑方量为90m3，最终总浇筑时间为16h。
混凝土每罐搅拌约2方混凝土，控制下料重量5000kg左右，加水470kg左右，调试过程稍有10kg左右的微调。
图5 UHPC生产搅拌站
图6 UHPC下料生产
图7 UHPC浇筑布置
现场泵送采用一台天泵，先浇筑底板部分C55普通混凝土，然后浇筑UHPC，后续依次交替进行。C55混凝土与UHPC交界处，加强该处混凝土的振捣，试验发现混合后强度介于C55与UHPC之间。
图8 泵送浇筑UHPC
通过现场浇筑UHPC，总结出UHPC在浇筑施工时需要注意以下事项：
1、UHPC离差系数大，对加水量误差非常敏感，要求现场原材料、水计量非常精确。
2、UHPC粘度较大，在采用泵送施工时不宜中断，现场检验UHPC泵送性能良好。
3、UHPC坍落度很大，没有粗骨料，现场模板要求密封严密，否则容易漏浆。
4、UHPC搅拌时间大于普通混凝土，混凝土生产效率较低，搅拌时间3-5分钟。
UHPC拥有极佳的力学性能和耐久性能，尤其是其抗弯折强度较普通混凝土大幅提高，可以有效提升增强桥梁结构的各项性能，延长桥梁服役使用的周期。UHPC由于其独特的超高性能，可以展望其在以下桥梁工程中的应用：
（1）UHPC用于钢结构桥面铺装。钢结构桥梁具有重量轻，跨度大的优势，桥面铺装通常采用沥青，沥青与钢结构结合力差，如果桥面车辆载重大，容易造成沥青层的快速脱落，甚至会损坏钢箱梁，对结构造成危害。在钢结构箱梁与沥青层之间施加一道薄层UHPC，可以起到减缓钢箱梁承载变形能力，延长桥面沥青层的使用寿命。
（2）UHPC用于设计新型桥梁结构形式。由于桥梁施工装备化的快速发展，如今的桥梁结构形式也越来越多样化。UHPC的超高力学性能，可以用来替代普通混凝土设计轻薄型桥梁结构，比如薄壁箱梁的预制。此外，UHPC还可与钢管复合用来配制高强钢管混凝土，增大拱桥的跨径。
（3）UHPC用于桥梁关键结构受力部位。桥梁局部受拉、局部受压，以及结合段等一些关键受力部位，是容易疲劳开裂破损的部位，往往对材料的力学性能要求更高。使用UHPC替代普通混凝土进行施工设计，有助于增强结构受力。
（4）UHPC用于桥梁的结构维修加固。桥梁在经过长时间服役后由于受到荷载、环境侵蚀作用，会出现局部破损甚至开裂的现象。通过清除腐蚀破坏的旧混凝土层和更换锈蚀钢筋，浇筑UHPC保护加固层形成复合结构，可以大幅提高损伤部位的耐久性，延长结构的寿命。
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知识点：超高性能混凝土UHPC拱桥、斜拉桥的设计与施工
