前言
军山大桥是武汉特大桥梁之一，所有经过武汉或途径武汉的大货车都会经过军山大桥。 据了解，车流量每天达到三万辆以上，且60%以上都是大货车。 沉重的交通荷载和繁重的交通量使军山大桥在交付使用6年后桥面就出现了车辙、裂缝等，甚至连桥梁主体钢桥面板都出现了裂纹，不得不封闭整座大桥进行维修。随后的11年间，军山大桥一共经历了10次大中型的维修，耗费了大量的人力和物力。
如何才能避免桥面开裂破损，减少桥梁维修频次呢？ 现代桥梁中，完整的桥面铺装一般是由沥青层、混凝土层、钢桥面板层组成，其中沥青层主要承担耐磨降噪等作用，混凝土层和钢桥面板是主要受力结构。
要想解决因交通压力造成的桥面开裂破损等情况，必须提高受力结构的性能，而提高钢桥面板的性能则涉及到造价的大幅度提高，因此 提高混凝土层性能 是最好的选择。
我们首先要分析它的受力情况，车辆通过桥面时，会对桥面的混凝土产生压力，这就需要 提高混凝土的抗压强度 来抵抗这种压力，同时由于桥梁是两侧由桥墩支撑、中间悬空的状态，车辆通过桥梁时会对桥面上的混凝土层产生一个向下的压力，此时两侧桥墩会拉扯桥面的混凝土层，而车辆所在点也会产生一个向下拉的力，压迫混凝土往下折，这就需要 提高混凝土层的抗拉抗折能力 。
武汉中铁大桥科学研究院设想了一种新的解决方案——改变混凝土的构成材料。 超高性能混凝土研究团队带头人田启贤介绍，我们常见的桥梁、房子、建筑、隧道等都是用水泥、河沙能制成，普通混凝土是由水、水泥、砂石等材料构成，而中铁大桥研究院提出的混凝土改良方案只是去掉了砂石等比较粗的材料，改为颗粒较小的石英砂等原材料。
普通混凝土材料
超高性能混凝土组成材料
仅仅通过改变原材料就能提高混凝土的抗压强度和抗拉抗折能力吗？通过实验，我们一起来看看普通混凝土和超高性能混凝土的区别~
混凝土抗压强度对比实验
实验准备 ：按照行业标准，混凝土试块的标准尺寸为长100毫米、宽100毫米、高100毫米，实验人员将两种混凝土的配料分别按照比例放入搅拌机，制成实验用的试块，并且试块被放进了养护室，进行了28天的养成。
实验目的 ：对比两种混凝土；看改进后抗压强度的提升
实验总结 ：普通混凝土——抗压强度64兆帕；新型混凝土——抗压强度125兆帕；新型混凝土抗压强度提升了约一倍。
实验原理 ：以普通混凝土为例，构成它的材料，砂石和水泥之间体积大小差异较大，搅拌在一起后，混凝土块内的孔隙较大。而新型混凝土的材料体积小且差异小，孔隙较少，形成了最紧密堆积理论，因此抗压强度比普通混凝土高。
混凝土抗拉强度对比实验
抗压强度的提升并不能完全满足桥梁的使用需要，由于桥梁两端由桥墩支撑、中间悬空，车辆通过时除了会对桥面有一个向下的压力，同时还会对桥面造成拉扯的力。因此作为铺装层之一的混凝土还必须具备一定的抗拉能力，以抵抗拉扯的力造成桥面开裂。要提高混凝土的抗拉强度，抗压往里面添加钢纤维，在混凝土受拉破坏时，开裂口处混凝土内的钢纤维起到一个桥搭的作用，可部分阻止混凝土裂纹的发展。而且原本由混凝土承受的力开始由钢纤维和混凝土共同承担，因此与普通混凝土相比，加入钢纤维的混凝土抗拉强度和韧性有很大的提高。
实验总结 ：加入0.35mm钢纤维试块——平均抗拉强度7.95兆帕；加入0.24mm钢纤维试块——平均抗拉强度8.95兆帕；加入的钢纤维越细，混凝土抗拉强度越高。
实验原理 ：根据结构的最紧密堆积理论可以得出，材料之间结合的越紧密，结构所能承受的力越大。因此在混凝土中添加的钢纤维直径越小，混凝土所能承受的拉力越大。
混凝土试块抗折强度实验
选择好钢纤维的种类之后，还需要解决的是钢纤维的添加数量，添加多少钢纤维，才能使混凝土发挥最大效用、减少桥面开裂、降低维修频率呢？
车辆通过桥面时对桥面造成拉力，混凝土材料抵抗的力即为混凝土的抗折强度，四点抗折实验即假设混凝土试块的一个平面为等比例缩小的桥面，下方两点为桥墩，上方两点为车头车尾 实验机模拟车身。不断加大车身重量直至试块锻炼来测试试块的抗折强度。
实验结果 ：掺量1%——抗折强度13兆帕；掺量3%——抗折强度28兆帕；掺量3%的混凝土可满足桥面使用需求。
实验总结 ：根据测试桥面各处受力不同，因此在桥面上使用的混凝土材料钢纤维添加的数量各有不同，一般在2%至4%之间即可。
混凝土承载对比实验
在实际的道路应用中标准车道宽度一般为3.75米，混凝土的铺设厚度标准不低于0.18米，实验将车辆中最为常见的重量为6吨、14吨、30吨的三种货车分别通过超高性能混凝土桥面和普通混凝土桥面，以桥面是否变形、出现裂缝来测试两种混凝土在实际使用中的承载力。
实验方法 ：不同重量货车分别驶过两种混凝土桥
实验目的 ：超高性能混凝土能否减少桥面开裂
实验结果 ：30吨车辆通过时，超高性能混凝土桥面表面无裂纹，普通混凝土桥面弯曲变形，出现较大裂缝
实验总结 ：对比30吨车辆通过两种混凝土桥面的结果，超高性能混凝土在实际应用中的承载性能优于普通混凝土，应用在桥梁的铺装上可以减少桥梁维修频次。
“超高性能”
减负大桥荷载
桥科院近几年研发出这种强度高、耐久性强、低收缩、免蒸养的超高性能混凝土新材料，采用这种材料组合桥面 不仅能降低钢结构疲劳应力避免开裂，还可作为防水层和耐磨层 ，为钢桥面提供一种永久的防护，极大提升了桥梁结构的整体健康与安全水平。
图源：长江日报
军山大桥的桥面改造工程，施工工艺复杂、工程量大，所需栓钉个数98万个，钢筋网504吨，钢板条4800条，应用超高性能混凝土组合桥面不仅有效解决桥面钢板疲劳开裂这一大技术难题，还确保了大桥的安全荷载，既能满足城市桥梁快速维修的需求，又能降低对交通的干扰。
500万次疲劳试验
确保桥面寿命
与普通混凝土相比，超高性能混凝土除了抗压、抗拉能力强外， 韧性也是普通混凝土的200倍，耐磨强度为4倍 ，这意味着如果普通混凝土25年便会磨耗2毫米，超高性能混凝土则需要100年才会磨耗2毫米，其具有的低收缩、免蒸养等特点，也会大幅度降低桥梁后期养护成本。
超高性能混凝土铺设现场，图源：长江日报
此外，普通桥面铺装多采用环氧和浇注沥青，这两种普通沥青铺装于钢桥面使用寿命仅为2到3年，并且浇注沥青需1个月维修一次，环氧沥青也需2至3个月维修一次，局部修补还会影响桥面美观和交通出行， 以超高性能混凝土做基础铺装沥青将延长沥青使用寿命，减少了大桥使用的维修费用，更利于交通出行。
超高性能混凝土上加了一层沥青作为磨耗层，图源：长江日报
前景广阔
适用于海洋环境
据了解，自2012年中铁大桥科学研究院开始立项研究超高性能混凝土以来，全国已有荆州长江公铁大桥、蒙华铁路洞庭湖特大桥、成贵铁路金沙江大桥、汕头海湾大桥等十几座知名桥梁应用了这种新材料。在采用超高性能混凝土翻新和维修桥面后，使得钢桥面得以较好养护，不少专家和业内人士认为， 超高性能混凝土将普遍应用于未来新建以及既有桥梁，是提升桥梁结构安全的发展趋势。
基于超高性能混凝土的韧性、耐磨性强的特点，这种新材料还可应用在高速公路和结构复杂、受力面较大的桥梁上，例如山区桥梁的桥墩如果用超高性能混凝土进行包裹防护，会起到很好的加固桥墩的作用。此外， 超高性能混凝土的抗冲磨性也很好，适应于海洋环境，其高密度和耐久性可以保护跨海大桥的主体结构 。
荆州长江公铁大桥
蒙华铁路洞庭湖特大桥
宜宾金沙江公铁两用特大桥
UHPC在国外桥梁工程中的应用
UHPC在桥梁界的应用已经不是什么新鲜事了，超高性能混凝土（UHPC）作为一种具有超高的力学性能和超高的耐久性能的水泥基复合材料，自1993年研发成功后，便引起了桥梁界的极大兴趣和高度重视。在桥梁工程中，UHPC已被应用于主梁结构、拱桥主拱、华夫板桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等多方面。据不完全统计， 到2016年底为止，世界各国已有超过400座桥梁采用UHPC作为主要或部分建筑材料，超过150座桥梁采用UHPC作为主体结构材料 。
1997年在加拿大魁北克省舍布鲁克市建成了世界上第一座UHPC人行桥——Sherbrooke人行桥，该桥为预应力UHPC空间桁架结构，跨径60m，采用了法国的UHPC材料。桥面板采用3cm厚UHPC板，桁架腹杆采用直径15cm的钢管UHPC，下弦采用10m预制UHPC梁节段，节段内未配置普通钢筋，仅采用后张预应力拼装而成。由于UHPC的使用结构自重大大减轻，并有效抵抗了当地严冬零下30℃条件反复冻融侵蚀，该桥在1999年获得Nova奖提名。
加拿大Sherbrooke人行桥
2002年，日本第一座UHPC人行桥Sakata-Mirai 桥建造完成，该桥主跨跨径49.2m，主梁截面形式为箱梁，采用预制拼装法施工，预制梁段间采用预应力张拉拼接完成。此后，日本相继建造了多座UHPC人行桥，如Yamagata桥和Tahara桥等均采用了箱梁截面作为主梁的截面形式。日本第一座公路UHPC桥梁为修建于2005年的Horikoshi Highway C-ramp Fukuoka 桥，跨径为16m。
日本Sakata-Mirai人行桥
2002年建成的韩国和平人行桥（Sunyudo Footbridge）是一座主跨为120m的UHPC拱桥，该桥由6个预制后张预应力π型节段组成，截面高1.3m。值得关注的是，2007年韩国提出一个Super Bridge 200的计划，该计划以斜拉桥为主要应用对象，研究用UHPC修建寿命达200年的桥梁，示范性修建了世界上第一座UHPC人行斜拉桥（Super Bridge I）。
韩国Sunyudo 人行桥
2005年，德国开展了一个超过20个研究机构参与，经费达1200万欧元的UHPC研究项目“Sustainable Building with UHPC”（基于UHPC的可持续建筑），为制定全面的UHPC技术标准提供研究成果。于2007年，德国Kassel修建了第一座多跨UHPC桥梁G?rtnerplatz桥。该桥为人行和自行车两用桥梁，共有6跨，桥长133.2m，最大跨径36m，跨越Fulda河。G?rtnerplatz桥为世界上首座UHPC-钢组合桥梁。
德国G?rtnerplatz桥
2006 年在爱荷华州建成了美国第一座UHPC公路桥—Mars Hill桥，2008 年又在弗吉尼亚州和爱荷华州各建成一座 UHPC 公路桥，三座桥的主梁分别为 I 形、T 形和π形，并且UHPC主梁均未设抗剪钢筋，只利用 UHPC 自身的高抗拉性能，大大简化了钢筋构造。
美国Mars Hill桥
由于各地桥梁所处环境不同，对混凝土的使用需求除了承载力的提高，可能还需要耐寒、防冻或者抗震性能等方面的提高。 相信随着科学技术的进一步发展，在科研工作者们的努力下成功研制出满足各种极端环境中桥梁使用需求的混凝土指日可待！
参考资料：
《实验现场》 20201220 混凝土承载实验*央视网
《超高性能混凝土（UHPC）在国内外桥梁工程的应用情况 》*湖大UHPC桥梁研发团队
《超高性能混凝土“铺新”军山大桥，桥面与桥梁寿命均可达百年》*中华建设网
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