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摘要：为保证桥梁的耐久性,工程施工中多采用高性能混凝土。这种便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的耐久混凝土,特别适用于暴露在严酷环境中的桥梁工程。简要分析了高性能混凝土的特性及其在公路桥梁建设中的应用。
关键词：水泥基纤维混凝土;桥梁工程;维修加固;应用
1 高性能水泥基纤维混凝土的发展
19世纪20年代，英国人发明了由水泥、水、粗骨料和细骨料等材料按照一定的比例配制，并经过搅拌、浇筑、振捣和养护而得到的混凝土。因其原材料易获取，成本较低，施工便捷、坚固耐用等优点，在土木工程领域得到了广泛的应用，成为当代五大工程材料中应用范围最广范的结构材料。但混凝土材料由于存在抗拉强度低、韧性差等短板在一定程度上限制了其优势的发挥。
为了克服混凝土材料的弱点，人们一直致力于混凝土的材料性能改善，采用纤维增强混凝土就是一种重要的解决途径。纤维增强混凝土以水泥净浆、砂浆或混凝土为基材，以杂乱分布的短纤维或长纤维做增强材料组合而成的复合材料。混凝土中掺入纤维能使混凝土性能得到明显改善。
1980年中期美国密歇根大学的Victor C.Li教授提出了一种新的纤维增强水泥基复合材料，是一种以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂作为基体，用纤维做增强材料，纤维体积掺量不超过2%，利用普通混凝土制作工艺就可以加工成型的高性能纤维增强水泥基复合材料，即超高韧性水泥基复合材料，并将其命名为Engineered Cementitious Composites，简记为ECC。
2 高性能水泥基纤维混凝土的优势分析
2.1体积稳定性
高性能混凝土相比于一般的混凝土具有更高的强度，因此其具有较高的体积稳定性，以及高弹性模量、低收缩与徐变等特点。高性能混凝土的弹性模量一般为40~45GPa，是普通混凝土弹性模量的2倍左右。同时，采用高强度粗集料能够有效降低水泥浆体中水含量，有利于混凝土收干，不易发生变形，因此确保了高性能混凝土的体积稳定性。
2.2高强度性
高性能混凝土具有更高的强度，能够适用于一些对强度要求高的建筑工程之中。普通混凝土的抗压强度一般在120MPa，高性能混凝土的抗压强度则在200MPa。同时，其强度能够在短期内快速增长，对于施工周期较短的工程具有很高的实用价值，能够有效缩短工程周期，降低工程成本。
2.3低收缩徐变性
收缩性与徐变形是衡量混凝土性能的重要指标，收缩性越低，徐变形越低，则表明混凝土性能越好。混凝土的收缩量是由其硬度所决定的，硬度越高，收缩量越低。因此，高性能混凝土的收缩性要明显低于普通混凝土。当然由于温度和湿度的变化，也会导致高性能混凝土的收缩性发生一些变化，但是总体上而言，高性能混凝土的收缩性是十分低的。同时其徐变变形也明显低于普通混凝土。
2.4高耐火性
高性能混凝土是一种高密度混凝土，因此其内部的自由水在遇到高温时，不易从毛细孔中排除，从而导致内部蒸汽压力超过混凝土本身的抗压能力，从而导致爆裂、发生剥落等情况。长期以来由于高性能混凝土的耐火性较差，其应用的范围受到很大的限制。随着科学技术的发展，这一问题已经得到了有效地解决，主要的方法是在混凝土中添加有机纤维材料，一旦遇到高温，纤维溶解后便会形成空隙，有利于释放混凝土内部的蒸汽压力，从而改善其耐高温性。
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3 高性能水泥基纤维混凝土在桥梁中的应用
3.1 桥面铺装及面板维修
略阳县马家河大桥由于多年服役、桥梁自身功能性退化，于2010年使用高性水泥基复合材料进行了桥面铺装修补。施工过程简易，修复后拥有较高的抗压强度以及超高的拉伸变形性能，且无需设置伸缩缝。ECC特有的裂缝控制能力，能够很好的防止水、离子等物质的侵入，提高了耐久性。此外，在国内外水泥混凝土路面坑槽、裂缝处理中，也大量应用了ECC材料，修复快1小时即可通车，施工速度更快捷。
3.2 韧性连接板及拼接部位
在连续梁桥中，连接板与相邻的面板形成无缝刚性连接，在发生变形时会造成桥梁面板内部的应力较大，在长期车辆荷载的作用下，造成连接板处的负弯矩过大，引起开裂，导致防水能力下降。ECC的应变-硬化特性和超高韧性可以承受相邻板梁产生的变形，其对最大裂缝宽度的控制能力也能较好解决渗漏侵蚀的问题。南京长江大桥引桥T梁桥面连续化改造工程中，将其作为桥面连续材料，应用效果良好。[4]此外，桥梁拓宽时横向拼接等部位，不仅要承受较大应力，还要承受较大变形。普通混凝土难以满足桥梁拼接部位变形要求，需要使用延性好、强度高的材料，采用ECC可以较好的解决上述问题。
3.3 混凝土保护层及覆盖层
将ECC作为混凝土的保护层，尤其是结构的受拉区，能够克服普通混凝土的脆性性质，提高已建桥梁弯曲断面应力和延性，进而有效提高桥梁构造物结构性能和耐久性。在海南万洋高速公路建设中就应用了该新型材料，能够有效抑制有害物质，水分，二氧化碳等通过裂纹侵入内部延缓钢筋被腐蚀，是一种绿色环保混凝土。此外，由于ECC具高的粘结强度和延性，在一些加固工程中将其作为预应力钢筋等的覆盖层，与普通喷射混凝土相比还具有易喷射、显著降低回弹损失等特点，整体受力性能更好，延性更高。
4 高强混凝土应用中应该注意的问题
（1）高性能混凝土是一种低水胶比的混凝土、其中添加了各种高矿物料、以及外加剂等，搅拌时，其比普通混凝土的粘稠度更高，因此应该选择适合的搅拌设备进行搅拌。卧轴式搅拌机或逆流式搅拌机是一种适用于高性能混凝土的搅拌设备，能够在短时间内完成搅拌任务，采用其他搅拌设备时，应该先经过测试，如果搅拌均匀性符合施工要求，方可使用。总而言之，高性能混凝土在施工技术上与普通混凝土存在着较大差异。选择适宜的施工工艺，才能够达到其质量要求。
（2）高性能混凝土在制备的过程中，应该注意原材料的剂量，确保出机口拌合物的稳定。在制备的过程中，应该注意砂石含水量，高性能混凝土的含水量较低，因此搅拌设备上必须具备能够测定含水量的控制设备，在操作的过程中，工作人员应该时刻关注正在搅拌的混凝土，如果其粘稠度在搅拌时，如发生波动，应该及时调整。高性能混泥土的水胶比较低，因此粘度较大，在运输的过程中，浇注、以及振捣工艺等方面必须严格控制。从实际的施工情况来看，部分施工人员为了方便施工，在混凝土中掺水，导致混凝土的强度，以及耐久性都明显下降。
（3）高性能混凝土的水灰比小，一般不会发生泌水现象，容易发生因自身收缩而导致的开裂，在完成浇筑后，应该采取湿养护措施，以防止塑性收缩导致开裂。由于其大量采用胶凝材料，因此容易发生因材料内外温差所导致的开裂，浇注完工后，应该采取保温措施。在施工过程中，应该注重保持正常的水化反应，水化反应一般在施工后的12小时内实施，保持一定的湿度能够让混凝土进行良好的水化反应，其确保其性能。由于添加的其他矿物料的活性比水泥要小，因此对于硅粉类混凝土，潮湿养护14d才能够满足养护要求。粉煤灰类混凝土潮湿养护2ld才能符合施工要求，否则会导致混凝土表面出现开裂，脱落等情况、降低其耐磨性。因此，对于复掺外加剂的混凝土，其拌合时间要明显多于普通混凝土的拌合时间。外加剂的用量不能过少，搅合时间不能过短，否则掺料不均，无法起到预期的作用，反而会导致混凝土质量下降。
结语
高性能水泥基纤维混凝土中水泥基材提供粘结作用、抗压强度与刚度，纤维在水泥基复合材料中的起延缓裂缝出现、提高密实性及拉伸性能的作用。具有抗拉强度高、变形能力大、抗疲劳能力强、耐久性好等诸多优点。其在桥梁工程中应用逐年增多，且处于不断的应用探究中，在国内外桥梁新建、维修加固中应用前景较好，是一种新型、绿色建筑材料，值得大力推广。
参考文献
[1]余磊, 卢建财. 浅谈如何提高混凝土耐久性与降低混凝土成本[J]. 华章, 2016,(20).
[2]丁一，陈小兵，李荣.ECC材料在桥梁工程中的应用[C].第十八届全国桥梁学术会议论文集（上册）.2018.
论文作者:刘辉,刘珊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/9
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