高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用及發(fā)展

摘 要：本文介紹了高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用概況，分析了高強(qiáng)輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn)，討論了這種材料應(yīng)用于橋梁工程中應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題，展望了高強(qiáng)輕骨料混凝土橋梁工程的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)輕骨料混凝土；橋梁工程；彈性模量；泵送；收縮；徐變

一． 高強(qiáng)輕骨料混凝土的概念

　　用輕粗骨料、輕砂(或普通砂)、水泥和水、必要時(shí)加入化學(xué)外加劑配制而成的、干表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土，稱為輕骨料混凝土。輕骨料可以使用天然輕骨料（如浮石、凝灰?guī)r等）、工業(yè)廢料輕骨料（如爐渣、自燃煤矸石等）、人造輕骨料（頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒、膨脹珍珠巖等）等，但由于天然輕骨料、工業(yè)廢料輕骨料的性能指標(biāo)不易控制，所以在結(jié)構(gòu)用輕骨料混凝土中常用人造輕骨料。

　　一般強(qiáng)度等級(jí)為CL40以上的結(jié)構(gòu)用輕骨料混凝土，就認(rèn)為是高強(qiáng)輕骨料混凝土。

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土與同樣強(qiáng)度的普通混凝土相比，自重可以減輕20%以上，故適用于恒載占有較大比例的工程結(jié)構(gòu)，如大跨徑橋梁和大跨度空間結(jié)構(gòu)，尤其適合于在軟土地基、地震區(qū)或堿骨料反應(yīng)多發(fā)區(qū)建造大跨徑橋梁。

二． 在橋梁工程中的應(yīng)用概況

　　發(fā)達(dá)國(guó)家在高強(qiáng)輕骨料混凝土的應(yīng)用上已取得了豐富的成就和經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)已經(jīng)用輕骨料混凝土修建了幾百座橋梁。根據(jù)美國(guó)“輕骨料混凝土橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(August 1985)”的調(diào)查報(bào)告，其中的250座橋梁，約有55%在鋼上部結(jié)構(gòu)上有輕骨料混凝土的路面，其余橋梁整個(gè)上部結(jié)構(gòu)都用輕骨料混凝土。到現(xiàn)在為止用的最多的是長(zhǎng)跨桁架橋和鋼板梁上輕骨料混凝土路面。輕骨料混凝土橋面也用于鋼系桿拱、箱形大梁、懸索橋及型鋼橋。使用輕骨料混凝土作為主要上部結(jié)構(gòu)材料的混凝土橋包括板、工字大梁、弓形混凝土箱形梁等。美國(guó)修建的部分輕骨料橋梁參見表1^[1]。

　　挪威是世界上高強(qiáng)輕骨料混凝土應(yīng)用最先進(jìn)的國(guó)家之一，強(qiáng)度應(yīng)用范圍己高達(dá)55～74 MPa。自1987年以來(lái)，挪威已經(jīng)用高強(qiáng)輕骨料混凝土建造了11座橋梁。其中1998年建成的2座懸臂橋在當(dāng)時(shí)是世界上跨度最長(zhǎng)的2座懸臂橋，主跨分別為301ｍ和298ｍ。美國(guó)、挪威等國(guó)家修建的部分高強(qiáng)輕骨料橋梁參見表1。圖1和圖2分別是挪威的Stolma橋和美國(guó)的Coronado橋。

　　法國(guó)在一些大橋中使用了輕骨料混凝土，例如，Ottmarsheim橋在172m主跨中間100m使用輕骨料混凝土；Trichetin橋，在主跨中間部分使用輕混凝土。德國(guó)從1967年以來(lái)使用輕骨料混凝土，例如，Osnabrulck的85m箱梁懸臂橋，1979年建造的科隆跨越萊因河的主跨185m的弓形箱梁橋（其主跨中間62m使用輕混凝土）。歐洲其它國(guó)家也不同程度地在橋梁工程中使用高強(qiáng)輕骨料混凝土^[1]。

　　美國(guó)正在修建的由林同炎國(guó)際有限公司等設(shè)計(jì)的Benicia-Martinez橋，是一座高強(qiáng)輕骨料混凝土橋梁，為五車道懸臂梁結(jié)構(gòu)，橋長(zhǎng)2176m，最大跨度200m（典型跨度161m）。挪威正在修建的Sundøy橋也是一座高強(qiáng)輕骨料混凝土橋梁，總長(zhǎng)度538m，主跨298m，其中央224m現(xiàn)澆連續(xù)后張預(yù)應(yīng)力箱梁為泵送CL60，其余上部結(jié)構(gòu)為C65。

表1 國(guó)外高強(qiáng)輕骨料混凝土修建的部分橋梁^[3] [4] 

　　輕骨料混凝土在我國(guó)橋梁工程上的應(yīng)用也已經(jīng)有不少實(shí)例。我國(guó)早在1950年代就開始研究將高強(qiáng)輕骨料混凝土用于橋梁工程；基于該項(xiàng)研究成果，1960年在河南省平頂山市建成了我國(guó)第一座粘土陶?；炷凉饭皹颍ㄕ亢哟髽?，凈跨50m，CL20），1968年在南京長(zhǎng)江大橋公路橋上采用CL25粉煤灰陶?；炷令A(yù)制了全橋的行車道板。60年代末至70年代初之間，鐵道部大橋局、鐵道部科學(xué)研究院和上海建筑科學(xué)研究所等單位合作就高強(qiáng)輕骨料混凝土在鐵路和公路橋梁中的應(yīng)用進(jìn)行了比較全面的研究，利用當(dāng)時(shí)的高強(qiáng)粉煤灰陶粒和當(dāng)時(shí)的高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)，生產(chǎn)出CL50級(jí)的高強(qiáng)輕骨料混凝土，并從1966年開始，采用粉煤灰陶?；炷粱蛘惩撂樟；炷料群蠼ǔ闪?2座跨度在16.0～21.4m的中、小跨度公路橋，既有鋼筋輕骨料混凝土，也有少量的預(yù)應(yīng)力輕骨料混凝土^[5]。1969年浙江省寧波市采用粉煤灰陶粒混凝土建成了一座全長(zhǎng)304m的拱橋（反帝橋）和一座全長(zhǎng)242m的普通簡(jiǎn)支梁橋（解放橋）^[5]。1973年在山東黃河大橋公路橋的橋面板使用了CL30輕骨料混凝土。1980年初，鐵道部大橋局橋梁科學(xué)技術(shù)研究所在實(shí)驗(yàn)室采用高強(qiáng)粘土陶粒和625#水泥配制出CL60

　　干硬性高強(qiáng)輕骨料混凝土，將CL40粉煤灰陶粒高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于金山公路跨度為22米的箱形預(yù)應(yīng)力橋梁，使橋梁自重減輕20%以上^[6]。1988年九江長(zhǎng)江大橋公路橋橋面板采用了CL25~CL30級(jí)的輕骨料混凝土。2000年竣工的天津永定新河大橋是唐津(唐山-天津)高速公路跨越永定新河的一座大型橋梁，其總長(zhǎng)度約12km的南北引橋原設(shè)計(jì)為普通混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后由密度等級(jí)1900級(jí)的CL40高強(qiáng)輕骨料混凝土取代普通混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁跨度由原來(lái)的24ｍ增至35m，橋面也采用輕骨料混凝土。其抗壓強(qiáng)度為50~55MPa，干表觀密度為1850~1900kg/m3 ^[7]。1999年-2000年，在北京市盧溝新橋的重建和北四環(huán)健翔橋的拓寬工程中，也在不改變?cè)兄饕兄伢w系的條件下，在橋面鋪裝層上使用了600 m3 CL30級(jí)結(jié)構(gòu)頁(yè)巖輕骨料混凝土^[8]。2001年京珠高速公路蔡甸漢江大橋橋面板使用了1000 m3CL40等級(jí)的輕骨料混凝土^[9]。2002年上海盧浦大橋全橋?qū)⑹褂幂p骨料混凝土鋪裝層，并在引橋的一跨中將采用CL40輕骨料混凝土制造的22m跨度的后張預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支雙孔空心板梁。2002年，天津海河特大橋在天津永定新河大橋應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將在部分跨的上部結(jié)構(gòu)使用約1萬(wàn)m3 CL30的泵送輕骨料混凝土。

三． 高強(qiáng)輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn)

1. 自重輕

　　CL30以上的高強(qiáng)輕骨料混凝土的表觀密度為1600kg/m3～1950kg/m3，比相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土輕25%～30%。由于自重輕，對(duì)于大跨度的橋梁而言，恒載占有很大的比重，減輕自重可以有效地降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使橋梁跨度增大，減少橋墩數(shù)量；可以減少上部結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量；降低基礎(chǔ)處理的費(fèi)用。對(duì)于地震地區(qū)的橋梁工程而言，由于地震作用和上部結(jié)構(gòu)的自重成正比，當(dāng)采用高強(qiáng)輕骨料混凝土，可顯著降低地震作用。

2. 更高的耐久性

　　使用輕骨料能有效避免混凝土的堿骨料反應(yīng)問(wèn)題，使橋梁的使用壽命得以延長(zhǎng)。輕骨料混凝土還具有低滲透性，具有很好的耐磨性和抗凍融能力。

　　在美國(guó)“輕骨料混凝土橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(August 1985)”^[1]研究過(guò)程中，美國(guó)聯(lián)邦高速公路處根據(jù)30座橋梁的調(diào)查得出結(jié)論，輕骨料混凝土具有與普通混凝土相同或者更好的耐久性。

　　根據(jù)對(duì)使用了20年的日本某些橋梁的調(diào)查表明，結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土橋梁中裂縫減少，碳化、鹽的滲透也減少，輕骨料混凝土提供了比普通混凝土更高的耐久性。針對(duì)海邊環(huán)境的許多使用超過(guò)80年的結(jié)構(gòu)輕骨料古老結(jié)構(gòu)的調(diào)查表明，驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)室條件下得出的抗蝕性^[3]。

　　我國(guó)1976年和1980年兩次對(duì)1966年開始先后建成的多座跨度在16.0～21.4m的輕骨料混凝土公路橋?qū)嵉卣{(diào)查，發(fā)現(xiàn)200號(hào)輕骨料混凝土經(jīng)過(guò)12年后強(qiáng)度增長(zhǎng)到400號(hào)，15年后還有增長(zhǎng)趨勢(shì)；碳化深度平均1.2-1.4mm，比同齡期普通混凝土的略低；未發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象；橋面輕骨料混凝土耐磨性良好，陶粒雖然外露，但并未磨損或者凹損。

　　輕骨料混凝土還具有很好的抗裂性。同普通混凝土相比，由于輕骨料混凝土的熱膨脹系數(shù)和彈性模量較小，使得冷縮和干縮作用引起的拉應(yīng)力相對(duì)較小，從而使輕骨料混凝土構(gòu)件的抗裂性較好，這可以改善構(gòu)件的耐久性，延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命，并可以降低橋梁建成運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)費(fèi)用。

3. 很好的抗震性能

　　由于輕骨料混凝土的彈性模量低，梁體的自振周期將變長(zhǎng)，變形能力強(qiáng)，梁體破壞時(shí)可以消耗更多的變形能，因而抗震性能好。由于地震作用和上部結(jié)構(gòu)成正比，輕骨料混凝土比普通混凝土輕，地震產(chǎn)生的水平剪力低，有利于橋梁抗震。

4. 顯著的經(jīng)濟(jì)效益

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁應(yīng)用中具有較好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。盡管高強(qiáng)輕骨料混凝土單方造價(jià)比同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土高，但由于其減輕了結(jié)構(gòu)自重，可使下部結(jié)構(gòu)減小斷面，降低基礎(chǔ)造價(jià)。

　　挪威修建的Rugsund橋，采用高強(qiáng)輕骨料混凝土替代普通混凝土設(shè)計(jì)之后，與普通混凝土相比價(jià)降低10％。美國(guó)修建的很多橋梁也都具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　荷蘭對(duì)約15座輕骨料混凝土大跨度橋梁的計(jì)算表明，這些橋的總造價(jià)（包括基礎(chǔ)）降低了5~10%^[10]。

　　英國(guó)陸續(xù)建造了許多采用輕骨料混凝土的橋梁，并對(duì)經(jīng)濟(jì)性作了詳細(xì)的分析，采用輕骨料混凝土后，平均造價(jià)節(jié)約造價(jià)3％，某些情況下最高可以節(jié)約7％的造價(jià)^[11]。

　　表2是天津永定新河大橋總長(zhǎng)約1.2km的南北引橋采用高強(qiáng)輕骨料混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的工程量比較。高強(qiáng)輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為CL40，密度等級(jí)為1900，采用的是上海生產(chǎn)的高強(qiáng)陶粒。從表中可以看出，采用輕骨料混凝土取代普通混凝土后，下部結(jié)構(gòu)的混凝土方量和鋼筋數(shù)量大幅減少，上部結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋用量和錨具用量也大幅節(jié)省，建造成本大幅度降低^[7]。

表2 天津永定新河大橋的南北引橋優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的工程量比較^[7] 

四． 在橋梁工程中遇到的問(wèn)題 雖然高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁工程方面已經(jīng)取得一定的市場(chǎng)份額，但還僅僅是很小的一部分，而且在不同的國(guó)家，高強(qiáng)輕骨料混凝土的應(yīng)用情況相差很大。輕骨料混凝土在我國(guó)的橋梁工程中未能推廣應(yīng)用，是因?yàn)橐恍﹩?wèn)題還需要解決。

1. 彈性模量

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土的彈性模量比較低。根據(jù)Smeplass的研究，水灰比在0.32~0.43的CL60~ CL90的高強(qiáng)輕骨料混凝土的彈性模量比同強(qiáng)度普通混凝土的低20~30%^[12]。我國(guó)的《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》2001年修訂稿中，CL40的彈性模量是21.7~24.3GPa （1700-1900kg/m3），CL50的彈性模量是24.3~27.1GPa（1700-1900 kg/m3）；而C40和C50的彈性模量分別是32.5GPa和34.5GPa。

　　輕骨料混凝土的彈性模量與普通混凝土不同。普通混凝土彈性模量只與其強(qiáng)度的變化有關(guān)；輕骨料混凝土的彈性模量是混凝土強(qiáng)度與密度的函數(shù)。美國(guó)ACI 318-95提出的輕骨料混凝土的彈性模量公式如下式所示。

　　式中，是輕骨料混凝土的彈性模量，MPa；cEcρ是輕骨料混凝土的表觀密度，kg/m3; 是輕骨料混凝土（圓柱體試件）的抗壓強(qiáng)度，MPa。 cf′

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土具有比較低的彈性模量，一方面具有比較好的延性，收縮和徐變時(shí)能具有比較小的應(yīng)力；但另一方面能產(chǎn)生較大的變形，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

2．泵送

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土的工作性能是工程師擔(dān)心的另一個(gè)問(wèn)題，尤其是高強(qiáng)輕骨料混凝土的泵送。但泵送高強(qiáng)輕骨料混凝土已經(jīng)在橋梁工程以及其它工程方面有許多工程實(shí)例。世界上第二長(zhǎng)的懸臂橋——挪威的Raftsund橋以及世界上第三長(zhǎng)的懸臂橋——Rugsund采用CL60級(jí)的泵送高強(qiáng)輕骨料混凝土。武漢市蔡甸漢江大橋橋面鋪裝層采用的是CL40級(jí)的泵送高強(qiáng)輕骨料混凝土^[9]。采用泵送高強(qiáng)輕骨料混凝土的工程實(shí)例相對(duì)較少，高強(qiáng)輕骨料混凝土的泵送性能應(yīng)該進(jìn)一步改善。

　　工程實(shí)踐證實(shí)，輕骨料密度越小，粒徑越大，則泵送越困難。一般認(rèn)為輕骨料混凝土比普通混凝土泵送施工困難，對(duì)于輕骨料混凝土來(lái)說(shuō)，由于輕骨料的特性使輕骨料在拌和、運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)吸收混凝土拌和物中的水分，使混凝土拌和物流動(dòng)性能降低，在泵壓條件下，水分吸收還會(huì)增大，影響混凝土的泵送性能，易產(chǎn)生堵泵。輕骨料混凝土的泵送技術(shù)是輕骨料混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用的一個(gè)巨大障礙。目前國(guó)內(nèi)外主要的研究思路是改善高強(qiáng)輕骨料的特性或利用添加劑，改善混凝土的泵送特性。

3. 收縮和徐變

　　在橋梁結(jié)構(gòu)中一般都采用預(yù)應(yīng)力體系。高強(qiáng)輕骨料混凝土的收縮徐變值比普通混凝土高很多，而預(yù)應(yīng)力損失中收縮和徐變?cè)斐傻膿p失占總損失值的比重較大。由這兩方面原因造成的橋梁預(yù)應(yīng)力損失就更為顯著。高強(qiáng)輕骨料混凝土的收縮徐變是工程師最關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。

　　國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)收縮徐變終值或計(jì)算公式的意見不一致，美國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)（PCI）1992年版的設(shè)計(jì)手冊(cè)則建議輕骨料混凝土的收縮取值與普通混凝土相同^[13]。挪威標(biāo)準(zhǔn)NS3473和2001年發(fā)布的最新歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見稿）^[14]中對(duì)干表觀密度大于1800 kg/m3的輕骨料混凝土徐變系數(shù)的取值為普通混凝土數(shù)值乘以系數(shù)(ρ/2400)2；對(duì)干表觀密度小于1500 kg/m3的輕骨料混凝土徐變系數(shù)的取值為普通混凝土數(shù)值乘以系數(shù)1.3×(ρ/2400)2。

　　我國(guó)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》2001年修訂稿中關(guān)于收縮徐變及其影響因素的影響系數(shù)的取值仍然基于80年代所做的CL20~CL30混凝土試驗(yàn)結(jié)果。

　　根據(jù)CEB/FIB(1977)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)查，相同強(qiáng)度的輕骨料混凝土和普通混凝土的徐變具有相同的規(guī)律，最終輕骨料混凝土的徐變度是6.5~9.0×10-5/MPa。不同研究者得到的輕骨料混凝土的徐變度減小到5.5~7.5×10-5/MPa，這低于普通強(qiáng)度混凝土的典型值（6.5~9.0×10-5/MPa）^[15]。

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁工程得到了廣泛應(yīng)用，但也有少數(shù)橋梁因?yàn)槭湛s和徐變出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。美國(guó)1978年完工的、當(dāng)時(shí)美國(guó)采用輕骨料混凝土建造的凈跨最長(zhǎng)的分塊拼裝法混凝土箱形梁橋Parrotts渡橋。該橋在使用12年后，195m的主跨中間下垂了約635mm^[16]。林同炎國(guó)際公司受托診斷的結(jié)果表明，實(shí)測(cè)的徐變比按照PCI^[13]或者ACI 209^[17]公式的計(jì)算值大30%。其原因主要有三方面：一是在設(shè)計(jì)和施工中采用了密封條件下測(cè)得的混凝土收縮和徐變值，而在使用中橋的箱形梁暴露在在天然條件下，這兩者具有不同的收縮和徐變值；二是PCI和ACI 209的計(jì)算模型誤差偏大；三是開裂加重了徐變。

　　此外，還有許多問(wèn)題需要解決。例如高強(qiáng)輕骨料混凝土本身的基本性質(zhì)（如破壞機(jī)理、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度）等許多問(wèn)題還需要進(jìn)一步地深入研究。

五． 應(yīng)用方向和前景

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁建設(shè)中有很好的發(fā)展前景，尤其在多震地區(qū)和軟土地基上，高強(qiáng)輕骨料混凝土具有很高的性能優(yōu)勢(shì)。

　　在橋梁加固拓寬中，由于高強(qiáng)輕骨料質(zhì)輕高強(qiáng)和其它優(yōu)越的性能，可以在不改變下部基礎(chǔ)的條件下加固、增加車道，具有很廣的市場(chǎng)前景。

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土還可以通過(guò)新型高強(qiáng)輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)改善自身的性能，如高強(qiáng)輕骨料混凝土—鋼組合結(jié)構(gòu)等，這必將使高強(qiáng)輕骨料混凝土得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　雖然高強(qiáng)輕骨料混凝土有自身的缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)更為顯著，在橋梁工程中應(yīng)用具有很大的綜合經(jīng)濟(jì)效益，市場(chǎng)前景非常好，高強(qiáng)輕骨料混凝土將在橋梁建設(shè)中占有越來(lái)越重要的地位。

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[17] American Concrete Institute, ACI 209R-82: Prediction of Creep, Shrinkkage, and Tempertature Effects in Concrete Structures, 1987.