高強輕骨料混凝土在橋梁工程中的應用及發(fā)展

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

關鍵詞：高強輕骨料混凝土；橋梁工程；彈性模量；泵送；收縮；徐變

一． 高強輕骨料混凝土的概念

　　用輕粗骨料、輕砂(或普通砂)、水泥和水、必要時加入化學外加劑配制而成的、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不易控制，所以在結構用輕骨料混凝土中常用人造輕骨料。

　　一般強度等級為CL40以上的結構用輕骨料混凝土，就認為是高強輕骨料混凝土。

　　高強輕骨料混凝土與同樣強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構，如大跨徑橋梁和大跨度空間結構，尤其適合于在軟土地基、地震區(qū)或堿骨料反應多發(fā)區(qū)建造大跨徑橋梁。

二． 在橋梁工程中的應用概況

　　發(fā)達國家在高強輕骨料混凝土的應用上已取得了豐富的成就和經(jīng)驗。美國已經(jīng)用輕骨料混凝土修建了幾百座橋梁。根據(jù)美國“輕骨料混凝土橋梁設計標準(August 1985)”的調查報告，其中的250座橋梁，約有55%在鋼上部結構上有輕骨料混凝土的路面，其余橋梁整個上部結構都用輕骨料混凝土。到現(xiàn)在為止用的最多的是長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構材料的混凝土橋包括板、工字大梁、弓形混凝土箱形梁等。美國修建的部分輕骨料橋梁參見表1^[1]。

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

　　法國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。德國從1967年以來使用輕骨料混凝土，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）。歐洲其它國家也不同程度地在橋梁工程中使用高強輕骨料混凝土^[1]。

　　美國正在修建的由林同炎國際有限公司等設計的Benicia-Martinez橋，是一座高強輕骨料混凝土橋梁，為五車道懸臂梁結構，橋長2176m，最大跨度200m（典型跨度161m）。挪威正在修建的Sundøy橋也是一座高強輕骨料混凝土橋梁，總長度538m，主跨298m，其中央224m現(xiàn)澆連續(xù)后張預應力箱梁為泵送CL60，其余上部結構為C65。

表1 國外高強輕骨料混凝土修建的部分橋梁^[3] [4] 

　　輕骨料混凝土在我國橋梁工程上的應用也已經(jīng)有不少實例。我國早在1950年代就開始研究將高強輕骨料混凝土用于橋梁工程；基于該項研究成果，1960年在河南省平頂山市建成了我國第一座粘土陶?；炷凉饭皹颍ㄕ亢哟髽颍瑑艨?0m，CL20），1968年在南京長江大橋公路橋上采用CL25粉煤灰陶粒混凝土預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、鐵道部科學研究院和上海建筑科學研究所等單位合作就高強輕骨料混凝土在鐵路和公路橋梁中的應用進行了比較全面的研究，利用當時的高強粉煤灰陶粒和當時的高強混凝土配制技術，生產(chǎn)出CL50級的高強輕骨料混凝土，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，也有少量的預應力輕骨料混凝土^[5]。1969年浙江省寧波市采用粉煤灰陶?；炷两ǔ闪艘蛔L304m的拱橋（反帝橋）和一座全長242m的普通簡支梁橋（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技術研究所在實驗室采用高強粘土陶粒和625#水泥配制出CL60

　　干硬性高強輕骨料混凝土，將CL40粉煤灰陶粒高強混凝土應用于金山公路跨度為22米的箱形預應力橋梁，使橋梁自重減輕20%以上^[6]。1988年九江長江大橋公路橋橋面板采用了CL25~CL30級的輕骨料混凝土。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，其總長度約12km的南北引橋原設計為普通混凝土預應力箱梁結構，經(jīng)優(yōu)化設計后由密度等級1900級的CL40高強輕骨料混凝土取代普通混凝土，預應力鋼筋混凝土箱梁跨度由原來的24ｍ增至35m，橋面也采用輕骨料混凝土。其抗壓強度為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，也在不改變原有主要承重體系的條件下，在橋面鋪裝層上使用了600 m3 CL30級結構頁巖輕骨料混凝土^[8]。2001年京珠高速公路蔡甸漢江大橋橋面板使用了1000 m3CL40等級的輕骨料混凝土^[9]。2002年上海盧浦大橋全橋將使用輕骨料混凝土鋪裝層，并在引橋的一跨中將采用CL40輕骨料混凝土制造的22m跨度的后張預應力簡支雙孔空心板梁。2002年，天津海河特大橋在天津永定新河大橋應用經(jīng)驗的基礎上，將在部分跨的上部結構使用約1萬m3 CL30的泵送輕骨料混凝土。

三． 高強輕骨料混凝土的優(yōu)點

1. 自重輕

　　CL30以上的高強輕骨料混凝土的表觀密度為1600kg/m3～1950kg/m3，比相同強度等級的普通混凝土輕25%～30%。由于自重輕，對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構內力，使橋梁跨度增大，減少橋墩數(shù)量；可以減少上部結構的預應力鋼筋數(shù)量；降低基礎處理的費用。對于地震地區(qū)的橋梁工程而言，由于地震作用和上部結構的自重成正比，當采用高強輕骨料混凝土，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問題，使橋梁的使用壽命得以延長。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“輕骨料混凝土橋梁設計標準(August 1985)”^[1]研究過程中，美國聯(lián)邦高速公路處根據(jù)30座橋梁的調查得出結論，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)對使用了20年的日本某些橋梁的調查表明，結構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。針對海邊環(huán)境的許多使用超過80年的結構輕骨料古老結構的調查表明，驗證了在實驗室條件下得出的抗蝕性^[3]。

　　我國1976年和1980年兩次對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實地調查，發(fā)現(xiàn)200號輕骨料混凝土經(jīng)過12年后強度增長到400號，15年后還有增長趨勢；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力相對較小，從而使輕骨料混凝土構件的抗裂性較好，這可以改善構件的耐久性，延長構件的使用壽命，并可以降低橋梁建成運營后的維護費用。

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，變形能力強，梁體破壞時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構成正比，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)濟效益

　　高強輕骨料混凝土在橋梁應用中具有較好的綜合技術經(jīng)濟效益。盡管高強輕骨料混凝土單方造價比同強度等級的普通混凝土高，但由于其減輕了結構自重，可使下部結構減小斷面，降低基礎造價。

　　挪威修建的Rugsund橋，采用高強輕骨料混凝土替代普通混凝土設計之后，與普通混凝土相比價降低10％。美國修建的很多橋梁也都具有顯著的經(jīng)濟效益。

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

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

　　表2是天津永定新河大橋總長約1.2km的南北引橋采用高強輕骨料混凝土優(yōu)化設計前后的工程量比較。高強輕骨料混凝土的強度等級為CL40，密度等級為1900，采用的是上海生產(chǎn)的高強陶粒。從表中可以看出，采用輕骨料混凝土取代普通混凝土后，下部結構的混凝土方量和鋼筋數(shù)量大幅減少，上部結構的預應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)化設計前后的工程量比較^[7] 

四． 在橋梁工程中遇到的問題 雖然高強輕骨料混凝土在橋梁工程方面已經(jīng)取得一定的市場份額，但還僅僅是很小的一部分，而且在不同的國家，高強輕骨料混凝土的應用情況相差很大。輕骨料混凝土在我國的橋梁工程中未能推廣應用，是因為一些問題還需要解決。

1. 彈性模量

　　高強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的高強輕骨料混凝土的彈性模量比同強度普通混凝土的低20~30%^[12]。我國的《輕骨料混凝土技術規(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度的變化有關；輕骨料混凝土的彈性模量是混凝土強度與密度的函數(shù)。美國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）的抗壓強度，MPa。 cf′

　　高強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，收縮和徐變時能具有比較小的應力；但另一方面能產(chǎn)生較大的變形，對結構產(chǎn)生不利的影響。

2．泵送

　　高強輕骨料混凝土的工作性能是工程師擔心的另一個問題，尤其是高強輕骨料混凝土的泵送。但泵送高強輕骨料混凝土已經(jīng)在橋梁工程以及其它工程方面有許多工程實例。世界上第二長的懸臂橋——挪威的Raftsund橋以及世界上第三長的懸臂橋——Rugsund采用CL60級的泵送高強輕骨料混凝土。武漢市蔡甸漢江大橋橋面鋪裝層采用的是CL40級的泵送高強輕骨料混凝土^[9]。采用泵送高強輕骨料混凝土的工程實例相對較少，高強輕骨料混凝土的泵送性能應該進一步改善。

　　工程實踐證實，輕骨料密度越小，粒徑越大，則泵送越困難。一般認為輕骨料混凝土比普通混凝土泵送施工困難，對于輕骨料混凝土來說，由于輕骨料的特性使輕骨料在拌和、運輸過程中會吸收混凝土拌和物中的水分，使混凝土拌和物流動性能降低，在泵壓條件下，水分吸收還會增大，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是輕骨料混凝土的進一步推廣應用的一個巨大障礙。目前國內外主要的研究思路是改善高強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

　　在橋梁結構中一般都采用預應力體系。高強輕骨料混凝土的收縮徐變值比普通混凝土高很多，而預應力損失中收縮和徐變造成的損失占總損失值的比重較大。由這兩方面原因造成的橋梁預應力損失就更為顯著。高強輕骨料混凝土的收縮徐變是工程師最關心的一個問題。

　　國內外規(guī)范對收縮徐變終值或計算公式的意見不一致，美國預應力混凝土學會（PCI）1992年版的設計手冊則建議輕骨料混凝土的收縮取值與普通混凝土相同^[13]。挪威標準NS3473和2001年發(fā)布的最新歐洲混凝土結構設計規(guī)范（征求意見稿）^[14]中對干表觀密度大于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《輕骨料混凝土技術規(guī)程》2001年修訂稿中關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混凝土試驗結果。

　　根據(jù)CEB/FIB(1977)文獻數(shù)據(jù)的調查，相同強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，這低于普通強度混凝土的典型值（6.5~9.0×10-5/MPa）^[15]。

　　高強輕骨料混凝土在橋梁工程得到了廣泛應用，但也有少數(shù)橋梁因為收縮和徐變出現(xiàn)過問題。美國1978年完工的、當時美國采用輕骨料混凝土建造的凈跨最長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]。林同炎國際公司受托診斷的結果表明，實測的徐變比按照PCI^[13]或者ACI 209^[17]公式的計算值大30%。其原因主要有三方面：一是在設計和施工中采用了密封條件下測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的計算模型誤差偏大；三是開裂加重了徐變。

　　此外，還有許多問題需要解決。例如高強輕骨料混凝土本身的基本性質（如破壞機理、抗彎強度、抗拉強度、抗剪強度）等許多問題還需要進一步地深入研究。

五． 應用方向和前景

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

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

　　高強輕骨料混凝土還可以通過新型高強輕骨料混凝土結構改善自身的性能，如高強輕骨料混凝土—鋼組合結構等，這必將使高強輕骨料混凝土得到更加廣泛的應用。

　　雖然高強輕骨料混凝土有自身的缺點，但其優(yōu)點更為顯著，在橋梁工程中應用具有很大的綜合經(jīng)濟效益，市場前景非常好，高強輕骨料混凝土將在橋梁建設中占有越來越重要的地位。

參考文獻

[1] FHWA（Federal Highway Administration），(1985)，Criteria for designing lightweight concrete bridges，Report No. FHWA/RD-85/045, McLean, VA.

[2] Concrete Society Working Party ,A Review of the International Use of Lightweight Concrete in Highway Bridges, Technical Report No.20, August 1981

[3] ESCSI（Expanded Shale, Clay and Slate Institute），（2001），Building Bridges and Marine Structures With Structural Lightweight Aggregate Concrete，Publication No. 4700

[4] Melby, Karl, (2000), Use of High Strength LWAC in Norwegian Bridges, Proceedings Second International Symposium On Structural Lightweight Aggregate Concrete, Edited by Steiner Helland, Ivar Holand and Sverre Smeplass, 18-21 June 2000, Kristiansand, Norway, pp.47-56

[5] 龔洛書等，輕骨料混凝土的研究和應用文集，中國建筑工業(yè)出版社，1981

[6] 翟紅俠、李美娟，高強輕集料混凝土的發(fā)展與分析，安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版)，第5卷第3期

[7] 曹誠、楊玉強，高強輕骨料混凝土在橋梁工程中應用的效益和性能特點分析，混凝土，2000年第9期(總第131期)

[8] 肖漢光、盧俊輝、高斌，宜昌高強陶粒的應用研究，2000年第六屆全國輕骨料及輕骨料混凝土學術討論會論文集

[9] 丁慶軍、張勇等，高強輕集料混凝土橋面施工泵送技術，《混凝土》2002年第1期(總第147期)

[10] EuroLightCon BE96-3942/R1, Definitions and International Consensus Report, April 1998

[11] Daly, Albert F. (2000), Use of Lightweight Aggregate Concrete in Bridges, Proceedings Second International Symposium On Structural Lightweight Aggregate Concrete, Edited by Steiner Helland, Ivar Holand and Sverre Smeplass, 18-21 June 2000, Kristiansand, Norway, pp.345-354.

[12] Smeplass，S. (1992)，Mechanical Properties - Lightweight Concrete. Report 4.5，High

Strength Concrete. SP4 - Materials Design，SINTEF.

[13] Prestressed Concrete Institute, Prestressed Concrete Institute Design Handbook, 4th ed., Chicago, IL., 1992.

[14] prEN 1992-1 (2nd draft), Eurocode 2: Design of concrete structures- -Part 1: General rules and rules for buildings, January 2001.

[15] CEB-FIP Manual (1977). Lightweight Aggregate Concrete. CEB-FIP Manual of Design and Technology, The Construction Press, London, 1977, p 169.

[16] Rafael Manzanarez and Miroslav Olmer, Parrotts Ferry Bridge Retrofit, T.Y. Lin International, January, 1994.

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