高强轻骨料混凝土在桥梁工程中的应用及发展

摘 要：本文介绍了高强轻骨料混凝土在桥梁工程中的应用概况，分析了高强轻骨料混凝土的优点，讨论了这种材料应用于桥梁工程中应解决的关键问题，展望了高强轻骨料混凝土桥梁工程的发展前景。

关键词：高强轻骨料混凝土；桥梁工程；弹性模量；泵送；收缩；徐变

一． 高强轻骨料混凝土的概念

　　用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水、必要时加入化学外加剂配制而成的、干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土，称为轻骨料混凝土。轻骨料可以使用天然轻骨料（如浮石、凝灰岩等）、工业废料轻骨料（如炉渣、自燃煤矸石等）、人造轻骨料（页岩陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒、膨胀珍珠岩等）等，但由于天然轻骨料、工业废料轻骨料的性能指标不易控制，所以在结构用轻骨料混凝土中常用人造轻骨料。

　　一般强度等级为CL40以上的结构用轻骨料混凝土，就认为是高强轻骨料混凝土。

　　高强轻骨料混凝土与同样强度的普通混凝土相比，自重可以减轻20%以上，故适用于恒载占有较大比例的工程结构，如大跨径桥梁和大跨度空间结构，尤其适合于在软土地基、地震区或碱骨料反应多发区建造大跨径桥梁。

二． 在桥梁工程中的应用概况

　　发达国家在高强轻骨料混凝土的应用上已取得了丰富的成就和经验。美国已经用轻骨料混凝土修建了几百座桥梁。根据美国“轻骨料混凝土桥梁设计标准(August 1985)”的调查报告，其中的250座桥梁，约有55%在钢上部结构上有轻骨料混凝土的路面，其余桥梁整个上部结构都用轻骨料混凝土。到现在为止用的最多的是长跨桁架桥和钢板梁上轻骨料混凝土路面。轻骨料混凝土桥面也用于钢系杆拱、箱形大梁、悬索桥及型钢桥。使用轻骨料混凝土作为主要上部结构材料的混凝土桥包括板、工字大梁、弓形混凝土箱形梁等。美国修建的部分轻骨料桥梁参见表1^[1]。

　　挪威是世界上高强轻骨料混凝土应用最先进的国家之一，强度应用范围己高达55～74 MPa。自1987年以来，挪威已经用高强轻骨料混凝土建造了11座桥梁。其中1998年建成的2座悬臂桥在当时是世界上跨度最长的2座悬臂桥，主跨分别为301ｍ和298ｍ。美国、挪威等国家修建的部分高强轻骨料桥梁参见表1。图1和图2分别是挪威的Stolma桥和美国的Coronado桥。

　　法国在一些大桥中使用了轻骨料混凝土，例如，Ottmarsheim桥在172m主跨中间100m使用轻骨料混凝土；Trichetin桥，在主跨中间部分使用轻混凝土。德国从1967年以来使用轻骨料混凝土，例如，Osnabrulck的85m箱梁悬臂桥，1979年建造的科隆跨越莱因河的主跨185m的弓形箱梁桥（其主跨中间62m使用轻混凝土）。欧洲其它国家也不同程度地在桥梁工程中使用高强轻骨料混凝土^[1]。

　　美国正在修建的由林同炎国际有限公司等设计的Benicia-Martinez桥，是一座高强轻骨料混凝土桥梁，为五车道悬臂梁结构，桥长2176m，最大跨度200m（典型跨度161m）。挪威正在修建的Sundøy桥也是一座高强轻骨料混凝土桥梁，总长度538m，主跨298m，其中央224m现浇连续后张预应力箱梁为泵送CL60，其余上部结构为C65。

表1 国外高强轻骨料混凝土修建的部分桥梁^[3] [4] 

　　轻骨料混凝土在我国桥梁工程上的应用也已经有不少实例。我国早在1950年代就开始研究将高强轻骨料混凝土用于桥梁工程；基于该项研究成果，1960年在河南省平顶山市建成了我国第一座粘土陶粒混凝土公路拱桥（湛河大桥，净跨50m，CL20），1968年在南京长江大桥公路桥上采用CL25粉煤灰陶粒混凝土预制了全桥的行车道板。60年代末至70年代初之间，铁道部大桥局、铁道部科学研究院和上海建筑科学研究所等单位合作就高强轻骨料混凝土在铁路和公路桥梁中的应用进行了比较全面的研究，利用当时的高强粉煤灰陶粒和当时的高强混凝土配制技术，生产出CL50级的高强轻骨料混凝土，并从1966年开始，采用粉煤灰陶粒混凝土或粘土陶粒混凝土先后建成了32座跨度在16.0～21.4m的中、小跨度公路桥，既有钢筋轻骨料混凝土，也有少量的预应力轻骨料混凝土^[5]。1969年浙江省宁波市采用粉煤灰陶粒混凝土建成了一座全长304m的拱桥（反帝桥）和一座全长242m的普通简支梁桥（解放桥）^[5]。1973年在山东黄河大桥公路桥的桥面板使用了CL30轻骨料混凝土。1980年初，铁道部大桥局桥梁科学技术研究所在实验室采用高强粘土陶粒和625#水泥配制出CL60

　　干硬性高强轻骨料混凝土，将CL40粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为22米的箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻20%以上^[6]。1988年九江长江大桥公路桥桥面板采用了CL25~CL30级的轻骨料混凝土。2000年竣工的天津永定新河大桥是唐津(唐山-天津)高速公路跨越永定新河的一座大型桥梁，其总长度约12km的南北引桥原设计为普通混凝土预应力箱梁结构，经优化设计后由密度等级1900级的CL40高强轻骨料混凝土取代普通混凝土，预应力钢筋混凝土箱梁跨度由原来的24ｍ增至35m，桥面也采用轻骨料混凝土。其抗压强度为50~55MPa，干表观密度为1850~1900kg/m3 ^[7]。1999年-2000年，在北京市卢沟新桥的重建和北四环健翔桥的拓宽工程中，也在不改变原有主要承重体系的条件下，在桥面铺装层上使用了600 m3 CL30级结构页岩轻骨料混凝土^[8]。2001年京珠高速公路蔡甸汉江大桥桥面板使用了1000 m3CL40等级的轻骨料混凝土^[9]。2002年上海卢浦大桥全桥将使用轻骨料混凝土铺装层，并在引桥的一跨中将采用CL40轻骨料混凝土制造的22m跨度的后张预应力简支双孔空心板梁。2002年，天津海河特大桥在天津永定新河大桥应用经验的基础上，将在部分跨的上部结构使用约1万m3 CL30的泵送轻骨料混凝土。

三． 高强轻骨料混凝土的优点

1. 自重轻

　　CL30以上的高强轻骨料混凝土的表观密度为1600kg/m3～1950kg/m3，比相同强度等级的普通混凝土轻25%～30%。由于自重轻，对于大跨度的桥梁而言，恒载占有很大的比重，减轻自重可以有效地降低结构内力，使桥梁跨度增大，减少桥墩数量；可以减少上部结构的预应力钢筋数量；降低基础处理的费用。对于地震地区的桥梁工程而言，由于地震作用和上部结构的自重成正比，当采用高强轻骨料混凝土，可显著降低地震作用。

2. 更高的耐久性

　　使用轻骨料能有效避免混凝土的碱骨料反应问题，使桥梁的使用寿命得以延长。轻骨料混凝土还具有低渗透性，具有很好的耐磨性和抗冻融能力。

　　在美国“轻骨料混凝土桥梁设计标准(August 1985)”^[1]研究过程中，美国联邦高速公路处根据30座桥梁的调查得出结论，轻骨料混凝土具有与普通混凝土相同或者更好的耐久性。

　　根据对使用了20年的日本某些桥梁的调查表明，结构轻骨料混凝土桥梁中裂缝减少，碳化、盐的渗透也减少，轻骨料混凝土提供了比普通混凝土更高的耐久性。针对海边环境的许多使用超过80年的结构轻骨料古老结构的调查表明，验证了在实验室条件下得出的抗蚀性^[3]。

　　我国1976年和1980年两次对1966年开始先后建成的多座跨度在16.0～21.4m的轻骨料混凝土公路桥实地调查，发现200号轻骨料混凝土经过12年后强度增长到400号，15年后还有增长趋势；碳化深度平均1.2-1.4mm，比同龄期普通混凝土的略低；未发现钢筋锈蚀现象；桥面轻骨料混凝土耐磨性良好，陶粒虽然外露，但并未磨损或者凹损。

　　轻骨料混凝土还具有很好的抗裂性。同普通混凝土相比，由于轻骨料混凝土的热膨胀系数和弹性模量较小，使得冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小，从而使轻骨料混凝土构件的抗裂性较好，这可以改善构件的耐久性，延长构件的使用寿命，并可以降低桥梁建成运营后的维护费用。

3. 很好的抗震性能

　　由于轻骨料混凝土的弹性模量低，梁体的自振周期将变长，变形能力强，梁体破坏时可以消耗更多的变形能，因而抗震性能好。由于地震作用和上部结构成正比，轻骨料混凝土比普通混凝土轻，地震产生的水平剪力低，有利于桥梁抗震。

4. 显著的经济效益

　　高强轻骨料混凝土在桥梁应用中具有较好的综合技术经济效益。尽管高强轻骨料混凝土单方造价比同强度等级的普通混凝土高，但由于其减轻了结构自重，可使下部结构减小断面，降低基础造价。

　　挪威修建的Rugsund桥，采用高强轻骨料混凝土替代普通混凝土设计之后，与普通混凝土相比价降低10％。美国修建的很多桥梁也都具有显著的经济效益。

　　荷兰对约15座轻骨料混凝土大跨度桥梁的计算表明，这些桥的总造价（包括基础）降低了5~10%^[10]。

　　英国陆续建造了许多采用轻骨料混凝土的桥梁，并对经济性作了详细的分析，采用轻骨料混凝土后，平均造价节约造价3％，某些情况下最高可以节约7％的造价^[11]。

　　表2是天津永定新河大桥总长约1.2km的南北引桥采用高强轻骨料混凝土优化设计前后的工程量比较。高强轻骨料混凝土的强度等级为CL40，密度等级为1900，采用的是上海生产的高强陶粒。从表中可以看出，采用轻骨料混凝土取代普通混凝土后，下部结构的混凝土方量和钢筋数量大幅减少，上部结构的预应力钢筋用量和锚具用量也大幅节省，建造成本大幅度降低^[7]。

表2 天津永定新河大桥的南北引桥优化设计前后的工程量比较^[7] 

四． 在桥梁工程中遇到的问题 虽然高强轻骨料混凝土在桥梁工程方面已经取得一定的市场份额，但还仅仅是很小的一部分，而且在不同的国家，高强轻骨料混凝土的应用情况相差很大。轻骨料混凝土在我国的桥梁工程中未能推广应用，是因为一些问题还需要解决。

1. 弹性模量

　　高强轻骨料混凝土的弹性模量比较低。根据Smeplass的研究，水灰比在0.32~0.43的CL60~ CL90的高强轻骨料混凝土的弹性模量比同强度普通混凝土的低20~30%^[12]。我国的《轻骨料混凝土技术规程》2001年修订稿中，CL40的弹性模量是21.7~24.3GPa （1700-1900kg/m3），CL50的弹性模量是24.3~27.1GPa（1700-1900 kg/m3）；而C40和C50的弹性模量分别是32.5GPa和34.5GPa。

　　轻骨料混凝土的弹性模量与普通混凝土不同。普通混凝土弹性模量只与其强度的变化有关；轻骨料混凝土的弹性模量是混凝土强度与密度的函数。美国ACI 318-95提出的轻骨料混凝土的弹性模量公式如下式所示。

　　式中，是轻骨料混凝土的弹性模量，MPa；cEcρ是轻骨料混凝土的表观密度，kg/m3; 是轻骨料混凝土（圆柱体试件）的抗压强度，MPa。 cf′

　　高强轻骨料混凝土具有比较低的弹性模量，一方面具有比较好的延性，收缩和徐变时能具有比较小的应力；但另一方面能产生较大的变形，对结构产生不利的影响。

2．泵送

　　高强轻骨料混凝土的工作性能是工程师担心的另一个问题，尤其是高强轻骨料混凝土的泵送。但泵送高强轻骨料混凝土已经在桥梁工程以及其它工程方面有许多工程实例。世界上第二长的悬臂桥——挪威的Raftsund桥以及世界上第三长的悬臂桥——Rugsund采用CL60级的泵送高强轻骨料混凝土。武汉市蔡甸汉江大桥桥面铺装层采用的是CL40级的泵送高强轻骨料混凝土^[9]。采用泵送高强轻骨料混凝土的工程实例相对较少，高强轻骨料混凝土的泵送性能应该进一步改善。

　　工程实践证实，轻骨料密度越小，粒径越大，则泵送越困难。一般认为轻骨料混凝土比普通混凝土泵送施工困难，对于轻骨料混凝土来说，由于轻骨料的特性使轻骨料在拌和、运输过程中会吸收混凝土拌和物中的水分，使混凝土拌和物流动性能降低，在泵压条件下，水分吸收还会增大，影响混凝土的泵送性能，易产生堵泵。轻骨料混凝土的泵送技术是轻骨料混凝土的进一步推广应用的一个巨大障碍。目前国内外主要的研究思路是改善高强轻骨料的特性或利用添加剂，改善混凝土的泵送特性。

3. 收缩和徐变

　　在桥梁结构中一般都采用预应力体系。高强轻骨料混凝土的收缩徐变值比普通混凝土高很多，而预应力损失中收缩和徐变造成的损失占总损失值的比重较大。由这两方面原因造成的桥梁预应力损失就更为显著。高强轻骨料混凝土的收缩徐变是工程师最关心的一个问题。

　　国内外规范对收缩徐变终值或计算公式的意见不一致，美国预应力混凝土学会（PCI）1992年版的设计手册则建议轻骨料混凝土的收缩取值与普通混凝土相同^[13]。挪威标准NS3473和2001年发布的最新欧洲混凝土结构设计规范（征求意见稿）^[14]中对干表观密度大于1800 kg/m3的轻骨料混凝土徐变系数的取值为普通混凝土数值乘以系数(ρ/2400)2；对干表观密度小于1500 kg/m3的轻骨料混凝土徐变系数的取值为普通混凝土数值乘以系数1.3×(ρ/2400)2。

　　我国《轻骨料混凝土技术规程》2001年修订稿中关于收缩徐变及其影响因素的影响系数的取值仍然基于80年代所做的CL20~CL30混凝土试验结果。

　　根据CEB/FIB(1977)文献数据的调查，相同强度的轻骨料混凝土和普通混凝土的徐变具有相同的规律，最终轻骨料混凝土的徐变度是6.5~9.0×10-5/MPa。不同研究者得到的轻骨料混凝土的徐变度减小到5.5~7.5×10-5/MPa，这低于普通强度混凝土的典型值（6.5~9.0×10-5/MPa）^[15]。

　　高强轻骨料混凝土在桥梁工程得到了广泛应用，但也有少数桥梁因为收缩和徐变出现过问题。美国1978年完工的、当时美国采用轻骨料混凝土建造的净跨最长的分块拼装法混凝土箱形梁桥Parrotts渡桥。该桥在使用12年后，195m的主跨中间下垂了约635mm^[16]。林同炎国际公司受托诊断的结果表明，实测的徐变比按照PCI^[13]或者ACI 209^[17]公式的计算值大30%。其原因主要有三方面：一是在设计和施工中采用了密封条件下测得的混凝土收缩和徐变值，而在使用中桥的箱形梁暴露在在天然条件下，这两者具有不同的收缩和徐变值；二是PCI和ACI 209的计算模型误差偏大；三是开裂加重了徐变。

　　此外，还有许多问题需要解决。例如高强轻骨料混凝土本身的基本性质（如破坏机理、抗弯强度、抗拉强度、抗剪强度）等许多问题还需要进一步地深入研究。

五． 应用方向和前景

　　高强轻骨料混凝土在桥梁建设中有很好的发展前景，尤其在多震地区和软土地基上，高强轻骨料混凝土具有很高的性能优势。

　　在桥梁加固拓宽中，由于高强轻骨料质轻高强和其它优越的性能，可以在不改变下部基础的条件下加固、增加车道，具有很广的市场前景。

　　高强轻骨料混凝土还可以通过新型高强轻骨料混凝土结构改善自身的性能，如高强轻骨料混凝土—钢组合结构等，这必将使高强轻骨料混凝土得到更加广泛的应用。

　　虽然高强轻骨料混凝土有自身的缺点，但其优点更为显著，在桥梁工程中应用具有很大的综合经济效益，市场前景非常好，高强轻骨料混凝土将在桥梁建设中占有越来越重要的地位。

参考文献

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