轻质超高性能混凝土开发及其在预制拼装桥梁工程中应用
轻质超高性能混凝土开发及其在预制拼装桥梁工程中应用
2023年度中国混凝土与水泥制品协会混凝土科学技术奖工作于2023年3月启动，至2023年12月圆满完成。报名期间共收到有效申报项目45项。经过专家评审委员会的初评及终评，共计30个项目获奖，包括一等奖3项、二等奖16项、三等奖11项，其中“基础理论类”2项、“科技进步类”10项、“标准创新类”3项、“技术革新类”15项。
项目概况
本项目通过采用自主研发生产的高强轻集料替代石英砂，采用工业废渣（钢渣粉、矿渣粉、煤灰粉）替代石英粉，设计并完成轻质、低收缩、免蒸养轻质超高性能混凝土（以下简称：LUHPC）的制备，并研究了LUHPC混凝土本身各项力学性能及耐久性性，提出了LUHPC混凝土本构关系模型，提出了钢筋LUHPC柱的承载能力计算公式，以及钢筋LUHPC梁的抗弯极限承载能力计算公式，提出了钢筋与LUHPC临界锚固长度计算公式，基于上述公式进行了预应力LUHPC简支小箱梁桥优化设计方法。最后形成了基于材料的设计制备的LUHPC预制箱梁的设计及施工质量控制成套技术。
主要创新点
- 一种“轻质化-超高强度-高韧性-高模量-低收缩”混凝土协同设计方法
成果基于LUHPC复合及协同设计原理，形成了轻质特种UHPC材料组成设计方法，研究了不同加料顺序、拌和时间对轻质超高性能混凝土工作性能的影响规律，提出了UHPC低密度与超高强度、高弹模及超高强度与低收缩的协同设计方法，设计和制备出了具有轻质、低收缩和高韧性的UHPC。
- 建立了LUHPC应力应变本构关系
成果通过LUHPC基本力学性能的分析，探明了LHPC在多种结构下的受力特性，建立了LUHPC应力应变本构关系，提出了钢筋LUHPC柱的承载能力、钢筋LUHPC梁的抗弯极限承载能力、钢筋与LUHPC临界锚固长度计算公式，为LUHPC材料在不同结构下受力模型的提供了理论基础。
- 轻质超高性能混凝土预制桥梁结构优化设计技术与生产施工质量控制成套技术
成果进行了预应力LUHPC简支小箱梁桥设计方法优化，提出了轻质超高性能混凝土预制桥梁结构优化设计技术，完成了轻质超高性能混凝土足尺实体结构验证，开发了轻质特种超高性能混凝土生产与施工质量控制成套技术，应用于各种桥梁路面铺装工程，取得了良好效果。
工程应用
- 中华科技园大桥试验梁应用
中华科技园大桥属于武汉段WHTJ-3标，起点桩号K11+112,终点桩号K14+701，全长3589m，线路沿东南向跨越梁子湖、梧桐湖中间地带方布设。桥梁采用预应力预制小箱梁结构，吊装和架设采用龙门吊、架桥机，梁就位后，进行墩顶连续段、湿接缝、桥面铺装、防撞墙施工。
本次试验用的两片梁是中华科技园大桥77-3、76-4预制箱梁，梁长30m，单片箱梁C50混凝土用量32.3m3，钢筋用量6674.5kg。
- 府河大桥加固工程
府河大桥桥梁全长1078.04m，总宽24m，在长期的服役过程中，大桥桥墩受环境腐蚀，亟需维修加固。本工程利用课题所制备LUHPC进行修补加固，浇筑保护层高度2.4m，厚22mm，浇筑LUHPC共16m3，混凝土初始坍落度260mm，黏度为52.7Pa·s，28d抗压强度达到109.2MPa，弹性模量为39.5GPa，120d自收缩率为2.83×10-4，表观密度为2095kg/m3。工程应用结果表明，LUHPC墩柱加固保护层满足原工程设计要求，自重较普通混凝土降低20%以上。