针对UHPC必须蒸汽养护问题 ， 通过纳米材料聚合物共价修饰、外层包覆和表面吸附改性 ， 调节纳米粒子表面性质 ， 提高在UHPC浆体中的分散性 ， 降低结晶势垒 ， 加速水化 ， 优化水化产物的堆积密度 ， 减少微裂缝 ， 常温养护条件下可提升UHPC抗压强度50% ， 实现混凝土常温工艺下的超高强 。
针对UHPC无法掺加粗骨料的问题 ， 引入纳米改性颗粒 ， 促进高与超高密CSH凝胶在界面大量生成 ， 减小界面过渡区厚度 ， 提高界面胶结强度50% 。 并通过强极性的链棒状结构聚合物 ， 细化、重排CH晶体 ， 提高微结构的致密度 ， 提升基体抗拉强度30% 。 结合纤维的端部设计及表面改性技术 ， 提升断裂能70% ， 实现超高强与超高韧的统一 。 粗骨料UHPC抗拉强度可突破10MPa ， 弹性模量可提升至70GPa ， 徐变系数可低于0.4 。
针对UHPC自收缩大问题 ， 采用低湿度敏感型钙类膨胀材料 ， 通过表面化学包覆、粒度控制 ， 推迟水化峰值 ， 减少早期无效水化 ， 实现膨胀历程的调控；采用原位接枝聚合物减缩剂 ， 降低孔溶液表面张力和孔隙负压 ， 延缓应力发展 ， 减小UHPC自收缩50% ， 可低于300uε 。
图3 南京长江第五大桥
上述新材料和新技术促成了混凝土超高性能化的实现 ， 并在南京长江第五大桥（图3）、南浔大桥等一批国家重大工程成功应用 。 作为国际首创应用粗骨料UHPC桥面板的典型范例 ， 南京长江第五大桥（主桥跨径1769m）的主梁采用整体抗扭性能较好的整体箱形组合梁型式 ， 顶板采用了17cm厚粗骨料UHPC桥面板 ， 其弹性模量可达60GPa（图4（a）） ， 经1000万次疲劳试验后 ， 结构未见开裂（图4（b））；降低了桥面板自重30% ， 延长了疲劳寿命3倍 ， 并满足了常规养护工艺下UHPC桥面板规模稳定制备 ， 为解决超大跨径混凝土桥梁挠度大的难题提供了有效载体 ， 促进了新型桥梁结构体系的创新 。
（a）弹性模量结果
（b）疲劳试验结果
图4 南京长江第五大桥粗骨料UHPC性能
耐久性提升技术
桥梁工程常暴露于严酷环境 ， 遭受侵蚀介质渗透、钢筋锈蚀、冻融破坏及化学腐蚀等耐久性破坏 。 此外 ， 桥梁混凝土施工常年需要面对大风、海浪、深水、高温等施工条件 ， 施工质量控制难度大 。 因此 ， 严酷复杂环境下桥梁工程用钢筋混凝土因耐久性失效破坏的风险高 ， 亟需采取耐久性提升技术保障桥梁工程的长寿命 。
就传统耐久性技术而言 ， 主要采用低水胶比与大掺量矿物掺和料的海工混凝土技术 ， 实现桥梁工程耐久性的提升 ， 该技术具有较好的经济性 ， 可以有效保障海洋环境等中度与严重作用等级的结构混凝土耐久性 。 但同时该技术存在混凝土收缩开裂风险高、碳化加快和拌和物流动性不稳定等问题 。 因此 ， 亟需研发面向严酷复杂环境的结构混凝土耐久性提升技术 ， 解决严重及以上作用等级的桥梁工程百年寿命难题 。 为了实现严酷复杂环境下桥梁混凝土的长寿命 ， 可通过多因素耦合条件下耐久性量化设计和“隔、阻、缓、延”技术体系实现 。 上述提升技术的关键在于 ， 利用涂层材料降低表面临界氯离子浓度 ， 通过传输抑制材料降低扩散系数 ， 采用内掺型钢筋阻锈材料提升钢筋锈蚀临界离子浓度 ， 借助迁移型阻锈材料实现脱钝钢筋再钝化 ， 最终保障全寿命周期桥梁结构混凝土达到设计使用年限 。
图5 桥梁混凝土的“隔、阻、缓、延”耐久性技术体系
通过考虑扩散系数时变效应、冻融损伤剥落程度和硫酸盐侵蚀剥落的时变效应 ， 建立多因素耦合作用下结构混凝土服役寿命预测模型 ， 可实现桥梁混凝土耐久性设计的定量化和科学化 。 阻 ， 通过抗侵蚀抑制材料优化混凝土内部孔结构并实现孔隙表面疏水 ， 降低混凝土基体的吸水率与氯离子扩散系数 ， 是实现混凝土抗介质侵蚀的前沿技术 。 缓 ， 采用阻锈分子抑制钢筋腐蚀 ， 掺入型阻锈剂通过钢筋表面形成具有多位点、强吸附的新型长效有机阻锈分子膜 ， 阻止氯离子和氧气分子的吸附和抑制钢筋钝化膜溶解 ， 实现钢筋阴极和阳极的两极保护 。 即使在3.5%的氯盐环境下钢筋浸泡90天仍无生锈发生 ， 可实现95%以上的阻锈效率 。 隔 ， 即采用涂层材料封闭混凝土表层的传输通道 ， 是有效提升桥梁工程耐久性的重要附加防护措施 。 缓 ， 通过迁移性阻锈剂实现 ， 利用毛细吸附、气相扩散等原理实现阻锈剂定向自迁移 ， 取代钢筋表面点蚀坑内的Cl- 、H+ ， 起到抑制钢筋点蚀发展的效果 ， 用来修复既有桥梁工程 。 上述耐久性成套提升技术已在工程中应用并取得积极效果 ， 其中抗侵蚀抑制剂已经成功应用于南沙大桥的承台结构 ， 在未出现温度裂缝基础上实现28d电通量仅为540C ， 28d氯离子扩散系数<4.0x10-12 m2/s ， 满足了浪溅区结构混凝土100年的设计寿命要求 。
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