1．前言
鋼筋混凝土是目前乃至2l世紀(jì)橋梁建設(shè)的基本材料。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要特點是對各種應(yīng)力的耐受能力比較接近，即受拉、受壓、受剪、受彎和受扭強(qiáng)度最高，其壽命超過百年的歷史已被證實。在地震多發(fā)地區(qū)，損壞程度較輕容易恢復(fù)。但存在疲勞、壓屈、振動、噪音等弊端，尤其是防銹蝕病害的問題較大，造價較高?；炷翗蛄旱奶攸c：其大宗材料可以就地取材，水泥等膠結(jié)材料便于運輸，既能現(xiàn)場澆筑，也可預(yù)制拼裝，造價較低。但其受力情況有很大差別，抗壓能力強(qiáng)，抗拉、抗剪能力差。由于材料和受力性能特點幾乎不能避免出現(xiàn)的裂縫，易受大氣污染物質(zhì)的侵蝕，出現(xiàn)如碳化、堿骨料反應(yīng)、凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕等病害，迄今尚未見到有百年以上壽命的混凝土橋梁。但這并不表明在設(shè)計創(chuàng)新上對其無所作為。當(dāng)今國內(nèi)、外橋梁界，根據(jù)兩種材料上的各自特點，取長補(bǔ)短，采用了鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁，已獲得了高度發(fā)展與進(jìn)步，體現(xiàn)了國際橋梁技術(shù)發(fā)展的趨勢和強(qiáng)大生命力。
2．鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性措施
組合橋梁的鋼結(jié)構(gòu)部分，無論在選材、制造、拼裝、涂裝上都可在工廠進(jìn)行，質(zhì)量可以得到預(yù)控，具備了質(zhì)量保證條件，在起吊設(shè)備允許的條件下，采用栓焊聯(lián)結(jié)，制成節(jié)段，可以達(dá)到快速施工的目的，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和減少環(huán)境污染的社會效益。
無論是鋼腹板（波形）、鋼桁架的耐久性問題要解決兩個難點，一個是連接件（主要是緊固件）的高強(qiáng)耐久性選材問題；一個是防銹蝕的方案。前者主要采用高強(qiáng)度螺栓作為連接件，既方便又快速，目前高強(qiáng)度螺栓（緊固件）按GB/T 1231-2006規(guī)定，最大規(guī)格是M30，超過此規(guī)格的沒有規(guī)定材料，由設(shè)計與制造單位自選鋼號。茲將我國鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺栓力學(xué)性能見表一。
鋼結(jié)構(gòu)橋梁的高性能和輕型化勢必對各類緊固件（如螺栓、螺釘、螺母等）使用的材料提出更高設(shè)計應(yīng)力和輕量化的要求。同時根據(jù)我國的國策，為了節(jié)省能源和資源，今后對降低成本的要求越來越迫切，這是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀走自主創(chuàng)新的必由之路。我國河南省生產(chǎn)力促進(jìn)中心熱處理專家韓建中先生發(fā)明的一種高強(qiáng)韌性、高淬透性、高性價比、高應(yīng)用領(lǐng)域的新型超高強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼，該鋼采用真空精煉，對鋼的含氧量、含氮量、含硫、磷量、非金屬夾架物、晶粒度、綜合機(jī)械性能都高于國內(nèi)外高性能合金結(jié)構(gòu)鋼現(xiàn)行鋼標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)行設(shè)計手冊的要求；鋼號是38 SiMnVBE（E為特級優(yōu)質(zhì)），已由國家知識產(chǎn)權(quán)局授以專利權(quán)，專利號是：ZL98113532.3。
從有關(guān)設(shè)計和制造單位了解到，我國超過M30的大直徑尺寸高強(qiáng)度螺栓的需求和應(yīng)用發(fā)展很快。在橋梁與隧道鋼結(jié)構(gòu)工程中，已應(yīng)用的有M36與M42的，在輸變電工程中有用M45的，在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中大規(guī)格網(wǎng)架高強(qiáng)度螺栓有用到M64、M70、M85及M90的。以目前發(fā)展應(yīng)用最快的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和塔架為例，各部件應(yīng)用高強(qiáng)度螺栓的規(guī)格中，均有超過M30的。38 SiMnVBA鋼在大規(guī)格高強(qiáng)度螺栓力學(xué)性能經(jīng)國家鋼鐵材料測試中心（2008）鋼測（L）字第1424號分析測試報告（2008.07.11）見表二．從表中可以看出大部分編號和絕大部分力學(xué)性能都通達(dá)到或超過GB/T 1231-2006對M30的基本要求。個別編號中的個別力學(xué)性能稍差，可通過調(diào)整熱處理工藝與微調(diào)鋼的成分來解決。
按我國重大基礎(chǔ)研究項目（973）“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”，對該鋼進(jìn)行“超細(xì)晶粒控制軋制”后，其抗拉強(qiáng)度σ
b=2030～2140Mpa，屈服強(qiáng)度σ
0.2=1900～2010Mpa；伸長率δ
5=12～15％，面縮率Ψ=48～55％；這樣高的強(qiáng)韌性在國際上是少有的，使我國在國際競爭中處于很有力的地位。尤其是這種專利鋼的低溫沖擊韌性強(qiáng)度在－60℃時的低溫沖擊韌性是我國彈簧鋼性能最高、鐵道部專用鋼60Si2CrVAT的1.83倍，是60Si2CrVAT室溫沖擊韌性的1.53倍。這對在寒冷地區(qū)以及特大雪凍工程建筑用的鋼產(chǎn)品防止冷脆斷很有實用價值。而其價格卻不到進(jìn)口材料的l/3。如表二所示用38SiMnVBE試制的大于M30的各種大規(guī)格高強(qiáng)度螺栓，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。
無論是鋼橋、鋼桁架-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋、波形鋼腹板PC梁橋，其鋼結(jié)構(gòu)的最大弊端是銹蝕問題，目前在防蝕措施上采取了各種涂裝的工藝辦法，已初見成效，但有的工序太多，施工費時費力，其耐久壽命能否達(dá)到30年以上尚存在質(zhì)疑，而且有些涂裝材料對環(huán)保有一定影響。所以管養(yǎng)單位提出要求高可靠性、低成本、高壽命防蝕設(shè)計且施工簡便的愿望是非常迫切的。當(dāng)今世界上發(fā)達(dá)國家基本上大多采用了電弧涂鋅、鋁、鋅鋁偽合金的工藝，效果很好，一次噴涂最多三道工序：鋼材基表面噴砂鏟白后立即用電弧噴涂鋅鋁偽合金．環(huán)氧封孔．氟碳面層處理。用鹽霧噴射試驗證實，鋼基材表面可保50年不銹蝕，對其面層氟碳涂層，則僅需20～25年噴涂一次。一個工天就可噴涂400平米，是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)防銹蝕的最佳工藝選擇。20世紀(jì)90年代引進(jìn)后，我國的電弧噴涂工藝得到了進(jìn)一步完善，大大提高了鋼表面的防蝕能力，提高了生產(chǎn)效率，由于維修頻率低，也就降低了成本，已廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)的長效防腐體系的機(jī)制中。詳情已有多篇論文介紹，不擬贅述了。
鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁由兩種材料各自作為一種構(gòu)件存在，需通過一定的連接件相互結(jié)合成一體的共同承擔(dān)作用力的結(jié)構(gòu)。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁相比，可以減輕恒載自重。尤其是用波折形鋼板代替混凝土腹板的組合箱梁，這種鋼腹板可以在工廠加工，施工方便，它的豐要特點是在順橋方向的波折效果可提高混凝土翼板的預(yù)應(yīng)力效果，且抗剪性能強(qiáng)，避免了混凝土腹板經(jīng)常開裂的弊端。不僅可以降低其軸向剛度，而且可以提高其屈曲強(qiáng)度。從經(jīng)濟(jì)角度看，由于自重減輕，可增加有效使用空間，降低基礎(chǔ)造價，節(jié)省支模工序和模板，加快施工周期。因而是具有較好發(fā)展前景的新型橋梁結(jié)構(gòu)體系之一。但波形鋼腹板PC箱梁和鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁一樣，頂板厚度首先要滿足橋面板的受力要求和力筋構(gòu)造的要求；而底板需滿足正彎距下、力筋通過的構(gòu)造要求。為了提高頂、底混凝土板的抗壓和一定的抗拉強(qiáng)度。有二種方法建議改善：一是用高性能、高強(qiáng)混凝土（HPC），一些發(fā)達(dá)國家把它作為耐久性為主要設(shè)計的指標(biāo)，預(yù)期這種混凝土有可提供100年以上的使用壽命，為了在嚴(yán)酷環(huán)境下使用，避免或減少維修困難，生產(chǎn)這種預(yù)制的HPC頂、底板，不但要求施工工藝非常嚴(yán)格，不產(chǎn)生缺陷，而且宜在預(yù)制后，存放一段時間（半年左右），使這種多孔性物體(施加預(yù)應(yīng)力張拉)的收縮徐變完成60％左右，再在其表面涂刷一層與其性能、耐久相匹配的永久性防裂、防水的水泥基礎(chǔ)滲透結(jié)晶型特效防水材料-XYPEX濃縮劑，可以確保其完成全壽命的使用期，這已在國內(nèi)、外許多重大工程實踐所證明了的。采用這種高性能高強(qiáng)的混凝土及首期保養(yǎng)措施，可以避免重大維修，節(jié)約資源，降低工程綜合造價且有利于環(huán)保。而制作這種高性能混凝土要解決以下幾個難題：
（1）既要水灰比低（在0.4以下），又要保證其較大的坍落度，來保證在澆筑質(zhì)量，也就是既要有高強(qiáng)度，也要有可操作性。當(dāng)前解決的辦法是摻加超塑化劑，可使流動度大大提高，但時問很短，只能保持10幾分鐘，所以只能在工廠或工地邊拌制，邊澆筑，不能有較長的運輸時間。
（2）為保證具有足夠的流動性，勢必就要求有較大用量的膠凝材料，但隨著膠集比的增大，混凝土的彈性模量就會有所下降，混凝土的收縮也會有所增加。而當(dāng)膠凝材料用量太小時，就難以保證良好的操作性，混凝土容易發(fā)生離析、分層。硬化后的混凝土薄弱瑕疵界面將增多，密實度難以保證，也就易受外界腐蝕物質(zhì)的侵蝕，所以必須要調(diào)整好配合比。
（3）高性能混凝土對原材料的材質(zhì)要求較嚴(yán)
1）水泥：最好選擇強(qiáng)度高且具有良好的流動性能，且能與高效減水劑有良好相容性的52.5級以上的硅酸鹽水泥，其質(zhì)量必須符合GB175-1999的要求：
2）粗骨料：最好采用強(qiáng)度高的金屬礦石粗骨料，有條件時應(yīng)通過沖洗干凈，最大粒徑不應(yīng)大于30mm且在5～30mm的良好級配范圍內(nèi)；
3）礦物細(xì)摻料：主要以礦渣微粉、粉煤灰、硅粉等活性礦物摻合料復(fù)合并深加工而成。其指標(biāo)應(yīng)各自達(dá)到GB/TJ08．501-999；GBl596-91；JTJ275-2000附錄A的要求；
4）細(xì)骨料：中(河)砂，品質(zhì)應(yīng)符合JTJ288．36的規(guī)定，細(xì)度模數(shù)2.6～3.0，符合II區(qū)顆粒級配；
5）拌和用水：飲用水；
6）外加劑：其主要性能是改善新拌制混凝土和硬化混凝土的性能，如高效減水劑、緩凝劑、引氣劑等。外加劑的摻量應(yīng)小于5％，使用時應(yīng)適當(dāng)延長攪拌時間，藉以獲得均勻拌和的混合物。
這里必須指出：高性能混凝土在實驗室配置時，比較容易符合要求。但在工地施工過程中，由于客觀種種條件的限制，都要確保在穩(wěn)定的質(zhì)量水平上，就較困難，這就要求現(xiàn)場的試驗員和質(zhì)檢員，必須具有較高的技術(shù)素質(zhì)外，還應(yīng)有高度的責(zé)任感，時時注意各種條件和環(huán)境因素等的變化，因地制宜適時調(diào)整好配合比和各種工藝參數(shù)，方能攪拌出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的HPC。
（4）高性能混凝土的開裂問題
近年在國內(nèi)、外的工程中多有發(fā)生，還有一定的負(fù)面反應(yīng)。由于水灰比小，自縮率增大，增加了開裂的因素，所以早期開裂問題已成為制約其發(fā)展應(yīng)用前景。尤其HPC在養(yǎng)護(hù)期間的溫度和濕度控制要求更為嚴(yán)格，所以除需解決上述難點外，建議摻和適量的膨脹劑和纖維材料來防止早期開裂的問題。
第二種方法是建議采用優(yōu)質(zhì)膠聯(lián)成排鋼纖維，同時摻加XYPEX摻合劑拌制的特種混凝土，它的主要特點除可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度外，且同時具有相當(dāng)大的抗彎性和抗剪性能，并具有良好的韌度、抗裂、抗震、抗?jié)B多功能的優(yōu)點。而且還可顯著提高抗沖擊能力、耐磨能力。尤其配合XYPEX摻合劑或濃縮劑的使用，則是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，可以制成特種高強(qiáng)耐久的混凝土結(jié)構(gòu)。這種強(qiáng)化型鋼纖維混凝土配制施工方法簡便，與普通鋼筋混凝土同尺寸截面相比，不僅可以提高各項技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化工程質(zhì)量，同時可以節(jié)省大量鋼筋和水泥用量，在保證工程質(zhì)量的前提下，大大降低工程的綜合總造價。
近年來，越來越多的橋梁成功地使用了雙鋼(鋼纖維加鋼筋)混凝土作橋面板或橋面鋪裝層，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。鋼纖維作為混凝土攪拌時添加材料，在施工時既不費時費力，也不需要延長攪拌時間。但選材時，鋼纖維的分類、型號和形狀不同，其性能則有很大的差別，茲列表介紹如下：(見表三)
從表四中可以看出，冷拉鋼纖維的性能最好，它的母材是優(yōu)質(zhì)盤條鋼筋，材料本身具有很高的純凈度要求，它的加工工藝是冷拉，從直徑5.5mm～6.5mm的盤條，經(jīng)過幾十道拉撥工序，最后拉成直徑0.55mm～1.05mm的鋼絲，制成的纖維的抗拉強(qiáng)度均超過1150Mpa，高抗拉強(qiáng)度的鋼纖維在混凝土中能充分分散應(yīng)力。使裂縫得到有效控制；銑削型鋼纖維的母材是鋼錠，通過刀具銑削加工成型，由于受到母材自身抗拉強(qiáng)度的限制，所制成的鋼纖維的抗拉強(qiáng)度同于或等于600Mpa；剪切鋼纖維的母材是鋼板，通過刀具切斷加工成型，由于受到母材自身抗拉強(qiáng)度的限制，所制成的鋼纖維的抗拉強(qiáng)度通常低于380Mpa。
為此，下面僅把前二種型號的鋼纖維的基本性能作一些比較，見表五所示。長徑比L/D越大，混凝土性能越好，鋼纖維直徑越小，單位體積內(nèi)分布的鋼纖維就越多，分散性越好，作用點多。鋼纖維對混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化加固是三維截面的、整體的，且各向同性的，在混凝土中無論哪個部位，鋼纖維都能起到增強(qiáng)加固作用。
在橋面鋪裝層中，每方混凝土中，摻銑削型鋼纖維需要60公斤，而摻SD75型冷撥型的鋼纖維僅需20公斤。每公斤的鋼纖維根數(shù)約為4500根，每立方混凝土中的鋼纖維就有90000根左右。極高的鋼纖維分布密度，對防止裂縫的彌散作用大，能充分控制裂縫寬度在0.2mm以下。
混凝土工程由于受各種條件和不利因素的影響，發(fā)現(xiàn)裂縫，往往是難免的。過去，我國的土建工程界普遍認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)沒有不出現(xiàn)裂縫的，裂縫是混凝土的常發(fā)病，只要不超過一定深度和寬度，是不會有害的。這種錯誤認(rèn)識，導(dǎo)致了工程隱患叢生。為了防止由于裂縫產(chǎn)生招致外界腐蝕物質(zhì)的侵蝕，確保其耐久性達(dá)到全壽命的使用期，可以采取二個措施：
一是在攪拌混凝土?xí)r，同時加入XYPEX摻合劑，摻量為膠結(jié)料的1％，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微裂縫時，大氣中的水氣就會侵入，這種摻合劑利用其中的活性化學(xué)材料一催化劑就以水為介質(zhì)來催化混凝土中未水化的水泥顆粒，使其結(jié)成枝蔓狀的晶體，使混凝土裂縫自我愈合密實，從而可防止水和其他有害物質(zhì)的侵蝕。清華大學(xué)水利水電工程系于2006年四月在“XYPEX摻合劑材料自愈抗?jié)B性能試驗研究報告”中得出的結(jié)論：“…從試驗結(jié)果可以看出，XYPEX摻合劑可以增強(qiáng)和延緩混凝土中的可回復(fù)性損傷，減少不可回復(fù)性損傷，對混凝土抗?jié)B自愈性能有顯著改善。”
二是當(dāng)混凝土頂、底板作為預(yù)制件結(jié)構(gòu)時，若在存放6個月后，出現(xiàn)的裂縫寬度在0.4mm以下時，可采用XYPEX濃縮劑在其表層涂刷，用量為1kg/m
2，霧水養(yǎng)護(hù)三天后，可以一勞永逸地達(dá)到無裂紋混凝土結(jié)構(gòu)。若SD75鋼纖維混凝土與XYPEX材料配合使用，對制成特種高強(qiáng)、耐久性達(dá)100年以上的混凝土結(jié)構(gòu)的愿望，是完全有可能實現(xiàn)的。
3．結(jié)語
“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，提高組合結(jié)構(gòu)橋梁耐久性的關(guān)鍵除提高施工質(zhì)量外，在養(yǎng)護(hù)措施上，材料比選上也是重要因素。一切結(jié)論的正確性來源于科學(xué)實驗的數(shù)據(jù)。本文僅作拋磚引玉之意，望同仁指正。
（作者：朱海濤）
