混凝土桥及其高性能材料2019年度研究进展

赵人达 占玉林 徐腾飞 李福海 文希 杨世玉 原元 赵成功 张建新

摘 要：为了解过去一年混凝土桥及其高性能材料研究方向的发展动态，并在总结其研究内容、方法和成果的基础上更好地开展后续研究，从混凝土桥、高性能混凝土材料及高性能加劲筋材三方面着手，查阅了近期文献，并进行了分类、总结和评述。研究发现：目前，混凝土桥方向更加注重其耐久性、全寿命周期设计、寿命预测及极端环境下的性能劣化等问题;高性能混凝土材料方面更加注重绿色环保、增强增韧和自密实等性能研究;与其配套的高性能筋材则主要围绕强度更高、更耐久的FRP筋展开。对现有研究的不足和有待深化的问题提出初步建议，期待与相关学者共同努力，为该方向的进一步发展做出贡献。

关键词：混凝土桥;高性能混凝土;高性能筋材;研究进展

中图分类号：U444   文献标志码：R   文章编号：2096-6717（2020）05-0037-19

收稿日期：2020-04-06

基金项目：国家自然科学基金（51778531）

作者简介：赵人达（1961- ），男，博士，教授，主要从事桥梁结构行为、高性能混凝土及其结构应用研究，E-mail：rendazhao@home.swjtu.edu.cn。

Received：2020-04-06

Foundation item：National Nature Science Foundation of China （No. 51778531）

Author brief：Zhao Renda （1961- ）， PhD， professor， main interests： bridge structural behaviors， high performance concrete and its structural applications， E-mail： rendazhao@home.swjtu.edu.cn.

Abstract： In order to understand the development trend of the research direction of concrete bridge and its high-performance materials in the past year， and on the basis of summarizing the research contents， metholds and achievements， the follow-up reserch will be carried out better， this paper reviews the recent literatures from three aspects of concrete bridges， high-performance concrete materials and high-performance reinforced materials.Furthermore， the literatures are classified， summarized and commented.The results show that the current research on concrete bridges pays more attention to durability， life cycle design， life prediction and performance degradation in extreme environments.For high-performance concrete materials， more attention has been paid to research of green environmental protection， strength/toughness improvement and self-compaction. The related high-performance reinforced materials have been mainly focused on the FRP bars with higher strength and better durability. Finally， the paper points out shortcomings of the existing research and the work to be done in the future.

Keywords：concrete bridges; high-performance concrete; high-performance reinforced materials; research advances

橋梁建设与人类文明发展息息相关，其不仅是人类跨越沟壑的重要途径，更是人类文明碰撞和交流的重要途径。混凝土桥梁一直为桥梁的主要桥式，近年来，中国混凝土桥的发展规模、建造技术及相关新材料的研究已走在世界前列，以其为基础的一些超级工程已经具备世界级地标的水准。

然而，发展总是伴随着问题，未来的桥梁建设必须把极端建设及使用环境纳入重点考虑对象，并进行相应研究，如：强风、强震及深水、高腐蚀的海洋环境等;同时，在结构技术研究遇到发展瓶颈之后，桥梁高性能材料的发展将成为突破现有桥梁技术瓶颈的关键，因此，对于桥梁用高性能混凝土及其筋材的运用研究也将成为重点。

为了在过去一年混凝土桥及其高性能材料方向研究新进展的基础上继续深入研究，有必要对该方向的部分重点研究进行分析、总结和展望，以期为广大研究者在新的一年开展工作提供些许参考和思路，并期待与广大同行共同促进混凝土桥及其高性能材料方向的进一步发展。

1 混凝土桥相关研究

从时间尺度上看，混凝土桥梁的研究重点集中在桥梁建设期，在建设峰值点之后将进入运营与养护阶段。高宗余等[1]在“中国海洋桥梁工程技术发展现状、挑战及对策研究”一文中指出：中国桥梁结构的进一步发展应高度重视其与环境作用的组合、结构耐久性、抗疲劳和全寿命设计理论等方面，以此解决现有结构关键技术瓶颈。混凝土桥运营性能，特别是服役期复杂运营环境下的使用性能（主要是耐久性）、全寿命周期及其理念下混凝土桥的寿命预测理论、服役期抵抗极端灾害（地震、洪水和台风等）的能力等应受到重点关注。

1.1 混凝土桥耐久性研究

近年来，随着路网交通荷载的增加，桥梁在材料耐久性、结构可靠性、整桥使用寿命等方面都存在不同衰变。据调查，中国高速公路桥梁一般在运营5年左右即会不同程度出现钢筋混凝土病害[2]，因此，混凝土桥梁结构的耐久性降低已成为一个亟待解决的问题。耐久性的提升往往从设计（尤其是细部设计）、抗环境影响、计算理论及材料层面（抗裂、增韧、抗渗等微观机理）等角度展开。

在桥梁耐久性设计方面：有学者提出应从暴露环境、耐久性龄期及耐久性性能测试方法等方面开展研究[3]，并应基于使用寿命估算工具建立可被广泛接受的耐久性设计理论[4]，并基于此对现有规范进行修正。为此，Li等[5]依托港珠澳大桥，采用基于模型的方法和多层次原理对其不同耐久性风险进行研究。连新奇[6]开展了面向结构部位（含灌注桩、墩身等强腐蚀部位）的铁路混凝土结构耐久性研究，提出了特殊工况下混凝土耐久性评价指标体系及高温高湿、强腐蚀海洋环境下混凝土结构的防腐蚀强化措施。阙磊等[7]从桥梁结构的设计年限、构造物设计要求、材料要求和其他保护性的耐久性设计措施等角度对跨海大桥混凝土结构耐久性设计展开分析，并指出氯离子渗透是影响混凝土耐久性的关键因素，应严格控制。

耐久性理论研究方面，邬晓光等[8]针对目前混凝土梁式桥耐久性预测方法考虑因素单一的问题，整合了氯离子含量、混凝土碳化、保护层厚度、裂缝、钢筋锈蚀和混凝土强度等指标，并引入耐久性指标时变预测模型，基于可拓理论实现对混凝土梁式桥耐久性的预测。黄腾腾等[9]提出了在役混凝土梁桥耐久性的三方面评估指标体系和“桥梁整体组成部分构件”的三层次评估体系;研究了基于模糊理论的既有梁桥耐久性综合评价方法等。黄海新等[10]基于贝叶斯动态更新技术，以混凝土碳化深度为随机变量，利用体现结构个性特征的实桥检测信息对传统静态碳化模型进行修正，并利用碳化试验模拟实桥检测数据，对钢筋混凝土拱桥进行体系动态耐久性评估。

在海洋环境下混凝土桥梁结构耐久性研究方面，Yi等[11]综述了海水中氯离子、镁离子等引起的混凝土相变引发的问题，如：镁离子可以取代镁黄铁矿中的钙，降低孔隙溶液碱度，最终破坏C—S—H凝胶的稳定性。这些表面相变使得潮汐区混凝土发生剥落和分层。随后，基于现有的劣化机理，通过提高水泥水化物的化学稳定性、快速自愈和智能碱度控制，设计一种更耐用的混凝土保护层体系的构想（图1）。Umar等[12]探讨了沿海地区改性水泥基复合材料的抗菌性能及防腐性能，筑造了4种改性水泥复合立方体试块来评估其抗菌及力学性能。研究发现，亚硝酸钠复合缓蚀剂水泥基复合材料（PPC-SN）与其他改性水泥基复合材料相比，具有更好的抗菌及力学性能，为海洋环境下混凝土桥在微生物侵蚀下的研究提供了新思路。吴智深等[13]从轻质、高强、耐久材料发展的角度出发，为海洋环境下大跨桥梁长期服役性能问题的解决提出了努力的方向。

Janotka等[14]在调查两座百年桥梁过程中意外地发现：覆盖在老桥混凝土外表面约2～3 mm厚的致密灰泥层有效地防止了桥梁碳化的发生，确保了其耐久性。主要原因为：灰泥层主要由致密的碳酸盐微粒组成，其随着时间的推移可形成没有张开孔隙且很薄的保护层，从而起到防止碳化的作用。

通過上述总结可以发现，近几年在混凝土桥耐久性研究方面获得了不少有价值的成果，但也存在一些不足，主要有：1）耐久性设计方面的研究还不够系统，过于片面，如目前的研究大多是基于材料的耐久性研究，基于结构与材料耦合作用的耐久性研究较少;2）理论研究方面成果较少，且目前更多的研究是基于构件的耐久性设计，基于“桥梁整体组成部分构件”的耐久性设计理念的研究还有待进一步深入;3）极端环境下耐久性研究针对面较窄，如目前主要研究都是针对腐蚀及海洋环境方面，对于高温、高热等其他极端环境下的研究并不多见，还有待进一步拓展。

1.2 混凝土桥寿命预测研究进展

为更好地满足对既有桥梁的承载力和通行能力的新要求，很有必要对桥梁长寿命服役进行系统性研究。李亚东等[15]指出，由于经济高速发展的起点不同，桥梁老龄化问题首先在发达的工业化国家受到重视，近年来欧美和日本等国家和地区开展了延长桥梁寿命、维持桥梁长期性能的研究。因此，中国作为土木工程大国，理应跟上桥梁寿命周期研究的步伐。

在全寿命周期研究方面，Akhnoukh[16]指出，应从高性能混凝土、预制梁构件及快速施工方法相结合的理念出发，研究具有更长使用寿命的桥梁。另有学者分别从建立寿命预测模型及预测理念[17]和可靠性理论[18]出发，开发出了更为合理的生命周期预测及成本分析方法。陈开利[19]通过收集日本有关桥梁长寿命研究方面的技术资料，分析归纳了桥梁长寿命研究的新进展。张劲泉等[20]对公路桥梁可靠性和耐久性的研究成果及现行评估规范、标准以及指南进行了梳理、总结，并对其应用现状进行阐述。王京京[21]基于生命周期评价（Life Cycle Assessment， LCA）基本理论，以粉煤灰钢筋混凝土梁作为研究对象，对其生命周期内的碳排放和成本进行定量化分析，并构建了粉煤灰混凝土结构全生命周期综合、可持续性评价指标和设计方法。Navarro等[22]以预应力桥的桥面板为研究对象，通过对其生命周期评估（图2），分析了几种对环境影响的预防策略。寿命周期分析结果表明：通过掺入硅灰、降低水灰比及对混凝土表面进行憎水或密封胶处理等措施，可以有效地降低氯离子对结构的影响（30%～40%）。

在寿命预测研究方面，郑鹏[23]从耐久性的评判指标入手，运用熵权可拓理论对混凝土梁桥进行耐久性评估，实现了对不同使用年限的混凝土梁桥耐久性水平的预测。李双营等[24]基于Fick第二扩散定律理论，得到一种可对盐湖地区既有RC桥梁结构使用寿命进行准确预测的模型。在混凝土材料的寿命预测方面，王少鹏[25]通过微观机理分析，调研和统计典型环境中混凝土强度时变规律及试验与数值模拟等工作，分析了不同碳化系数下混凝土收缩裂缝宽度与碳化深度及时间的关系，为公路桥梁混凝土材料的工程使用年限预测提供了可参考的依据。

上述研究表明，现有关于混凝土桥寿命周期的研究主要集中在两个方面：一是对桥梁全寿命周期相关理论的综述、总结和分析;二是开展典型环境和病害下的寿命周期与寿命预测研究（如腐蚀环境或开裂等情况）。关于桥梁全寿命周期设计理念、使用寿命及其性能预测的研究还处于学习和成长阶段，后续还应继续在基于寿命周期费用与结构性能化的使用寿命设计理念上做出相应研究，以实现桥梁在整个寿命周期总成本最低、风险最小这一目标。

1.3 极端灾害下混凝土桥的研究

极端灾害包括地震、飓风、船撞、洪水、恐怖袭击和由地震等引起的次生灾害（爆炸、海啸）等，这些极端灾害均對混凝土桥造成潜在的威胁。从研究趋势上看，目前，学者们倾向于从桥梁结构受单个极端灾害作用情况下的研究逐渐向多灾害耦合作用的研究发展[26]。

在理论研究方面：Ramanathan等[27]通过研究抗震设计原则和细节的演变对多跨连续混凝土箱梁桥抗震性能的影响，基于洛马普里塔地震建立了桥梁非线性分析模型，研究桥梁振动特性在抗震设计思路演变下的特点，并采用非线性时程分析法绘制了其脆弱性分析曲线。Kameshwar等[28]提出一种基于参数化的多危险度脆弱性风险评估（PF-MHRA）方法，用于地震和飓风耦合作用下公路桥梁的风险评估。该方法利用有限元模型和带有非线性logit函数的逐步logistic回归，推导出桥梁脆弱性函数;并基于此提出一种新的桥梁在飓风和浪涌荷载耦合作用下的风险评估方法，并将其应用于南卡罗来纳州的多跨混凝土简支梁桥。Eslami等[29]为了检查洪水前后桥梁的稳定性，比较了确定性方法和蒙特卡罗模拟方法的失效分析结果，还通过土体抗剪强度参数（即c和φ）之间的互相关系数，研究了该系数和抗力系数对极限承载力、安全系数和破坏概率的影响。任明杰[30]开展了洪水波流耦合荷载作用下桥梁破坏机理研究，为实际工程中的防洪措施提供依据。除此之外，梅恒[31]开展了全寿命周期桥梁多灾害概率风险研究，并结合中国几座实际桥梁，对桥梁结构进行多灾害耦合危险性分析，得到不同灾害的设防水准。陈希虎[32]依托映秀至彻底关段混凝土桥梁，采用灰色系统评价模型对公路沿线9座桥梁的易损性进行评价与分析。

在试验研究方面：Beneberu等[33]开展了外裹防火材料的CFRP加固预应力混凝土桥的抗弯能力研究，总结出很好的桥梁抗火方法。还有学者对火灾后预应力混凝土桥梁[34]及持续高温下UHPC梁[35]的性能进行研究，发现高温对刚度、抗弯强度影响较大，对抗压强度、韧性及结构基频影响不大。Shiravand等[36]选取150、355、550、700、1 200 kg TNT（以此为荷载变量），对其爆炸情况下箱梁的响应进行参数分析。发现由于箱梁内空间的限制，爆炸产生的冲击波被放大约2.7倍。在大多数荷载情况下，部分预应力筋的锚固区混凝土受损，导致其有效后张力损失;另外，暴露在爆炸冲击中的钢筋束失效，因此，整个桥梁容易处于失稳状态。鉴于此，提出应该开发一种能量吸收设施，辅助梁体抵抗冲击。Pan等[37]介绍了一种新型的能量吸收装置，它是由“U”形薄壁钢板和玻璃钢蜂窝填充而成。为了验证所设计的吸能结构的抗小车碰撞性能，对其进行了导向系统水平冲击试验（图3）。结果表明，所设计的薄壁钢板纤维复合材料防护结构具有良好的抗碰撞性能，可有效地用于桥墩防撞。

总结上述文献可知，目前，混凝土桥在极端灾害防治领域的研究均基于统计学理论及实验开展，其自身统计学方法及实验方案是否最优，样本采集及试验数据是否科学合理等还存在一定疑问。因此，建议将此部分研究与大数据理论进行深入结合，并基于现有试验继续开发新的试验方法;同时，还应基于人工智能和5G技术积极开发智能化应对设施，如：实时监控与检测系统等，为服役桥梁提供保障，也可为相关研究提供样本数据。此外，现有研究中，对于多因素耦合作用下桥梁结构响应的研究较浅，还应继续深入探索。

2 高性能混凝土材料

高性能混凝土具有独特的高工作性能，势必成为未来混凝土桥技术短板上的支撑。因此，很有必要探讨和研究目前数量繁多、功能性强的高性能混凝土如何用于混凝土桥领域。

高性能混凝土在桥梁工程中的运用方面，邵旭东[38]开展了基于UHPC材料的高性能装配式桥梁结构研发，针对现有装配式桥梁结构中共性的技术难题，研发了具有高施工性能、高使用性能和高耐久性能的高性能装配式桥梁结构体系。蒋蕾[39]对高性能混凝土的特点进行分析，探讨其在桥梁工程建设中的应用。He等[40]研究了UHPC短柱在地震条件下的性能。结果表明，高强度提高了UHPC柱的延性和能量吸收能力。此外，超高韧性混凝土（STC）等材料也已有部分工程应用。例如，邵旭东等[41]提出的钢STC轻型组合桥面结构方案可以延缓正交异性钢桥面板疲劳开裂问题。Zhan等[42]认为将STC层的厚度从45 mm增加到60 mm可以减小钢甲板中易疲劳部件的疲劳应力幅。

结合以往研究及上述研究不难发现，高性能混凝土在桥梁工程中的运用主要以UHPC为主，其他大部分材料仍停留在实验室阶段及局部小体量运用方面。因此，将高性能混凝土应用于桥梁工程的探索与研究依然需继续努力。

2.1 绿色高性能混凝土

一般认为，绿色混凝土可以节约资源、降低碳排放量或者实现资源的可持续发展。近几年，绿色混凝土的研究取得了一定的进展[43]。其中，研究再生混凝土和地聚物混凝土是当下混凝土与环境协调发展的一种趋势。

朱雪锋等[44]比较了不同养护方法对再生混凝土力学性能的影响。结果表明，CO2养护下的再生混凝土比标准养护下28 d的强度明显提高。于巾茹等[45]研究了再生混凝土的抗SO2-4盐侵蚀性能。结果表明，矿渣掺和料比粉煤灰掺和料更有利于再生混凝土的抗SO2-4盐性能。提高水灰比或增大孔隙率均会导致混凝土的耐腐蚀性降低。

赵人达[46]研究了桥梁结构中地聚物混凝土性能劣化机理和时变变形规律，通过冻融试验找到了提升抗冻能力的方法，为地聚物混凝土用于高寒地区桥梁建设打下了基础。除此之外，赵人达等[47]研究了早龄期低钙粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐变特性，为受拉状态地聚物混凝土的应力应变关系、开裂预测及其今后用于桥梁上部结构提供重要的参数依据。徐腾飞等[48]

开发了直接拉伸徐变试验装置，研究普通混凝土、加入掺和料混凝土[49]以及地聚物混凝土[50]的早龄期约束收缩与拉伸徐变特性，探索约束收缩作用下混凝土的开裂风险，以及改善约束收缩的相关措施[51]。

综上，绿色混凝土的研究已经从最初的降低水泥用量來缓解环境污染，逐渐发展到再生骨料的利用以及环境友好的新型绿色无机胶凝材料（如地聚物）的开发等，以期从根本上解决对环境的破坏和二次污染。但是，再生骨料混凝土的力学性能不稳定，地聚物的研究尚不成熟，大范围的使用面临着诸多挑战。这也是绿色高性能混凝土研究的热点问题。

2.2 纤维增强混凝土

混凝土是当今用量最大的建筑材料，但其存在突出的缺陷，在混凝土中加入纤维以改善其脆性大、抗拉强度低等缺点是提高混凝土性能的常用途径。纤维的种类丰富、力学性能差异较大，按弹性模量可分为高弹性模量纤维（如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维）和低弹性模量纤维（如有机纤维）。高弹性模量纤维的刚度大于混凝土，基体产生微裂缝后，纤维开始受力，分担混凝土所受应力，提高材料强度。纤维刚度越大，强度提高越明显。低弹性模量纤维的刚度小于混凝土，受力一般在混凝土开裂之后，主要用于提高材料延性。钢纤维混凝土的破坏以纤维拔出为主，它能显著改善混凝土的韧性和抗弯强度。但钢纤维在混凝土中难以分布均匀，在实际运用中效果欠佳。相较于普通钢筋混凝土构件，钢纤维混凝土构件的裂缝宽度可降低50%以上[52]。杨娟等[53]从废弃轮胎中分离出钢纤维，并将这种再生钢纤维掺和在混凝土中，结果表明，再生钢纤维对混凝土的弹性模量及劈裂抗拉强度的增强效果均胜于普通钢纤维。同时，附着橡胶颗粒的再生钢纤维可将混凝土的断裂能提高4倍左右。有研究指出，混杂纤维可以充分发挥各纤维的优点，从而制备性能更加全面的纤维混凝土，蒋威等[54]对其进行了系统的梳理。聚丙烯纤维是一种人工合成纤维，密度较小，具有一定的强度。聚丙烯纤维混凝土主要以纤维拉断而发生破坏。罗洪林等[55]比较了聚丙烯纤维的长径比对混凝土力学性能的影响，结果表明，混凝土的基本力学性能随纤维长径比的增大而先增大后减小，但最优长径比并不相同。王磊等[56]运用聚丙烯纤维改善快干混凝土的抗渗性，并取得良好的效果，相较于对照组，0.2%的纤维掺量使混凝土的抗渗系数降低了62.4%。此外，崔光耀等[57]在隧道衬砌混凝土的抗错断性能研究中发现，钢聚丙烯混杂纤维混凝土的抗错断性能要优于单一的钢纤维混凝土，这对高烈度活动断裂区隧道建设具有重要意义。玄武岩纤维在中国分布较广，价格便宜，开发潜力巨大，是近几年研究的热点之一。焦华等[58]分析了玄武岩纤维对喷射混凝土力学性能的影响，结果表明：适量的玄武岩纤维可以显著提高喷射混凝土的抗压强度和抗弯强度，这可能是由于玄武岩纤维细化了混凝土中的孔隙。李趁趁等[59]研究了玄武岩纤维的体积分数和长度对高强混凝土抗冻性能的影响，结果表明，混凝土的抗冻性随玄武岩纤维（18 mm）体积分数的增大而提高，加入玄武岩纤维可减小混凝土的表面剥落程度。然而，6、30 mm的玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响并不明显。张振雷[60]分析了玄武岩纤维素混杂纤维混凝土的力学性能，结果表明，混杂纤维的掺入使得混凝土的基本力学性能均有所提升。如图4所示，当玄武岩纤维和纤维素纤维的掺量分别为4.0、1.6 kg/m3时，混凝土的抗压、抗弯及劈裂抗拉强度分别较普通混凝土提高了13.94%、35.46%、18.75%。

ECC（工程用水泥基复合材料）全称Engineered Cementitious Composites，是一种基于微观结构和断裂力学原理而研制出的具备超高韧性和多裂缝开展机制的新型建筑材料。贾毅等[61]将PP-ECC用于桥墩的墩底塑性铰区域，使桥墩在地震作用下的抗裂性能得到显著提升。Hosseini等[62]进一步将ECC与超弹性合金结合使用，控制了桥墩在地震作用下的残余变形，并使其自复位能力得到提升。Kabir等[63]用PVA-ECC加固钢梁的受压翼缘，研究证实了ECC层在受压翼缘屈服后被压碎，从而防止了侧向扭转屈曲的发生，并使组合梁的抗弯性能得到改善。王彦平等[64]研究了PVA-ECC修补砂浆冲蚀磨损性能，确定了一种施工性良好，强度和冲蚀抗力均较高的修补砂浆配方。崔涛等[65]和任亮等[66]研究了ECC与既有混凝土结合面的黏结性能，发现ECC与既有混凝土结合面的抗剪性能强于普通混凝土，在ECC用于桥梁的修复与加固方面做了初步探索。

由于纤维在提升混凝土性能方面成效显著，纤维混凝土历来是学者们研究的热点问题之一。从目前的研究来看，高弹模纤维（如钢纤维）在提高混凝土强度方面有巨大优势，但钢纤维在混凝土中难以分布均匀，进而影响使用效果。低弹模纤维（如聚丙烯纤维）可以很好地抑制混凝土微裂缝的发展，大大增加混凝土的延性，并在ECC中获得了良好的应用。鉴于目前市面上的纤维种类、性能和价格的巨大差异，采用多种纤维混合使用的方式，以优化混凝土的各项性能，这将是未来纤维混凝土的发展趋势。此外，中国玄武岩储量巨大，发展高性能的玄武岩纤维混凝土对控制工程经济成本和发展纤维混凝土桥梁结构具有重大现实意义。

2.3 自密实混凝土

自密实混凝土（SCC）是一种在重力作用下自行密实的高流动性混凝土，它为施工操作带来了极大的方便，被称为“最近几十年中混凝土技术最具革命性的发展”。然而，由于原材料的质量控制、早期收缩开裂及经济性问题，导致自密实混凝土没有得到广泛运用。近些年，对自密实混凝土开展了大量的研究工作。Agwa等[67]将稻草灰（RSA）和棉秆灰（CSA）掺入SCC中，随着RSA和CSA比率的增加，SCC的流动性降低。相比之下，SCC的力学性能随着RSA和CSA百分比的增加而增加。张永军等[68]研究了污水处理厂污泥对SCC强度和耐久性的影响，结果表明：在0.25%～1.0%掺量范围内，污水处理厂污泥导致早期强度显著降低，但对后期的影响较小。并且随污泥掺量增加，SCC的抗氯离子渗透性逐渐增强。El Mir 等[69]评估了珍珠岩废料（WP）对SCC耐久性的影响，结果表明，这种粉末的火山灰反应和多孔性质与冻胀侵蚀引起的破坏性膨胀应力相适应，因此，其抗冻融性显著提高。Sasanipour等[70]通过增加再生细骨料的替代率大大降低了SCC对氯离子渗透的抵抗力。张立群等[71]研究了冻融和碳化共同作用下硅灰自密实混凝土的耐久性。试验结果表明：硅灰自密实混凝土的抗冻性能高于相同强度等级的普通混凝土，虽然前者的抗碳化性能略低于后者，但经过冻融作用后，前者表现出更好的抗碳化性能。Hossain等[72]通过加速腐蚀测试研究了聚乙烯醇（PVA）、橡胶屑（CR）和高密度聚乙烯（HDPE）纤维增强的SCC梁的耐久性。结果表明，与SCC-PVA和SCC-CR梁相比，SCC-HDPE梁表现出优异的耐腐蚀性。SCC-HDPE梁的钢筋质量损失较少，裂缝和剥落较少。Hossain等[73]采用两种不同的ECC与SCC深度比制成了复合梁，同时，还制作了单层SCC或ECC组成的全深度梁，以比较它们与混合复合梁的性能。与全深度SCC梁和全深度ECC梁相比，混合复合材料梁具有更高的延展性和能量吸收能力，这表明该混合复合材料适用于抗震元件。此外，混合复合梁还显示出更多的裂纹数量和更小的裂纹宽度。

随着自动化施工技术的推广和特殊环境下混凝土工程的建设，自密实混凝土的运用越来越多。在自密实混凝土中掺入固废材料可以改善其力学性能、降低经济成本。但自密实混凝土仍面临着收缩开裂等问题，这严重影响了其耐久性。此外，自密实混凝土的原材料控制技术和密实性能评价体系的欠缺也妨碍了自密实混凝土技术的发展。

2.4 自修复混凝土

自修复混凝土模仿生命系统受伤后再生自修复机理，使混凝土材料对损伤破坏具有自感知、自记忆、自诊断、自适应、自调节、自恢复和自修复等特性的智能材料。混凝土自修复技术能使混凝土表面裂缝有效愈合，改善内部结构，提高服役期间的力学性能和耐久性，在土木工程领域中发挥着重要作用。

现有的自修复混凝土有很多种，包括自然自修复混凝土、电解自修复混凝土、微生物自修复混凝土、仿生自修复混凝土和智能自修复混凝土等[74-77]。近年来，对自修复混凝土研究主要集中于自然自修复混凝土和仿生自修复混凝土两个方面。

关于自然自修复混凝土，Hong等[78]研究了高炉矿渣基水泥砂浆的自修复性能，发现自修复可使砂浆早期产生的裂缝愈合，从而抑制海洋环境中有害离子的侵入，提高结构的使用寿命。Qiu等[79]研究了自修复对ECC弯曲疲劳性能的影響，结果表明，自修复大大延长了ECC的疲劳寿命。

仿生自修复的过程为：微胶囊或微纤维破裂，修复剂流出并渗入基体裂纹中，修复剂固化并修复裂纹。其中，微胶囊外壳与基体界面粘结的问题值得关注，Lívia等[80]通过改善微胶囊外壳的亲水性能防止微胶囊与基体在外力作用下脱离，优化水泥基复合材料的自修复作用。Abir等[81]利用微胶囊基自修复混凝土进行了大尺寸户外试验。结果表明，户外试验也表现出与实验室类似的自修复过程，具体为裂纹宽度和深度降低，渗透率降低，以及强度恢复。

2.5 3D打印混凝土

3D打印混凝土技术是将3D打印技术与混凝土制备技术相结合而产生的新型应用技术。该技术运用计算机全自动控制建造过程，在数字模型的基础上，逐层打印构造三维实体，具有建筑效率高、人工成本低和建筑废料少的优点[82]。第一套3D打印多层公寓由荷兰埃因霍温理工大学建造，Salet等[83]使用埃因霍温理工大学的3D打印设备制作了一座跨度为6.5 m，宽度为3.5 m的简支梁桥（图5），满足实用要求。

3D打印混凝土技术中，打印材料的研发是重中之重。3D打印建筑材料应满足强度、流动性、凝结性和经济性要求。不仅要有较高的早期强度，较快的凝结时间，同时应具备适当的流动性及较高的可塑性。研究者们研究了3D打印混凝土的工作性[84-87]和力学性能[88-89]，并探讨了它们之间的关系[90]。Wolfs[91]等建立数值模型，具体分析了新拌打印混凝土90 min内的强度发展，并研究了各工艺参数对3D打印混凝土的粘结强度的影响。值得注意的是，地聚物除了绿色节能，还具有早强快硬的特点，Xia等[92]和Panda等[93]在地聚物应用于3D打印研究方面做了开创性工作。

3 高性能筋材

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）筋是以连续纤维为增强体、聚合物树脂为基体，经过浸润、固化等工序制备而成的新型复合材料。近年来，FRP以其高强、轻质、耐腐蚀等特性在工程中得到应用。FRP筋中纤维体积含量可达到60%，重量约为普通钢筋的1/5，强度为普通钢筋的6倍。相比于普通钢筋，FRP筋轻质高强，但其应力应变关系为线弹性，没有屈服平台，极限延伸率较低。此外，多数FRP 筋的弹性模量也要低于普通钢筋。在桥梁工程中，FRP索还可用作悬索桥的吊索及斜拉桥的斜拉索，以及预应力混凝土桥中的预应力筋[94]。

3.1 FRP筋耐久性研究

碱环境研究方面：张秀丽等[95]对4种直径的GFRP筋在40、80℃的碱溶液中进行加速老化试验，研究直径对试件表面形貌、破坏形态和抗压强度的影响。提出了碱环境中考虑尺寸效应的GFRP筋抗压强度退化模型。齐俊伟[96]开展了GFRP筋在盐碱腐蚀环境下的试验研究，推导出GFRP筋抗拉强度的退化模型和GFRP混凝土构件粘结力退化模型。

海洋环境研究方面：陈爽[97]对玻璃纤维增强复合材料筋（GFRP筋）、碳纤维增强复合材料筋（CFRP筋）与珊瑚混凝土间粘结性能进行试验研究，建立了一种适用于FRP筋珊瑚混凝土粘结滑移的本构关系模型。同时，对湿热海洋环境下FRP筋珊瑚混凝土粘结性能劣化进行研究。提出了FRP筋珊瑚混凝土在湿热海洋环境下的粘结强度折减系数计算公式。史健喆[98]通过试验分析研究了玄武岩纤维增强复合材料筋（BFRP筋）在海洋环境下的蠕变、松弛、疲劳性能，得出BFRP筋的力学性能退化机理和规律，同时，结合体外预应力BFRP筋的关键区域力学性能研究和长期性能研究，提出了BFRP筋体外预应力结构的关键参数及长期性能设计的方法。薛伟辰[99]等开展了碱环境及海水环境下GFRP筋抗拉性能的加速老化试验，通过试验对比分析了两种环境下GFRP筋的劣化机理和劣化程度。

高低温环境研究方面：李光辉[100]研究了不同高温条件作用后FRP筋的拉伸疲劳性能以及高温暴露后静载和疲劳荷载作用下FRP筋混凝土梁的抗弯性能，以及高温对不同FRP筋混凝土梁的最大裂缝宽度、刚度和剩余承载力的影响规律。提出了高温后FRP筋混凝土梁的最大裂缝宽度、刚度及剩余抗弯承载力的计算方法及FRP筋混凝土梁疲劳寿命的预测模型。李扬等[101]研究了低温下FRP筋与混凝土的粘结性能，设计研发了可实现低温下力学加载和应变测试的试验装置，对FRP筋混凝土试件进行梁式拉拔试验。徐惟雄[102]通过梁式拉拔试验对低温环境下GFRP筋与混凝土之间的粘结性能进行了研究，结果表明，随着温度的降低，在相同荷载作用下，GFRP筋与混凝土的粘结性能将随温度的下降而提高。

循环荷载环境研究方面：高建雄[103]研究建立了FRP在多种循环载荷作用情况下的剩余强度模型以及FRP在疲劳载荷和自然老化双因素环境下的剩余强度模型，提出了随机循环载荷作用下 FRP 的疲劳寿命预测方法。赵杏[104]通过BFRP复合材料拉拉疲劳试验，研究了BFRP复合材料在107次以上循环荷载作用下的疲劳特性、损伤模式和疲劳损伤线性累积规律，同时，推导出基于中长寿命（106次循环）、长寿命（107次循环）和概率分布的疲劳强度折减系数，探究了FRP拉索结构疲劳寿命可控设计方法。

耐久性理论研究方面：Liu等[105]研究了FRP复合材料在长期环境影响下的机械性能，包括水/湿气、碱性溶液、酸性溶液、低温/高温、紫外线辐射、冻融循环、湿润干燥循环和现场环境。收集了1 900多个实验确定的FRP材料的机械性能，包括拉伸、压缩、弯曲和剪切的强度与模量。讨论了每种环境影响的退化机理，并提出了相应的设计方法。

综上所述，目前FRP筋耐久性研究主要针对碱环境、海洋环境、循环荷载环境等方面，对于酸性环境、冻融循环高温、湿润干燥循环和现场环境的研究较缺乏，并且缺乏一套有效的FRP材料耐久性标准测试程序，对FRP材料耐久性进行评估还有待进一步研究。

3.2 FRP筋粘结性能研究

曾宪桃等[106]为建立相对准确的FRP-混凝土界面粘结滑移模型，提出内嵌CFRP筋加固混凝土梁界面特性研究新的试验方法，并开展了相应的试验（见图6）。司豆豆等[107]通過开展FRP筋与不同强度、韧性的ECC材料的拉拔试验，测试了FRP筋拔出承载力和端部黏结滑移，分析了FRP与 ECC材料之间的黏结滑移曲线特征以及ECC材料的强度和韧性变化对FRP-ECC黏结性能的影响。高丹盈等[108]通过对GFRP筋、GFRP钢绞线复合筋与混凝土的拉拔试验，对比分析了在不同直径、钢绞线体积率、保护层厚度和混凝土强度下GFRP筋、GFRP钢绞线复合筋与混凝土的黏结强度及破坏形态，建立了带肋FRP筋与混凝土最大黏结应力的理论模型。根据该理论模型和试验结果，提出了适用于带肋FRP筋与混凝土黏结强度的计算模型。宋金华等[109]开展了针对30种不同肋参数的GFRP带肋筋粘结性能的拉拔试验，通过试验数据分析出GFRP带肋筋与混凝土之间的粘结强度主要影响因素为FRP带肋筋表面凸肋与混凝土之间的胶着力。

从上述研究可见，对于FRP筋粘结性能仍有待进一步展开研究，对不同类型FRP筋和不同表面形式的FRP筋（光滑、凸肋、喷砂、压痕、缠绕等表面形式）与混凝土粘结机理需要进一步细化研究。

3.3 FRP筋混凝土梁性能研究

FRP筋混凝土梁抗剪性能理论研究方面：陈升平等[110]以钢纤维体积率（0%、0.5%、1.0%、0%/1.0%）为试验变量，进行了4根FRP筋钢纤维混凝土梁试件的抗剪性能试验，主要研究了梁的破坏过程、破坏形态、裂缝的发展规律以及跨中的挠度特征。李根喜等[111]进行了以玄武岩纤维体积掺量及GFRP纵筋配筋率为变量的GFRP纵筋玄武岩纤维混凝土梁受剪试验，并基于试验获得了试验梁的典型破坏特征、截面应变、跨中挠度、纵筋及箍筋应变的变化规律。韩定杰等[112]采用正交试验法分析了梁的剪跨比、纵向配筋率、截面有效高度、混凝土抗压强度对无腹筋FRP筋混凝土梁抗剪承载力的影响。

FRP筋混凝土梁抗弯性能理论研究方面：孙艺嘉等[113]基于328组FRP筋混凝土梁抗弯试验数据，系统地对比分析了规范中FRP筋梁正截面受弯承载力计算模型的准确性和离散程度，通过拟合分析，建立了FRP筋混凝土梁正截面受压区等效矩形高度x的经验公式，改进了FRP筋混凝土梁正截面受弯承载力计算公式。陈升平等[114]以钢纤维体积率与玻璃纤维增强复合材料筋（GFRP筋）和碳纤维增强复合材料筋（CFRP筋）两种筋材为试验变量，进行了6根纤维增强复合材料筋（FRP筋）混凝土构件的抗弯性能试验，用以评价钢纤维体积率对FRP筋混凝土构件的延性提升效果。彭飞等[115]开展了GFRP筋混凝土梁抗弯承载力极限状态的可靠度分析，并基于可靠度分析数据，改进了GFRP筋混凝土梁抗弯承载力的计算公式。

FRP筋混凝土梁工程实践方面：王菊蕊等[116]通过在混凝土梁中加入不同含量的FRP筋，研究FRP筋对混凝土梁抗弯性能的影响，分析了FRP筋高强混凝土梁的抗弯性能及其在T型桥梁施工中的应用。周玲珠等[117]采用压电陶瓷传感器对FRP/Steel增强混凝土梁进行损伤监测（图7）。利用时间反演法的自适应聚焦性质和良好的抗噪性质，分析四点弯曲加载下梁的损伤程度与归一化聚焦信号幅值的关系。Yuan等[118]通过钢筋混凝土抗弯理论分析，得出了FRP筋混凝土构件的应力块参数，有助于工程师使用常规的应力块方法对FRP增强混凝土构件的抗弯强度进行更准确、更方便的设计。Siwowski[119]对基于FRP复合材料的新型轻便式车行桥梁混凝土结构体系进行测试评估，并对混合FRP混凝土桥梁设计提出相应建议。

从上述研究可见，目前，主要对FRP筋混凝土构件的受力性能及承载力的计算方法进行研究，缺乏对FRP筋混凝土结构体系整体的受力分析研究，同时，现行规范中FRP筋构件承载力计算方法相对保守，需进一步完善。

3.4 FRP筋混凝土板/柱性能研究

FRP筋混凝土板方面：陈佳醒等[120]研究了碳纤维增强复合材（CFRP） 不同配筋率以及受压区配置BFRP栅格约束下活性粉末混凝土（RPC）单向板的抗弯性能。张黎飞等[121]对GFRP筋、BFRP筋水泥基复合筋材桥面连接板和钢筋增强桥面连接板的工作性能、裂缝发展、应变及变形能力进行对比研究，针对GFRP筋连接板设置低配筋率对照组，研究其对整体性能的影响（图8）。王国强等[122]对GFRP筋混凝土板在适筋及适量超筋两种配筋设计情形下的正截面抗弯承载力计算公式进行了推导和验证。

FRP筋混凝土柱方面：邓宗才等[123]研究了配筋率、偏心距和混杂配筋面积比对混凝土柱的破坏形式、侧向位移和正截面承载力的影响，建立了混杂配筋柱正截面承载力计算公式。彭飞等[124]研究推导出FRP筋混凝土偏压柱的弯矩放大系数修正计算公式和FRP筋混凝土柱正截面承载力计算公式，建立了FRP筋混凝土偏压柱承载力计算公式。

从上述研究可见，目前，不同类型FRP筋的混凝土板/柱力学性能及计算方法研究相对较少，工程应用实践不足，有待进一步研究。

3.5 其他FRP筋构件性能研究

预应力构件方面：史健喆等[125]针对体外预应力BFRP筋，提出一种可减小BFRP筋锚固端应力集中的组装式同源材料夹片锚具，同时，优化了体外预应力BFRP筋在转向区域的转向角度与转向半径。程君[126]通过试验研究提出了体外预应力CFRP筋混凝土连续梁疲劳寿命分析的“两阶段”疲劳寿命理论预测法。

加固混凝土构件方面：Carter[127]使用三维有限元分析了3个已经试验过的BFRP筋加固混凝土梁，提出了一种BFRP混凝土梁非线性有限元分析的校准模型，以考虑其准确性和计算效率来预测其响应。Zhou等[128]提出了一种改进的有限差分法来预测爆炸工况下FRP筋混凝土构件的动力响应。

从上述研究可见，目前研究者对FRP筋的多方面应用进行了不断的探索和创新，但FRP筋混凝土结构的力学理论还不完善，对FRP筋的多方面应用尚显存在制约。

3.6 FRP筋混凝土构件抗震性能研究

江世永等[129]研究了CFRP筋高韧性纤维混凝土柱的可修性能，并对加固修复后的CFRP筋高韧性纤维混凝土柱的抗震性能进行了研究。邓宗才等[130]通过试验研究了体积配箍率、轴压比、剪跨比和纵筋种类等因素对GFRP筋混凝土柱抗震性能的影响，并将规范抗剪承载力计算方法得出的理论值与试验值进行对比。Jia等[131]进行了FRP /钢双筋桥墩抗弯承载力设计方法的研究，同时，对FRP /钢双筋桥墩抗震性能进行了评估。Cai等[132]对BFRP筋增强预制分段桥墩（FSR-PSBC）的抗震性能进行了研究，并且分析了在循环荷载环境下FRP筋与钢筋的配置比例变化对FSR-PSBC构件力学性能的影响。

从上述研究可见，目前FRP筋混凝土构件抗震性能的研究主要集中在混凝土柱方面，对梁、板等构件的抗震性能研究不多，同时，也缺乏对FRP筋结构体系整体抗震性能的研究，需要通过更加深入的研究来形成一套完整的抗震设计体系。

4 热点与展望

专门针对纯混凝土桥的研究正在逐年减少，大多桥梁工程方向的文献都趋于交叉学科研究。关于混凝土桥方向的未来发展，可从以下几个方面开展工作：

1）混凝土桥领域相关基础理论和方法的继续完善与拓展研究，如：抗剪及抗裂理论研究、适用于OPC和HPC的基于性能的试验方法研究、长期侵蚀环境下混凝土性能劣化非加速试验方法设计研究（目前很多加速试验存在结论不准确的问题）、混凝土桥梁可靠性评估及寿命预测研究、极端环境下混凝土桥的运营性能及性能劣化研究等。

2）高性能混凝土桥梁研究，如：全UHPC桥梁（例：美国的爱荷华州的马斯希尔桥，英文：Mars Hill Bridge）、含高韧性构件的桥梁、以纤维复合混凝土为基材的桥梁、完全无钢筋的复合材料增强混凝土桥梁等。

3）新型混凝土材料及其桥梁研究，如：太空混凝土及其桥梁研究（为月球、火星空间站建设提前做准备）、智能混凝土及其桥梁研究（裂缝自修复混凝土桥等）、水下混凝土及其桥梁研究（海洋内部漂浮景观桥梁等）。

4）混凝土桥发展新理念研究，如：混凝土桥+智能设备研究（混凝土桥+智能张拉設备、混凝土桥+智能检测设备等）、混凝土桥+5G理念研究（混凝土桥+大数据、混凝土桥+云平台等）、生态混凝土桥理念研究（混凝土桥梁+环境学+生态学交叉学科研究）等。

5）混凝土桥的仿真分析研究，如：基于整体及局部的精细化分析模型研究、混凝土桥分析软件集成开发研究、BIM在混凝土桥梁中的应用研究等。

6）廢旧混凝土桥预后研究，如：废旧混凝土桥的爆破及非爆破拆除方法研究（环境污染、噪声阻断及周边振动抑制等）、废旧混凝土桥的材料和构件回收及其再利用研究（筋材回收、降级使用及制作景观饰品）。

7）新型混凝土材料对多种极端环境耦合作用下的适应性研究及材料与结构协同全寿命期设计理论和方法研究。

8）新材料与结构结合方面的研究，如超高弹性和韧性的混凝土新型材料在无缝混凝土桥方面的应用，解决伸缩缝破坏及行车过程中的跳车问题。

9）绿色混凝土将围绕节约资源、降低排放和智能化等方面开展研究。如，激发具有潜在活性的无机固废物的活性，开发碱激发混凝土;研究再生骨料混凝土力学性能的改善和提高循环利用率;开发性能自感知、自调节及自修复等智能性混凝土。

10）鉴于纤维的性能和价格差异较大，目前多倾向于多种纤维混合使用的方式，以综合优化混凝土的多方面性能。自密实混凝土在钢筋密集、振捣困难以及不需要振捣的工程结构中都可取得较好的技术和经济效果。今后如何量化和保证自密实混凝土的性能将仍然是自密实混凝土研究的重点。参考文献：

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（編辑 王秀玲）