公路超高性能混凝土(UHPC)护栏

　　1.研究背景

　　我国道路交通安全事故呈逐年上升趋势，交通安全形势依然非常严峻。据统计，我国发生在高速公路的交通事故中，约30%是车辆与护栏发生碰撞或者直接越出道路，由此造成的特大型交通事故占该类事故的比例约达到62%。依据现行《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017)和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)中关于中央分隔带护栏的规定，并参照我国已通车高速公路和一级公路的运营经验，对于大型车辆所占比例较大的路段宜用混凝土护栏。现有混凝土护栏主要为钢筋混凝土，设计抗压强度一般为C30―C40，常见的施工工艺主要有现场浇筑、滑模施工以及预制拼装。其中现场浇筑式混凝土护栏通常采用现场绑扎钢筋、模板安装以及混凝土浇筑的制作方式，大量的钢筋运输和加工作业既费时又费力，极大地增加了项目的施工工期和生产成本;而滑模施工虽然整体速度较快，但护栏外观质量及耐久性难以保证;如果全部采用装配式预制件工艺，由于预制混凝土自重较大，势必会导致运输成本和施工难度的增加，得不偿失。此外，钢筋混凝土耐久性较差，由于冰冻、碳化、除冰盐等劣化作用极易使其表层脱落，内部的钢筋裸露腐蚀，尤其在我国北方地区，通常会在特定的路段和一些区域抛洒除冰盐以清除道路积雪，其中氯离子会导致混凝土保护层脱落，钢筋锈蚀等问题产生。这样不仅影响道路桥梁的美观性，而且还会导致其防撞等级降低，即使后期修复也无法从根本上解决问题。

　　基于上述传统混凝土护栏形式现存的施工困难和经济成本过高等因素，提出了一种新型半装配式的高强混凝土护栏——公路超高性能混凝土(UHPC)护栏(以下简称“UHPC护栏”)，该产品利用超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，以下简称“UHPC”)材料特有的性能优势可实现护栏自防腐、耐冲击等功能，结构内部可选择性的填充固废基素混凝土，降低水泥、砂、石等资源的消耗，实现固废材料的资源化利用。产品形成了多项关键技术并成功应用于山西省汾阳至石楼高速公路工程新建项目，可促进道路交通安全设施和建筑材料的绿色协同发展。

　　2.创新点与产学研融合模式

　　(1)创新点

　　公路UHPC护栏是一种适用于公路中央分隔带的新型混凝土护栏，由外部防护层、内部填充体和传力杆、连接杆构成。外部防护层为UHPC材料，内部填充体为普通混凝土或固废基混凝土材料。该护栏采用半装配化施工方式，将工厂化预制的中空薄壁结构运至施工现场拼装完成，再浇筑普通混凝土或固废基混凝土，节段间设置连接杆或传力杆。外部防护层采用工厂化预制，充分发挥了UHPC高强、高韧、高耐久特性，有效保证了产品尺寸精度及质量，大幅减少运输成本、提高工作效率;内部填充体可因地制宜地选择固废基混凝土材料，实现了固废资源的回收再利用，全面响应国家绿色平安交通和“双碳”政策，社会、经济及环保效益显著。UHPC护栏创新性提出了一种“半装配”式混凝土护栏结构，实现了护栏施工工艺的革新，有效解决了以下问题：

　　①现浇护栏现场绑扎钢筋所带来的工序繁琐、劳动量较大、环境污染等问题;

　　②预制护栏自重大，生产效率、运输效率、安装效率低以及对于大型安装设备需求量大，安全隐患多等问题;

　　③滑模法施工造成混凝土表观质量与现场线型差等不足。

　　公路UHPC护栏结合现有护栏施工工艺的优势，优化出一种新型的半装配式施工工艺，有效推动了公路交安设施的技术创新进程。

　　(2)产学研融合模式

　　公路UHPC护栏是由山西省交通新技术发展有限公司和山西省交通科技研发有限公司依托于山西省交通运输厅自筹科研项目与山西交通科学研究院集团科技创新发展项目开发的交通安全设施产品，前期科研经费总投入1370万元。目前已完成公路UHPC护栏的材料研发、仿真计算和结构优化设计，申请了公路UHPC护栏及材料相关发明专利11项，发布了公路UHPC护栏相关地方标准，实现了公路UHPC护栏在交通安全领域的首次落地应用，建成占地面积18000m2智能化生产车间，年产能约200000延米，实现了护栏批量化生产。项目研发过程中，形成以下关键技术：

　　①采用计算机仿真技术，建立了产品的测试-表征-分析-评价体系。

　　②开发出高性能、全系列、经济效益显著的本土化UHPC材料。

　　③设计出一种抽芯式模具，实现了UHPC护栏薄壳式结构工厂标准化预制。

　　④针对公路UHPC护栏结构尺寸、材料属性及模具周转效率，建立公路UHPC护栏特有的工艺制度。

　　基于上述关键技术，并立足于山西省公路养护技术创新中心与山西省公路养护中试基地两大平台，建成了全国首条UHPC护栏预制生产线，年产能达200000延米，实现了护栏批量化生产，主要生产设备如下：

　　①模板快速拆装系统。基于UHPC护栏外部防护层的特殊中空薄壁结构，重新设计护栏工厂化预制生产的专用模板，采用抽芯拆模的方式配合相应的机械臂和电控小车实现构件模板的快速拆装。

　　②智能搅拌布料系统。采用自研超高性能混凝土行星式搅拌机，下方直接布料装置，原材料通过电控、螺旋、气泵等装置自动装填，通过计算机编程可实现混凝土的智能化搅拌和精准计量。

　　③流水线集成控制系统。UHPC护栏预制件的加工制造为全自动化流水线模式，通过轨道搭载可移动模板和液压推动杆来实现混凝土布料-收面-蒸养-拆模-吊装-运输-清模-合模的循环一体化生产;采用PLC自动化控制生产速度，协调生产线各步骤的动作;采用液晶显示触摸屏人机界面，实现人与PLC的交互。

　　④产品高效运移系统。产品高效运移系统由机械固定装置、运输装置和翻转设备三部分组成，采用遥控器无线控制的方式，可实现构件运移过程中的精准定位，提高运移效率。

　　公路超高性能混凝土(UHPC)护栏从设计概念的提出，到护栏的产业化生产历时两年，于2024年在山西境内汾石高速进行了推广应用。汾石高速为汾阳-石楼高速公路简称，是山西省吕梁市境内的一条省级高速公路，起于汾阳市，终于石楼县。该项目建设里程K0+000至K81+620，全长82.364km，其中规划混凝土护栏52554.72延米，全部采用公路UHPC护栏，护栏形式为SBm级分设式中央分隔带护栏，已于2024年12月建成通车。

　　3.产品优势

　　(1)经济效益

　　在护栏耐久性提升的基础上，降低现有护栏全寿命周期成本约35%。主要体现在以下几个方面：①相较于现浇混凝土护栏，公路UHPC护栏内部填充为普通混凝土或煤矸石固废基混凝土，不使用钢筋，降低了钢筋本身的材料成本与绑扎成本;②相较于预制混凝土护栏，公路UHPC护栏有效降低自重近75%，提升运输效率近80%，节约了大量的重型起重设备的租赁费用;③相较于滑模施工，省去了现场绑扎钢筋以及防腐涂装等工序，具有拼装效率高、人工投入少、机械台班消耗小、成品线型好等优势，可满足面层机械化快速摊铺的要求，有效缩短工期20%～30%;④凭借UHPC材料高耐久性的特点，降低后期维护更换频率，大幅度延长服役周期。

　　(2)社会效益

　　公路UHPC护栏，是对现有护栏的技术革新，带来的社会效益主要体现在以下：①采用新的材料、引发新的施工工艺，是对传统钢筋混凝土结构的一种优化与提升，有效推动了公路行业对于新材料、新结构的认知，加速行业进步的脚步。②公路UHPC护栏由于其具有较优异的耐久性，尤其是在北方地区，可有效抵抗冻胀或除冰盐对于护栏结构的破坏，有效缓解护栏“三年一小修，五年一大修”所带来的经济损失与资源损耗，提升社会对于工程质量的认可程度。③UHPC护栏采用半装配式施工工艺，外壳运抵现场后进行内部充填。经过试验验证与论证，可就地采用工业或煤基固废进行填充，在有效降低砂石等原材新开采量的同时，消纳大量的固废，减轻企业的处置负担。

　　4.应用前景

　　截至2023年底，全国高速公路总里程达18.4万公里，山西省高速公路总里程突破6300公里，“十四五”期间公路新建改扩建与养护项目稳步推进，公路UHPC护栏具有广阔的应用前景。产品山西省汾石高速的成功应用，得到了护栏施工单位与使用单位的认可，后续将在太旧改扩建、黎霍等高速公路进行推广，并已与北京、山东、福建、广东等多地的交通运输企业展开技术交流与商务洽谈，为推动UHPC护栏在公路市场的推广应用奠定了良好基础。