快硬UHPC的研發(fā)及其在道路快速維養(yǎng)工程中的示范應(yīng)用

周淵 ，王雄，秦廉，李歡歡，黃嵐，陳黎安，張躍明，徐月梅

（1.上海城建物資有限公司，上海 200438；2.上海市浦東新區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海 200127；3.上海住總工程材料有限公司，上海 210204）

近年來(lái)，我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)得到快速發(fā)展，但是由于外部影響因素作用，城市基礎(chǔ)設(shè)施的老化速度正在加劇，配套混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命大幅縮短，20世紀(jì)末建成的混凝土結(jié)構(gòu)即將迎來(lái)修補(bǔ)加固高峰期。在城市快節(jié)奏發(fā)展和高交通壓力的背景下，如何快速實(shí)現(xiàn)老舊混凝土結(jié)構(gòu)的低影響、高質(zhì)量、高耐久修補(bǔ)加固是目前亟待展開(kāi)研究的課題。

快速修復(fù)材料方面，目前國(guó)內(nèi)多采用硫鋁酸鹽類(lèi)水泥作為主要原材料[1]，但其本身具有諸多缺陷，如收縮大、裂縫明顯、后期強(qiáng)度倒縮、可操作時(shí)間不易調(diào)控、對(duì)工況條件敏感性高等。這些缺陷導(dǎo)致該類(lèi)修補(bǔ)混凝土不利于實(shí)際施工及工程耐久性[2]?，F(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備方面，目前主要依靠傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)攪拌的方式，通常為0.1～0.3 m3/次，攪拌和施工效率低下，需借助多臺(tái)作業(yè)設(shè)備和人海戰(zhàn)術(shù)，同時(shí)產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵，只能適應(yīng)小面積的施工作業(yè)。針對(duì)大規(guī)模工程需求，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種移動(dòng)式儲(chǔ)料、攪拌、澆筑作業(yè)一體化作業(yè)車(chē)，但是其最大容量?jī)H為7 m3/車(chē)，據(jù)了解，該設(shè)備為螺桿攪籠攪拌方式，無(wú)法有效保證連續(xù)攪拌時(shí)的混凝土拌合物勻質(zhì)性及質(zhì)量穩(wěn)定性。

基于課題組關(guān)于UHPC材料特性和研究基礎(chǔ)，本項(xiàng)目采用硅酸鹽水泥體系，通過(guò)添加特殊的礦物摻合料和緩凝劑，成功開(kāi)發(fā)了一種快硬UHPC材料，結(jié)合試制的專(zhuān)用車(chē)載集成式攪拌設(shè)備，研究成果已成功應(yīng)用于上海市浦東新區(qū)張楊路道路快速維養(yǎng)工程（窨井蓋的快速更換），通過(guò)本次示范工程應(yīng)用，可進(jìn)一步提升快速修補(bǔ)和加固工程的技術(shù)水平，降低對(duì)城市運(yùn)行節(jié)奏的影響[3]，大幅延長(zhǎng)城市基礎(chǔ)設(shè)施的服役壽命。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

鋼纖維：體積摻量1.5%，其中0.20 mm直徑鋼纖維摻量1.0%、0.12 mm直徑鋼纖維摻量0.5%，于快硬UHPC干粉料加水?dāng)嚢杈鶆蚝筇砑印?/p>

1.2 攪拌方法

實(shí)驗(yàn)室采用行星式膠砂攪拌機(jī)，以1 L拌合物為例：稱(chēng)取2200 g干粉料倒入攪拌鍋，加入95 g水?dāng)嚢? min（慢速攪拌2 min、快速攪拌1 min），切換至慢速攪拌，向攪拌鍋中緩慢加入117 g鋼纖維（直徑0.20 mm鋼纖維78 g、直徑0.12 mm鋼纖維39 g），添加鋼纖維的時(shí)間為30～60 s，繼續(xù)慢速攪拌3 min后出鍋。

2 快硬UHPC的性能

2.1 拌合物性能

2.1.1 流動(dòng)度

由于UHPC拌合物不含粗骨料，因此采用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法（ISO法）》中的截椎模進(jìn)行流動(dòng)度和黏度的表征（見(jiàn)圖1），分別記錄砂漿流動(dòng)度擴(kuò)展至260、300 mm所需的時(shí)間T260、T300，以及30、120 s時(shí)對(duì)應(yīng)的流動(dòng)度F30、F120?？煊睻HPC的流動(dòng)度見(jiàn)表1。

圖1 UHPC的流動(dòng)度和黏度

表1 快硬UHPC的流動(dòng)度

本項(xiàng)目研發(fā)的快硬UHPC不僅具有優(yōu)異的流動(dòng)性，通過(guò)對(duì)測(cè)試方法的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了拌合物黏度和可操作時(shí)間的定量化評(píng)判，性能指標(biāo)完全符合快速維養(yǎng)施工需求，本項(xiàng)目的研發(fā)數(shù)據(jù)和測(cè)試方法可為今后大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的質(zhì)量穩(wěn)定性管控以及快速檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

2.1.2 可操作時(shí)間及硬化情況

由于UHPC拌合物內(nèi)存在大量鋼纖維，采用GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》中的凝結(jié)時(shí)間測(cè)試方法，如針入儀和貫入阻力儀均無(wú)法準(zhǔn)確表征，因此本文采用拌合物溫度監(jiān)測(cè)的方法（見(jiàn)圖2）判定拌合物的可操作時(shí)間，即拌合物從加水時(shí)間算起到失去工作性的時(shí)間（接近初凝時(shí)間），經(jīng)過(guò)大量溫度曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果以及拌合物硬化情況觀(guān)察，典型代表數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3和表2。

在室外拾音必須提前做好錄音設(shè)備檢查，攜帶好錄音器材。當(dāng)遇到過(guò)強(qiáng)聲音時(shí)，為避免錄音機(jī)輸入的過(guò)載，造成失真不能使用?？梢允褂锰崆皽?zhǔn)備的小型衰減器，控制傳聲器與聲源的距離角度。還要注意有用信號(hào)和噪聲的關(guān)系，為了使錄到的聲音不被周?chē)脑肼曆谏w，必須注意傳聲器與有用信號(hào)的距離，設(shè)法減弱無(wú)用噪聲的比例，比如讓傳聲器遠(yuǎn)離噪聲源或者用吸聲材料做適當(dāng)?shù)母袈曁幚淼?。注意防風(fēng)，加裝防風(fēng)罩或其他方法，減少對(duì)傳聲器的影響。

圖2 溫度監(jiān)測(cè)記錄儀

圖3 拌合物溫度曲線(xiàn)及可操作時(shí)間對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)

表2 拌合物可操作時(shí)間及凝結(jié)硬化情況

由圖3和表2可以最終確定，當(dāng)拌合物上升1 ℃時(shí)，溫度曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，此刻拌合物即將失去流動(dòng)性，該時(shí)間即為拌合物可操作時(shí)間；當(dāng)溫度上升2 ℃時(shí)，已經(jīng)基本接近初凝狀態(tài)，隨之快速達(dá)到終凝狀態(tài)，試塊顏色變白、開(kāi)始發(fā)熱；終凝后的1～2 h為強(qiáng)度快速發(fā)展期，試塊大量釋放熱量，溫度曲線(xiàn)達(dá)到峰值后開(kāi)始回落。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗壓、抗折強(qiáng)度

參照GB/T 17671—1999，成型40 mm×40 mm×160 mm膠砂試塊進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 快硬UHPC不同齡期的強(qiáng)度變化

由表3可見(jiàn)：

（1）2 h～1 d強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。快硬UHPC早期強(qiáng)度發(fā)展主要集中在終凝以后的1～2 h，隨后進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，該特性對(duì)于擾動(dòng)工況快速施工時(shí)，將施工和車(chē)輛擾動(dòng)對(duì)水化進(jìn)程的影響降至最低，2 h抗壓強(qiáng)度可達(dá)39.8 MPa，2 h抗折強(qiáng)度高達(dá)11.7 MPa。

（2）1～28 d強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律?？煊睻HPC在數(shù)小時(shí)內(nèi)強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，隨后即進(jìn)入較為穩(wěn)定的強(qiáng)度增長(zhǎng)，1～28 d強(qiáng)度發(fā)展空間較大。28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)到162.2、37.4 MPa。

（3）長(zhǎng)齡期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及R90/R28系數(shù)?？煊睻HPC的強(qiáng)度保留系數(shù)R90/R28為105.1%，180 d依然有小幅增長(zhǎng)，更長(zhǎng)齡期強(qiáng)度以及中試成型構(gòu)件的鉆芯取樣強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律還在持續(xù)進(jìn)行中。

2.2.2 抗拉強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

根據(jù)CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法》以及T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，快硬UHPC的抗彎及軸心受拉（50 mm×100 mm截面）曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 快硬UHPC的彎曲韌性曲線(xiàn)

圖5 快硬UHPC的軸心抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

由圖4、圖5可見(jiàn)，本研究制備的快硬UHPC表現(xiàn)出優(yōu)異的彎曲韌性和抗拉性能，其抗彎強(qiáng)度平均值為13.5 MPa，抗拉強(qiáng)度峰值為5.8 MPa。在彎曲韌性方面，其彎曲韌性系數(shù)I5、I10、I20分別為5.2、11.2和24.6，荷載-撓度曲線(xiàn)較為飽滿(mǎn)，因此具有較高的韌性。受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)也較為理想，即經(jīng)過(guò)彈性段達(dá)到峰值后曲線(xiàn)呈緩慢下降趨勢(shì)，因此表現(xiàn)出較為優(yōu)異的抗拉性能。相較于普通混凝土或傳統(tǒng)快速修復(fù)材料而言，勢(shì)必可具有更高的結(jié)構(gòu)性能和服役壽命。

3 示范工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本次示范工程道路快速維養(yǎng)項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)金口路靠近張楊路，修復(fù)部位之前采用的是老款窨井蓋，加上混凝土老化及常年過(guò)往車(chē)輛行駛碾壓，窨井蓋周邊混凝土板塊已經(jīng)出現(xiàn)明顯凹陷、開(kāi)裂和破損（見(jiàn)圖6），嚴(yán)重影響駕乘舒適感和市容市貌，因此亟待更換。但是施工位置處于學(xué)校、商場(chǎng)、居民區(qū)附近繁忙交通路段，若采用普通混凝土，需養(yǎng)護(hù)7 d甚至更久，勢(shì)必影響周邊居民和車(chē)輛的出行；若采用傳統(tǒng)快硬材料，由于其脆性大、易開(kāi)裂和質(zhì)量不穩(wěn)定性等因素，結(jié)合修復(fù)部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，往往可能出現(xiàn)反復(fù)維養(yǎng)的問(wèn)題。

圖6 破損待修復(fù)部位

為最大程度減少道路施工對(duì)交通的影響，避開(kāi)早晚交通壓力高峰時(shí)段，混凝土施工窗口期僅有數(shù)小時(shí)?；谡n題組前期大量試驗(yàn)研究和中試驗(yàn)證基礎(chǔ)上，最終采用課題組研發(fā)的2 h快硬UHPC材料，并配備專(zhuān)用車(chē)載移動(dòng)式攪拌作業(yè)設(shè)備施工作業(yè)，澆筑后2 h即可恢復(fù)開(kāi)放交通。鑒于UHPC具有極高的抗壓、抗拉、抗彎、耐沖擊、耐磨、耐腐蝕等性能，可望大幅提高本次修復(fù)部位窨井蓋及周邊混凝土整體受力情況并大幅延長(zhǎng)其服役壽命。

3.2 施工流程

本次道路施工開(kāi)挖面積約3.3 m2（見(jiàn)圖7），UHPC澆筑量為0.6 m3，混凝土施工僅耗時(shí)數(shù)小時(shí)，施工流程與節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖8。

圖7 施工現(xiàn)場(chǎng)（開(kāi)挖并更換新式窨井蓋）

圖8 更換道路窨井蓋快速施工流程

3.3 施工過(guò)程及結(jié)果表現(xiàn)

（1）攪拌

本次采用的UHPC車(chē)載移動(dòng)式攪拌系統(tǒng)采用強(qiáng)制行星式攪拌主機(jī)，并集成了投料操作平臺(tái)、水箱、高精度水計(jì)量系統(tǒng)、鋼纖維振動(dòng)分散下料裝置、水箱、清洗設(shè)備、除塵裝置、控制主機(jī)、出料料斗和軌道等諸多裝置和功能于一體（見(jiàn)圖9），額定出料容量為375 L，每次攪拌UHPC干粉料500 kg（約230 L），單次攪拌耗時(shí)僅為15～20 min，拌合物狀態(tài)優(yōu)異、鋼纖維分散均勻，制備效率較高，相較于常規(guī)攪拌設(shè)備，在減少勞動(dòng)作業(yè)人員數(shù)量和工作強(qiáng)度、拌合物質(zhì)量和攪拌效率方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）澆筑

本次澆筑量約0.60 m3，分3次攪拌和澆筑（見(jiàn)圖10），由于UHPC內(nèi)部自由水非常低，施工環(huán)境相對(duì)濕度較低（50%～60%），若不采取必要措施澆筑表面由于失水作用必將會(huì)產(chǎn)生明顯的“起殼”和澆筑冷縫現(xiàn)象。根據(jù)前期中試經(jīng)驗(yàn)，分次澆筑后即刻均勻噴灑保水劑[見(jiàn)圖10（b）]，加上拌合物具有足夠的可操作時(shí)間（實(shí)測(cè)約40 min），上述現(xiàn)象在本次施工過(guò)程中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，澆筑質(zhì)量?jī)?yōu)異。

（3）硬化及2 h強(qiáng)度

圖9 快硬UHPC的攪拌設(shè)備及拌合物出機(jī)狀態(tài)

圖10 快硬UHPC的澆筑過(guò)程

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)，最后一盤(pán)澆筑后約40 min開(kāi)始凝結(jié)微微發(fā)熱[見(jiàn)圖11（a）]、隨后澆筑部位開(kāi)始快速硬化并變白，1 h左右可上人[見(jiàn)圖11（b）]，現(xiàn)場(chǎng)成型試塊2 h抗壓強(qiáng)度為33.4 MPa、抗折強(qiáng)度11.7 MPa，完全可滿(mǎn)足道路開(kāi)放要求。

圖11 快硬UHPC硬化狀態(tài)

（4）道路開(kāi)放交通

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)成型試塊測(cè)試結(jié)果，經(jīng)養(yǎng)護(hù)2 h后于當(dāng)日15：30準(zhǔn)時(shí)開(kāi)放[見(jiàn)圖12（a）]，施工質(zhì)量符合預(yù)期，車(chē)輛平穩(wěn)行駛通過(guò)[見(jiàn)圖12（b）]，后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)成型試塊長(zhǎng)齡期強(qiáng)度發(fā)展及耐久性測(cè)試表現(xiàn)，持續(xù)跟蹤修復(fù)部位的長(zhǎng)期服役表現(xiàn)。

圖12 道路開(kāi)放現(xiàn)場(chǎng)照片

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研發(fā)的2 h快硬UHPC材料的性能符合預(yù)期，研究過(guò)程中提出的測(cè)試方法對(duì)于產(chǎn)品性能快速檢驗(yàn)并保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用；開(kāi)發(fā)的車(chē)載集成式作業(yè)系統(tǒng)也為本次示范工程應(yīng)用提供了生產(chǎn)保障；經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目的研究和示范應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)UHPC材料在市政基礎(chǔ)設(shè)施的建造與維養(yǎng)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。