超高性能混凝土在橋面維修中的應(yīng)用及改進(jìn)研究

翁麗花

（莆田市公路事業(yè)發(fā)展中心涵江分中心，福建 莆田 351100）

0 引言

隨著公路橋梁運(yùn)營(yíng)年限及交通量的增長(zhǎng)，橋面病害日漸產(chǎn)生，為保持結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和整體性，水泥混凝土橋面的修復(fù)基本采用原有面層類型。而普通水泥混凝土施工存在養(yǎng)生期長(zhǎng)、對(duì)交通影響大、新舊混凝土結(jié)合部位薄弱等缺陷，為了縮短通車時(shí)間，降低橋面維修對(duì)交通通行的影響，提高修復(fù)質(zhì)量，研發(fā)快速、高效的混凝土材料和技術(shù)，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

超高性能混凝土因擁有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能而受到工程師的關(guān)注。目前已在橋梁、高層建筑、海港工程及有特殊功能要求的工程建筑領(lǐng)域中得到應(yīng)用，且以橋梁應(yīng)用最多。其早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度高，與舊混凝土黏結(jié)良好，具備良好的防水功能、抗沖擊和耐磨性能。在對(duì)早強(qiáng)有較高需求的混凝土橋面或路面修復(fù)工程中展開應(yīng)用，具有施工簡(jiǎn)單便捷，養(yǎng)護(hù)期短，可顯著縮短通車時(shí)間，修復(fù)后的路面強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。UHPC 修補(bǔ)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提升水泥混凝土路面開裂破損的修復(fù)效率，提高路面的強(qiáng)度和耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要作用。

1 超高性能混凝土的配制機(jī)理

1.1 材料組成及配制

不同于普通混凝土，UHPC 組成材料中不含粗骨料，采用較低的水膠比（小于0.25），摻加了較多的短切纖維，其經(jīng)典組成包括水泥、微硅粉、高效減水劑、石英砂（粉）、短切纖維、水。隨著UHPC 配制技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常選擇替代材料配制新型UHPC，如摻入細(xì)石、本地石粉、細(xì)粉煤灰、稻殼灰、礦渣等，降低成本的同時(shí)也更有利于環(huán)保。為了進(jìn)一步提高UHPC 的某些性能，不少學(xué)者對(duì)引入納米材料和混凝土外加劑進(jìn)行研究。

隨著UHPC 制備理論的成熟，應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，UHPC 進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化階段。商業(yè)化的UHPC 產(chǎn)品基本上以預(yù)混料方式提供，現(xiàn)場(chǎng)只需按要求比例加水（和另外包裝的液體外加劑，如采用液體外加劑）、纖維（如纖維為獨(dú)立包裝，以及增加使用的骨料）攪拌均勻即可制備。工廠化生產(chǎn)的UHPC 使用方便、質(zhì)量更好保證，但成本會(huì)更高點(diǎn)。當(dāng)需要現(xiàn)場(chǎng)配制UHPC 時(shí)，須按照性能要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)并驗(yàn)證。

1.2 配制原理

材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、微觀孔隙結(jié)構(gòu)和微裂縫的存在均會(huì)影響混凝土的宏觀力學(xué)性能，超高性能混凝土配制的基本原理就是通過提高組分的活性與細(xì)度，減少材料微觀缺陷，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，提高均勻性和密實(shí)度。

UHPC 的制備技術(shù)為：

1.2.1 剔除粗骨料，限制細(xì)骨料粒徑（顆粒粒徑一般小于1mm，大于1.25mm 的粒徑比例不大于5%），提高了材料的均勻性，改善UHPC 基體的內(nèi)部缺陷。

1.2.2 優(yōu)化細(xì)骨料的級(jí)配，提高顆粒的堆積密度，增大基體的密實(shí)度。

1.2.3 摻入硅粉、粉煤灰等超細(xì)活性礦物細(xì)粉，發(fā)揮微粉填充效應(yīng)，從而使整體達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，進(jìn)一步提高勻質(zhì)性和致密性，并通過化學(xué)反應(yīng)生成水化硅酸鈣等凝膠，對(duì)混凝土起到增強(qiáng)作用，同時(shí)降低孔隙率、減小孔徑，改善微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.4 摻入能與活性組分較好相容的高效減水劑，降低水膠比，從而使?jié){體坍落度大、黏性大、泌水量低，因此獲得良好的工作性、填充性、可泵性和穩(wěn)定性。

1.2.5 通過添加短切微細(xì)纖維，減緩材料內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，從而顯著提高材料的韌性和延性。

1.2.6 引入納米級(jí)材料和混凝土促凝劑、膨脹劑等外加劑，提高微觀結(jié)構(gòu)致密性，加速水泥水化反應(yīng)，降低UHPC 自收縮，進(jìn)一步提高UHPC 的強(qiáng)度和耐久性。

2 超高性能混凝土的特點(diǎn)

2.1 UHPC 的性能特點(diǎn)

UHPC 的優(yōu)良性能主要有：超高強(qiáng)（抗壓強(qiáng)度不低于100MPa）、高韌性（具有受拉狀態(tài)的韌性，開裂后仍保持抗拉強(qiáng)度不低于5MPa）、高抗?jié)B性（高耐久性的關(guān)鍵性能）、高體積穩(wěn)定性（低干縮、低徐變、低溫度變形和高彈性模量）和良好的施工性（高流動(dòng)性、高黏聚性、自密實(shí)性）。表1 給出了UHPC 與普通混凝土的主要力學(xué)和耐久性指標(biāo)對(duì)比。

表1 UHPC 與普通混凝土的主要力學(xué)和耐久性指標(biāo)對(duì)比

2.2 優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 UHPC 適合建造“細(xì)、薄、巧、輕”的混凝土結(jié)構(gòu)，能有效減小建筑尺寸或提高跨越能力，有助于美觀且節(jié)約空間。雖然其初期投入較大，但由于結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能提高，后期維護(hù)保養(yǎng)成本降低，服役期限延長(zhǎng)，從全壽命成本分析，其經(jīng)濟(jì)性具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 在惡劣自然環(huán)境中，結(jié)構(gòu)壽命是普通高性能混凝土的兩倍以上，與鋼結(jié)構(gòu)相比，配筋的UHPC梁能達(dá)到鋼梁的水平，耐久性與耐火性能具有顯著的優(yōu)勢(shì)，且造價(jià)會(huì)更便宜。

2.2.3 早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度高，與普通混凝土界面之間的黏結(jié)強(qiáng)度高、黏結(jié)性能穩(wěn)定，能與舊混凝土共同受力，在橋面和路面維修加固中有著巨大的應(yīng)用潛力。

2.3 缺點(diǎn)

2.3.1 超高性能混凝土因膠材用量大，水膠比較低，而表現(xiàn)出較高的自收縮，易產(chǎn)生開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 目前還沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)體系正在建立、發(fā)展。

2.3.3 材料制備成本較高，目前市場(chǎng)上成品UHPC 干粉約4000 元/噸。價(jià)格昂貴是制約超高性能混凝土推廣應(yīng)用的最大障礙。

3 UHPC 在橋面維修加固工程中的應(yīng)用

塔尾橋位于X212 線上，車流量大，靠近某中學(xué)校門，行人多，交通復(fù)雜。該橋全長(zhǎng)12.8m，上部結(jié)構(gòu)為1 孔10m 簡(jiǎn)支空心板梁，橋梁全寬28.6m，橋梁凈寬28m；下部結(jié)構(gòu)類型為柱式臺(tái)和樁基礎(chǔ)；橋面系采用水泥混凝土鋪裝層。道路等級(jí)為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)。在2016 年11 月橋梁定期檢查中發(fā)現(xiàn)水泥混凝土橋面存在開裂破損、網(wǎng)裂、露骨等病害，擬對(duì)整橋橋面鋪裝挖除重鋪，若采用普通混凝土進(jìn)行修復(fù)，養(yǎng)生期長(zhǎng)，對(duì)交通影響大，施工安全隱患大。采用超高性能混凝土修復(fù)，可較快開放交通，大大減少施工對(duì)交通的影響，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2017 年4 月25 日 至2017 年4 月30 日，應(yīng) 用UHPC對(duì)該橋橋面鋪裝進(jìn)行快速維修，施工溫度23～28℃，施工流程為：鑿除、清理破損橋面混凝土—安裝鋼筋網(wǎng)—澆筑混凝土—混凝土養(yǎng)護(hù)。UHPC 澆筑采用即拌、即澆、即振、即平、即養(yǎng)護(hù)的方式施工。采用電子秤稱取UHPC 預(yù)混料和用水量（預(yù)混料∶水=10∶1），使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌5min。實(shí)測(cè)坍落度為250mm以上，因操作時(shí)間較短，坍落度損失很小，工作性良好。對(duì)混凝土輕微振搗至表面泛漿，然后對(duì)表面裸露的鋼纖維進(jìn)行壓平修整，最后對(duì)澆筑成型的混凝土盡快覆蓋養(yǎng)護(hù)毯或養(yǎng)生膜灑水保濕養(yǎng)生。

為了驗(yàn)證UHPC 強(qiáng)度增長(zhǎng)的快速性，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行同條件混凝土試塊養(yǎng)護(hù)，并檢驗(yàn)了3d，7d，28d 三個(gè)齡期的強(qiáng)度指標(biāo)。各齡期強(qiáng)度見表2。

表2 UHPC 強(qiáng)度

由表3 可知，UHPC 養(yǎng)護(hù)3d 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，達(dá)到開放交通要求。通車至今，修復(fù)區(qū)混凝土沒有出現(xiàn)開裂、磨損、新舊結(jié)合面縮裂等現(xiàn)象。可見采用UHPC 修復(fù)效果可行，與舊混凝土黏結(jié)良好，強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，耐久性良好。

表3 水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

4 超高性能混凝土的應(yīng)用改進(jìn)

4.1 配合比改進(jìn)及應(yīng)用

4.1.1 配合比調(diào)整

單純的超高性能混凝土材料價(jià)格比較貴，單價(jià)近1 萬/m，結(jié)合施工實(shí)際情況，引入粗骨料（粒徑小于1cm），配制含有粗骨料的超高性能混凝土。有研究表明，當(dāng)粗骨料摻量小于675kg/m時(shí)，UHPC 能保持良好的流動(dòng)性能。但隨著摻量的增加，流動(dòng)性明顯降低，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度也有所降低，自收縮大幅下降，其耐久性能表現(xiàn)良好，但是沒有未摻粗骨料的優(yōu)異。該研究中對(duì)粗骨料質(zhì)量摻量為10%、20%、30%的UHPC 進(jìn)行試驗(yàn)，探討其工程應(yīng)用價(jià)值（見表4）。

表4 配合比調(diào)整表

根據(jù)表5，在原有配合比的基礎(chǔ)上，第3 組混凝土中摻加30%質(zhì)量的細(xì)石，3d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到45MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到6.8MPa，滿足通車要求。調(diào)整后施工配合比為：預(yù)混料∶石料∶水=1∶0.3∶0.12～0.14，調(diào)整后混凝土單價(jià)比原有降低近30%。

表5 不同細(xì)石摻量下的混凝土強(qiáng)度值

4.1.2 配合比調(diào)整后的UHPC 在伸縮縫維修加固中的應(yīng)用

2018 年采用摻加30%細(xì)石的超高性能混凝土對(duì)某三座橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土破損進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)區(qū)混凝土使用3 年多來仍然完好，沒有出現(xiàn)混凝土斷裂和網(wǎng)裂等破壞現(xiàn)象。結(jié)果表明，采用摻加30%細(xì)石的新型UHPC 快速修復(fù)，實(shí)施效果良好，在保證UHPC性能及快速通車的需求下，降低了工程造價(jià)，獲得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益（見圖1、圖2）。

圖1 伸縮縫病害

圖2 超高性能混凝土澆筑

4.2 復(fù)合超高性能混凝土的開發(fā)及應(yīng)用

4.2.1 復(fù)合超高性能混凝土的材料組成

出于對(duì)UHPC 早期強(qiáng)度的更高追求，在已有研究的基礎(chǔ)上提出將納米材料及混凝土外加劑等引入U(xiǎn)HPC 中，從而提高其早期強(qiáng)度及其他性能。一是摻入3%的納米碳酸鈣，加速水泥水化反應(yīng)，使微結(jié)構(gòu)更致密，從而提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。二是摻入0.1%的工業(yè)級(jí)碳酸鋰調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間的同時(shí)提高早期強(qiáng)度。三是添加適量HP-CSA 膨脹劑，以補(bǔ)償混凝土產(chǎn)生的自收縮，防止混凝土開裂。

4.2.2 復(fù)合超高性能混凝土的應(yīng)用

2020 年4 月20 日 至2020 年4 月25 日，應(yīng) 用 復(fù) 合 超高性能混凝土對(duì)某橋橋面鋪裝快速維修，施工溫度控制在22～28℃，橋面鋪裝面積約60m，鑿除混凝土及清理用時(shí)2d，鋼筋綁扎1d，混凝土澆筑1d，養(yǎng)護(hù)1d 后放行，共封道5d。至今未發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)橋面開裂(見表6)。

表6 復(fù)合超高性能混凝土的強(qiáng)度

5 施工技術(shù)要點(diǎn)

超高性能纖維混凝土為粉末狀混合物，現(xiàn)澆施工一般采用預(yù)混料進(jìn)行拌和，現(xiàn)場(chǎng)只需按照比例加水和石子攪拌即可。在保證勻質(zhì)性和生產(chǎn)穩(wěn)定性時(shí)也可采用現(xiàn)場(chǎng)配料直接拌和。其主要施工技術(shù)要點(diǎn)如下。

5.1 新舊界面、基面處理及材料控制

一是對(duì)新舊界面內(nèi)壁進(jìn)行鑿毛處理。二是基面混凝土清理整潔，澆筑前灑水濕潤(rùn)。三是嚴(yán)格控制用水量。四是嚴(yán)格控制石子摻量及石子大小。五是混凝土外加劑與預(yù)混料要有良好的適應(yīng)性，其摻量應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)確定。

5.2 攪拌及澆筑

一是宜使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌均勻，再摻入石子，攪拌時(shí)間為5min。二是未摻入石子的混凝土流動(dòng)性大，輕微振搗可自流平、密實(shí)，需要采取措施防止漏漿。三是摻入石子的混凝土，不宜振搗過長(zhǎng)，易使石子與水泥漿體分層。

5.3 養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后，應(yīng)盡早覆蓋，保濕養(yǎng)護(hù)，并應(yīng)注意控制混凝土的溫度變化，避免溫度驟變。

6 結(jié)語

通過工程應(yīng)用實(shí)例表明，采用超高性能混凝土對(duì)橋面維修，提高了修復(fù)部位的強(qiáng)度和耐久性，實(shí)施效果良好，施工簡(jiǎn)便，養(yǎng)護(hù)期短，大大減少了施工對(duì)交通的影響，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。提出摻加30%質(zhì)量細(xì)石UHPC 的應(yīng)用，降低了材料單價(jià)約30%，在保證UHPC 性能及快速通車的需求下，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。提出復(fù)合超高性能混凝土的應(yīng)用進(jìn)一步提升了混凝土性能，實(shí)現(xiàn)橋面修復(fù)工程更快通車的愿望。隨著UHPC 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定與完善以及材料成本的下降，UHPC 將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。