含粗骨料UHPC在路面修復(fù)工程中的應(yīng)用研究

魯 亞 朱 杰 王江帆 范忠輝 閔洋洋 劉 亮 劉華明 趙 筠

(1.江西貝融超高性能混凝土技術(shù)有限公司 南昌 330000; 2.江西省建筑材料工業(yè)科學研究設(shè)計院 南昌 330000)

隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，各等級道路上的機動車流量越來越大，行駛速度高，超載現(xiàn)象嚴重，導致路面的損壞較快。

我國目前2種路面的設(shè)計使用壽命均難以實現(xiàn)，1～2年內(nèi)就需要維修的狀況非常普遍，這與建造質(zhì)量不高和超載現(xiàn)象普遍有關(guān)。對于重載交通、坡度較大的公路，水泥混凝土路面的優(yōu)勢比較明顯。但從道路維修工藝比較，瀝青路面維修方便，維修完成后，可馬上開放交通。目前高等級公路以瀝青路面為主，約占總里程的90%。

1 工程概況

1.1 損壞路面情況

該損壞路段位于某市區(qū)城市主干道與省道交匯的轉(zhuǎn)盤處，該路段大貨車車流量較大，超載現(xiàn)象嚴重。經(jīng)現(xiàn)場查看測量，瀝青路面及水泥混凝土基層破損嚴重，破損面積約221 m2，破損最深處約17 cm。

1.2 路面病害狀況分析

該瀝青路面病害主要有裂縫、車轍、坑槽、沉陷[1]。這些病害嚴重影響了行車速度、行車平穩(wěn)性，形成行車安全隱患，且路面損壞呈加快趨勢。該路段經(jīng)常采用“打補丁”方法進行修補，但“常修常壞”，未解決根本問題。其主要原因有：①“補丁”與原有基層粘結(jié)性差，僅僅填補了表面，沒有足夠能力抵抗雨水侵入和路面荷載，“補丁”自身很快破損；②原有基層已經(jīng)嚴重破損，表面修補“治標不治本”。根本性的解決方案是鑿除原有面層和基層重新鋪設(shè)，或?qū)鶎舆M行加固處理后，再鋪設(shè)面層。

2 含粗骨料UHPC路面修復(fù)方案

2.1 修復(fù)方案

美國有一種“罩面”的路面修復(fù)方法，即直接在破損的瀝青或水泥混凝土路面上，鋪設(shè)一層厚度15～25 cm的普通混凝土層。德國借鑒這種方法，嘗試用UHPC(超高性能混凝土)薄層(厚度約普通混凝土層的2/3)作為罩面層(見圖1)，期望使修復(fù)后路面具有更高承載能力和更長壽命，同時修復(fù)成本不明顯增加。試驗性鋪設(shè)顯示，采用含粗骨料的UHPC，可以達到的性能為：抗壓強度大于150 MPa，抗彎強度大于15 MPa，彈性模量60 GPa，毛細孔體積< 1%。這樣的低成本 UHPC，工作性可調(diào)整為適應(yīng)傳統(tǒng)混凝土路面攤鋪機，硬化性能則奠定了高耐久、長壽命路面的材料基礎(chǔ)[2]。

圖1 UHPC罩面層

本工程損壞路段，不僅面層破損開裂嚴重，基層也已破壞且承載能力明顯不足，但全面徹底維修，即將該路段包括基層挖除重新鋪設(shè)基層和面層，成本高、周期長，對繁忙路段交通干擾的時間過長。針對這種情況，提出借鑒德國“UHPC罩面層”的修復(fù)方法，即用鋼筋增強UHPC層作為路面層，同時加固和補償基層承載力的不足。

UHPC屬于現(xiàn)代先進材料，創(chuàng)新了水泥基材料(混凝土或砂漿)與纖維、鋼材(鋼筋或高強預(yù)應(yīng)力鋼筋)的復(fù)合模式，大幅度提高了纖維和鋼筋在混凝土中的強度利用效率，使水泥基材料的全面性能發(fā)生了跨越式進步，具備超高強度、高抗裂能力、高韌性和超高耐久性[3]。

最終修復(fù)方案為：鑿除破損開裂的瀝青混凝土面層，清理干凈，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后澆筑UHPC面層，保濕養(yǎng)護1 d，開放交通。維修路段圍擋部分影響交通總計不超過2 d。

對于此工程，考慮到UHPC材料造價較高且此次修復(fù)所需的性能指標，為合理利用當?shù)卦牧?砂石骨料)，采用含粗骨料的UHPC進行修復(fù)。

2.2 原材料及UHPC配合比試驗

2.2.1原材料

1) UHPC干拌料。在工廠將水泥、硅灰、粉煤灰、聚羧酸粉劑減水劑等核心原材料進行混合后，包裝運至施工現(xiàn)場。

2) 骨料。在施工現(xiàn)場，就近選擇天然河砂和碎石。天然河砂粒徑小于5 mm，碎石粒徑在3～8 mm之間。在現(xiàn)場測量含水率。

3) 鋼纖維。纖維為鍍銅微絲鋼纖維，直徑約0.2 mm、長度約13 mm、抗拉強度大于2 850 MPa。

2.2.2配合比設(shè)計及試驗室試驗結(jié)果

配合比設(shè)計時考慮使用25%體積摻量的碎石，且由于施工現(xiàn)場存在一定的坡度(最大坡度約為5%)，所以拌和物的流動性和觸變性需滿足模擬坡度試驗測試，配合比設(shè)計見表1，含粗骨料UHPC實驗室測試結(jié)果見表2。

表1 含粗骨料UHPC配合比設(shè)計

試驗室測試結(jié)果見表2，含粗骨料UHPC標準熱養(yǎng)護后的抗壓強度達到了150 MPa，抗折強度20 MPa，彈性模量52 GPa。與同組成但不含粗骨料的UHPC相比，力學性能降低較小。

表2 含粗骨料UHPC實驗室測試結(jié)果

3 維修施工方案

3.1 破損路面的處理和維修方案

預(yù)先制定方案為，鑿除瀝青混凝土層，清洗露出的混凝土層，并對其表面鑿毛處理。然后對混凝土裂縫采用自密實UHPC灌漿，灌漿后，采用C40普通混凝土進行找平，找平后對其表面進行鑿毛處理，保留8 cm厚的UHPC鋪裝層。最后，找平后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋采用直徑8 mm帶肋鋼筋，間距10 cm×10 cm。然后澆筑UHPC面層。

但業(yè)主為縮短維修時間，未采納上述方案。實際施工方案為：鑿除破損開裂的瀝青混凝土面層約8 cm厚度，清理干凈，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后澆筑鋪設(shè)整體(不設(shè)接縫)UHPC面層，保濕養(yǎng)護1 d，開放交通。

3.2 UHPC攪拌

根據(jù)攪拌機容量及配比稱取各材料，開啟攪拌機，將砂、石頭、干拌料依次投入攪拌機，干拌約1 min，加入2/3的水，繼續(xù)攪拌2 min，再加入剩下1/3的水，攪拌1 min，觀察UHPC漿體的狀態(tài)是否正常，確保無團塊或分散不勻等現(xiàn)象。最后利用5 cm×5 cm孔篩網(wǎng)均勻加入鋼纖維，加完后攪拌2 min，觀察纖維分散均勻性，有無結(jié)團現(xiàn)象。

由于UHPC水膠比較低，漿體粘聚性較大，纖維易結(jié)團，所以要想保證UHPC的性能俱佳且穩(wěn)定，現(xiàn)場攪拌過程很重要。需特別注意：①控制好用水量，且宜分步添加，用水量誤差對強度影響較大；②纖維的投入要勻速緩慢，否則容易導致纖維分布不勻，無法達到所需的性能；③現(xiàn)場攪拌宜選用高效率、強制式攪拌機。本工程受當?shù)貤l件所限，使用自落式攪拌機，效率較低，影響了施工速度，現(xiàn)場攪拌UHPC的強度也有小幅降低。

3.3 運輸、成型、振搗

攪拌好的UHPC裝入小推車運輸，運輸過程要平穩(wěn)，盡可能防止顛簸導致鋼纖維下沉，保證拌和物勻質(zhì)性。澆筑時要避免UHPC流動形成匯合區(qū)，以及澆筑形成UHPC覆蓋層(見圖2)，因為這會成為力學薄弱點。如無法避免，應(yīng)使用插搗棒攪動這些區(qū)域，使纖維方向隨機分布[4]。攤鋪后，用平板振動器振動，要特別注意振動時間，防止振動不足或過振。待振動后表面有足夠的漿體能夠進行抹面就可以停止振動。

圖2 匯合區(qū)和UHPC覆蓋層處理

3.4 養(yǎng)護、表面處理

抹面完成后，及時覆蓋一層薄膜(薄膜上沾水)，若現(xiàn)場溫度高、風大，更要覆蓋及時，防止表面干裂。初凝后在薄膜上覆蓋一層棉布(或厚薄膜)，并在棉布(或厚薄膜)上撒水壓邊覆蓋嚴實。周圍做好圍擋及標示。24 h后，根據(jù)現(xiàn)場同等養(yǎng)護條件留樣強度，決定是否通車，通車后也需做好灑水養(yǎng)護工作。

薄膜掀開后進行表面處理，主要處理表面裸露鋼纖維，防止對車輛輪胎的不利影響及降低行車舒適性。處理方法是對裸露鋼纖維部分用打磨機進行打磨。

4 試驗結(jié)果及與普通修復(fù)方案對比

4.1 試驗結(jié)果

現(xiàn)場同條件留樣測試結(jié)果見表3所示，1 d抗壓強度達到41 MPa，符合通車要求，施工后第二天道路就恢復(fù)交通。抗壓強度及抗折強度1，3，28 d均低于實驗室標養(yǎng)強度，主要原因：①受所使用攪拌機的攪拌效率限制，實際用水量大于設(shè)計用水量；②第二天通車后未灑水養(yǎng)護，影響了強度增長，但后期強度還有一定增長空間。常溫養(yǎng)護UHPC，通常在10年間抗壓強度可增長20%左右。

表3 現(xiàn)場同條件留樣測試結(jié)果

本次施工存在的主要不足為：①缺乏施工機具，特別是平板振動器不充足，部分表面未振動到位，較大面積露出鋼纖維；②施工人員缺乏經(jīng)驗，未按要求處理拌和物匯合處，形成明顯的施工接縫。

4.2 與普通修復(fù)方案對比

與普通修復(fù)方案對比，此方案可縮短維修時間，對交通影響小，同時大幅度提高了路面的承載能力、抗裂性、耐磨性、抗彎曲能力、耐沖擊能力、耐疲勞性和整體性。5個月后查驗維修效果表現(xiàn)良好，與之前多次維修后不足3個月又開裂破損嚴重相比，此次維修效果達到預(yù)期，維修的長期效果還在觀察中。使用壽命預(yù)計超過現(xiàn)有路面的一倍且使用期間可以免維護。

從維修成本分析，UHPC材料成本是普通修復(fù)材料成本的8倍左右，施工成本與普通修復(fù)的相當，但利用UHPC材料修復(fù)的使用壽命是普通修復(fù)方案的10倍左右，所以利用UHPC材料修復(fù)的周期使用成本極低。

5 結(jié)語

UHPC使用為鋪設(shè)高耐久性、長壽命路面奠定了材料基礎(chǔ)。本工程實例表明，采用UHPC進行道路維修、加固，可操作性強，施工快，影響交通時間短。

這次實測顯示的缺陷，只要配備適用、充足的施工機具，預(yù)先進行施工人員培訓，加以良好施工組織管理，以上問題均可克服。

可以預(yù)期，隨著施工經(jīng)驗的積累和施工管理的嚴謹，UHPC材料在路面維修中將會得到越來越多的應(yīng)用。

[1] 田耀剛,石帥鋒,楊體文,等.瀝青路面坑槽病害修復(fù)技術(shù)研究進展[J].公路交通技術(shù),2014(5):23-28.

[2] SCHEFFLER B. Application of UHPC for multifunctional road pavements[J].Pro UHPC,2012(5):913-920.

[3] 趙筠,廉慧珍,金建昌.鋼-混凝土復(fù)合的新模式：超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:鋼-混凝土復(fù)合模式的現(xiàn)狀、問題及對策與UHPC發(fā)展歷程[J].混凝土世界,2013(10):56-69.

[4] NIWA Junichiro. Recommendation for design and construction of ultra high strength fiber reinforced concrete structures(Draft)[S].JSCE.Japan Society of Civil Engineers,2006.