超高性能混凝土及其在交通工程中的應用

楊 宏，徐艷珊，程智清

（1.云南功東高速公路建設指揮部，云南 昆明 650000；2.云南交通工程質量檢測有限公司,云南 昆明 650000）

超高性能混凝土屬于現階段水泥基材料發展的主要方向之一，相較于傳統混凝土材料，超高性能混凝土的水泥用量較大且不使用粗骨料，并采用硅灰和纖維。為保證超高性能混凝土較好服務于交通工程建設，文章圍繞該課題開展具體研究。

1 超高性能混凝土及其在交通工程中的基本應用

1.1 超高性能混凝土概述

活性粉末混凝土為超高性能混凝土的前身，最早屬于超高性能水泥基復合材料。隨著超高性能混凝土發展的不斷成熟，其組分也日漸固定，一般由水泥、石英砂、鋼纖維、硅灰、高效減水劑等組成。超高性能混凝土的配合比設計多基于最大堆積密度模型展開，如Stovall 模型、Aim&Goff 模型、Horsfield 模型，其內部空氣和水的填充比例可由此減小，理論層面密實度最高的混凝土材料可由此獲得，低孔隙率、低水膠比直接關系著材料的超高耐久性和超高強度實現。超高性能混凝土的特點可概括為超高的強度、超高的耐久性、良好的流動性、較高的材料韌性，材料20000～40000J/m2的斷裂能、200mm 以上的跳桌流動度均能夠證明其特點。由于擁有更接近自流平混凝土的工作性能，超高性能混凝土可較好用于制作薄壁或異型構件，滿足不同工程施工需要[1]。

1.2 超高性能混凝土的基本應用

在交通工程領域，超高性能混凝土一般用于橋梁工程的建設，以某農村公路橋梁為例，該橋梁的寬660cm，橋跨8m，采用形板肋結構斷面形式。預制超高性能混凝土梁寬220cm，預制梁高、頂板厚、肋寬分別為50cm、8cm、12cm，采用無筋先張預應力體系，鋼筋混凝土頂板現澆厚度為16cm；而在某省道橋梁中，橋寬1550cm，橋跨25m，采用T 形預制梁，存在230cm 的梁間距。工程采用預制超高性能混凝土梁，梁高125cm、梁頂板寬120cm、腹板厚10cm，采用無筋先張預應力體系，鋼筋混凝土頂板現澆厚度為20cm，由此即可了解超高性能混凝土在橋梁工程中的基本應用[2]。

2 實例分析

2.1 工程概況

以某混合梁斜拉橋工程為例，該工程墻面寬度為34m，跨徑為80m+175m，工程擁有高70m 的鋼筋混凝土橋塔，采用平行鋼絲體系的斜拉索，采用混合梁作為主梁，主跨為鋼箱梁，邊跨為預應力混凝土箱梁，鋼混結合段為主跨側距橋塔中心線8.75m 位置處。工程采用滿堂支架現澆的方法進行邊跨混凝土梁施工，由于橋位處存在5～6m/s 的水流速度，搭設棧橋或水路運輸方式無法應用，因此施工采用“纜索吊吊裝+現場組拼”的施工方案。鋼混結合段受力可靠是施工的關鍵點與難點所在，因此工程原設計采用C55 混凝土用于此段內腔，并基于斜拉索分階段張拉方式開展施工。為簡化施工過程，保證施工過程實現斜拉索一次張拉到位，工程采用超高性能混凝土（100MPa）替換原有的C55 混凝土，結合段受力需求可由此得到滿足。

2.2 超高性能混凝土配比試驗

為保證超高性能混凝土較好服務于工程施工，需開展針對性的配比試驗。在工廠完成超高性能混凝土材料混合后，需將混合物運至施工現場并加水拌和，采用0.18～0.20 的現場拌和水膠比，9.5%的用水量，以此制作100mm3尺寸的正方體試件，超高性能混凝土的試拌強度如表1 所示。

表1 超高性能混凝土的試拌強度

開展混合梁結合段混凝土模型試驗，可得到模型試驗結果，如表2 所示。

進一步進行試驗，可獲得超高性能混凝土的抗折強度參數，在荷載73230N 下，試件抗折強度為9.8MPa，荷載75640N 下的試件抗折強度為10.1MPa，荷載78500N 下的試件抗折強度為10.5MPa，可見配比基本達到預期目標。

2.3 現場施工

在具體施工中，超高性能混凝土拌和在商品混凝土站進行，需在袋裝超高性能混凝土中加入砂石料倉，調試后進行5min 攪拌。1 個倉負責連續攪拌超高性能混凝土，總澆筑量為90m3，澆筑時間為16h。每罐攪拌混凝土2m3，下料質量為5t，水分為470kg。現場澆筑超高性能混凝土無粗集料，很容易在施工過程中出現漏漿問題，因此施工前需對模板與鋼箱梁形成的腔室進行全面檢查，如檢查發現較大縫隙，需采用土工布進行塞堵處理，澆筑的順利推進由此可得到保障。現場配備混凝土輸送泵車一輛，需首先開展C55 普通混凝土澆筑（底板），然后進行超高性能混凝土澆筑，為保證施工質量，二者的交界位置需加強振搗。為保證超高性能混凝土更好服務于橋梁建設，施工單位在精確計量、連續泵送、模板密封嚴實、高溫高壓養護方面投入了大量精力，超高性能混凝土對加水量敏感、黏度大、坍落度大、養護要求高等特點由此得到較好體現[3]。

表2 模型試驗結果

2.4 經驗總結

結合工程實例可以發現，超高性能混凝土在橋梁工程中的應用很容易出現氣孔不易控制、纖維取向不均、收縮較大等質量問題，這類問題的針對性措施必須得到重點關注。

（1）減少氣孔控制措施。由于超高性能混凝土的水膠比較低，這使得其擁有較高的拌合物黏稠度，在攪拌過程容易出現氣泡，工程的表觀質量和受力性能均會因此受到較為負面影響。超高性能混凝土的含氣量一般在0.3%～5.4%，結合微觀結構分析可以發現，其硬化后主要存在嵌入孔、引入孔、凝膠孔、毛細孔4 種形式的孔，其中嵌入孔和引入孔會直接影響施工質量。嵌入孔一般為球形，由空氣中混入的氣泡在攪拌過程中困于混凝土中形成，一般存在1000μm 以上的直徑。引入孔同樣多為球形，指人為引入的氣泡，多為具有引氣效果的物質引入，如引氣劑，一般存在5～1000μm 的直徑。因此，施工單位在攪拌時間、攪拌速度、消泡劑合理利用、振搗時機針對性把握方面投入了大量精力，氣泡直徑和含氣量由此顯著下降，氣泡分布也由此改善，超高性能混凝土受到的氣泡不利影響由此順利消除，實體品質也實現長足提升。

（2）纖維分布控制措施。制備和澆筑工藝對超高性能混凝土纖維分布的影響較為顯著，雖然纖維分布對抗彎剛度的影響較小，但對強度的影響較為深遠，因此必須采取針對性的纖維分布控制措施。受纖維取向影響，超高性能混凝土水平澆筑梁試件與垂直澆筑梁試件的強度差距往往較大，二者的破壞面也存在明顯差異。入模澆筑方式與超高性能混凝土的抗彎強度存在密切聯系，單端澆筑能夠實現強度的有效增加，這是由于較強的纖維取向平行流動方向，且快速分層澆筑相較于中點澆筑擁有更高的峰值強度。因此，工程在具體施工中對纖維分布影響進行了深入研究，并通過工藝優化，保證了超高性能混凝土的應用能夠形成有利于結構受力的纖維取向，結構的可靠度水平提升，材料用量也得以降低。

（3）收縮開裂控制措施。受材料影響，超高性能混凝土天然具備收縮應變大的特點，一般為500～800με，拆模后出現開裂現象的可能性也大幅提升。因此，工程在具體施工中開展了針對性的熱養護，以此保證早期強度的順利形成，為進一步減小收縮應變殘值，脫模后熱養護的開展同樣不容忽視。在具體施工中，需開展針對性的定量分析，并合理應用小直徑骨料和膨脹劑，配合結構構造的優化、拆模時間的科學確定、模板約束的控制、恒溫恒濕的實現，即可更好保證施工質量。

3 結論

綜上所述，超高性能混凝土可較好用于交通工程。在此基礎上，文章涉及的減少氣孔控制措施、收縮開裂控制措施等內容，則提供了可行性較高的超高性能混凝土應用路徑。為更好地保證交通工程施工質量，標準化和規模化的超高性能混凝土生產必須得到重視。