超高性能混凝土在橋面維修中的應用及改進研究

翁麗花

（莆田市公路事業發展中心涵江分中心，福建 莆田 351100）

0 引言

隨著公路橋梁運營年限及交通量的增長，橋面病害日漸產生，為保持結構的連續性和整體性，水泥混凝土橋面的修復基本采用原有面層類型。而普通水泥混凝土施工存在養生期長、對交通影響大、新舊混凝土結合部位薄弱等缺陷，為了縮短通車時間，降低橋面維修對交通通行的影響，提高修復質量，研發快速、高效的混凝土材料和技術，具有顯著的現實意義。

超高性能混凝土因擁有優異的力學性能和耐久性能而受到工程師的關注。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域中得到應用，且以橋梁應用最多。其早期強度發展快，后期強度高，與舊混凝土黏結良好，具備良好的防水功能、抗沖擊和耐磨性能。在對早強有較高需求的混凝土橋面或路面修復工程中展開應用，具有施工簡單便捷，養護期短，可顯著縮短通車時間，修復后的路面強度發展穩定，耐久性好等優點。UHPC修補技術的應用對提升水泥混凝土路面開裂破損的修復效率，提高路面的強度和耐久性，延長結構使用壽命具有重要作用。

1 超高性能混凝土的配制機理

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配制技術的發展，在實際應用中經常選擇替代材料配制新型UHPC，如摻入細石、本地石粉、細粉煤灰、稻殼灰、礦渣等，降低成本的同時也更有利于環保。為了進一步提高UHPC的某些性能，不少學者對引入納米材料和混凝土外加劑進行研究[1]。

隨著UHPC制備理論的成熟，應用技術的快速發展，UHPC進入產業化、商業化階段。商業化的UHPC產品基本上以預混料方式提供，現場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。工廠化生產的UHPC使用方便、質量更好保證，但成本會更高點。當需要現場配制UHPC時，須按照性能要求進行配合比設計并驗證。

1.2 配制原理

材料內部結構缺陷、微觀孔隙結構和微裂縫的存在均會影響混凝土的宏觀力學性能，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度，減少材料微觀缺陷，優化孔結構，降低孔隙率，提高均勻性和密實度。

UHPC的制備技術為：

1.2.1 剔除粗骨料，限制細骨料粒徑（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基體的內部缺陷。

1.2.2 優化細骨料的級配，提高顆粒的堆積密度，增大基體的密實度[2]。

1.2.3 摻入硅粉、粉煤灰等超細活性礦物細粉，發揮微粉填充效應，從而使整體達到最密實狀態，進一步提高勻質性和致密性，并通過化學反應生成水化硅酸鈣等凝膠，對混凝土起到增強作用，同時降低孔隙率、減小孔徑，改善微觀結構。

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，從而使漿體坍落度大、黏性大、泌水量低，因此獲得良好的工作性、填充性、可泵性和穩定性。

1.2.5 通過添加短切微細纖維，減緩材料內部微裂縫的擴展，從而顯著提高材料的韌性和延性。

1.2.6 引入納米級材料和混凝土促凝劑、膨脹劑等外加劑，提高微觀結構致密性，加速水泥水化反應，降低UHPC自收縮，進一步提高UHPC的強度和耐久性。

2 超高性能混凝土的特點

2.1 UHPC的性能特點

UHPC的優良性能主要有：超高強（抗壓強度不低于100MPa）、高韌性（具有受拉狀態的韌性，開裂后仍保持抗拉強度不低于5MPa）、高抗滲性（高耐久性的關鍵性能）、高體積穩定性（低干縮、低徐變、低溫度變形和高彈性模量）和良好的施工性（高流動性、高黏聚性、自密實性）。表1給出了UHPC與普通混凝土的主要力學和耐久性指標對比[3]。

表1 UHPC與普通混凝土的主要力學和耐久性指標對比

2.2 優點

2.2.1 UHPC適合建造“細、薄、巧、輕”的混凝土結構，能有效減小建筑尺寸或提高跨越能力，有助于美觀且節約空間。雖然其初期投入較大，但由于結構的各項性能提高，后期維護保養成本降低，服役期限延長，從全壽命成本分析，其經濟性具有一定優勢。

2.2.2 在惡劣自然環境中，結構壽命是普通高性能混凝土的兩倍以上，與鋼結構相比，配筋的UHPC梁能達到鋼梁的水平，耐久性與耐火性能具有顯著的優勢，且造價會更便宜。

2.2.3 早期強度發展快，后期強度高，與普通混凝土界面之間的黏結強度高、黏結性能穩定，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用潛力。

2.3 缺點

2.3.1 超高性能混凝土因膠材用量大，水膠比較低，而表現出較高的自收縮，易產生開裂風險。

2.3.2 目前還沒有統一的行業標準，標準體系正在建立、發展。

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

3 UHPC在橋面維修加固工程中的應用

塔尾橋位于X212線上，車流量大，靠近某中學校門，行人多，交通復雜。該橋全長12.8m，上部結構為1孔10m簡支空心板梁，橋梁全寬28.6m，橋梁凈寬28m；下部結構類型為柱式臺和樁基礎；橋面系采用水泥混凝土鋪裝層。道路等級為二級公路，設計荷載為汽車-20級。在2016年11月橋梁定期檢查中發現水泥混凝土橋面存在開裂破損、網裂、露骨等病害，擬對整橋橋面鋪裝挖除重鋪，若采用普通混凝土進行修復，養生期長，對交通影響大，施工安全隱患大。采用超高性能混凝土修復，可較快開放交通，大大減少施工對交通的影響，降低施工風險[4]。

2017年4月25日至2017年4月30日，應用UHPC對該橋橋面鋪裝進行快速維修，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—澆筑混凝土—混凝土養護。UHPC澆筑采用即拌、即澆、即振、即平、即養護的方式施工。采用電子秤稱取UHPC預混料和用水量（預混料∶水=10∶1），使用強制式攪拌機攪拌5min。實測坍落度為250mm以上，因操作時間較短，坍落度損失很小，工作性良好。對混凝土輕微振搗至表面泛漿，然后對表面裸露的鋼纖維進行壓平修整，最后對澆筑成型的混凝土盡快覆蓋養護毯或養生膜灑水保濕養生。

為了驗證UHPC強度增長的快速性，在施工現場進行同條件混凝土試塊養護，并檢驗了3d，7d，28d三個齡期的強度指標。各齡期強度見表2。

表2 UHPC強度

由表3可知，UHPC養護3d的抗壓強度和抗折強度，達到開放交通要求。通車至今，修復區混凝土沒有出現開裂、磨損、新舊結合面縮裂等現象。可見采用UHPC修復效果可行，與舊混凝土黏結良好，強度發展穩定，耐久性良好。

表3 水泥混凝土彎拉強度標準值

4 超高性能混凝土的應用改進

4.1 配合比改進及應用

4.1.1 配合比調整

單純的超高性能混凝土材料價格比較貴，單價近1萬/m3，結合施工實際情況，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，當粗骨料摻量小于675kg/m3時，UHPC能保持良好的流動性能。但隨著摻量的增加，流動性明顯降低，抗壓強度和抗折強度也有所降低，自收縮大幅下降，其耐久性能表現良好，但是沒有未摻粗骨料的優異。該研究中對粗骨料質量摻量為10%、20%、30%的UHPC進行試驗，探討其工程應用價值（見表4）。

表4 配合比調整表

根據表5，在原有配合比的基礎上，第3組混凝土中摻加30%質量的細石，3d抗壓強度達到45MPa，抗折強度達到6.8MPa，滿足通車要求。調整后施工配合比為：預混料∶石料∶水=1∶0.3∶0.12～0.14，調整后混凝土單價比原有降低近30%。

表5 不同細石摻量下的混凝土強度值

4.1.2 配合比調整后的UHPC在伸縮縫維修加固中的應用

2018年采用摻加30%細石的超高性能混凝土對某三座橋梁伸縮縫錨固區混凝土破損進行修復，修復區混凝土使用3年多來仍然完好，沒有出現混凝土斷裂和網裂等破壞現象。結果表明，采用摻加30%細石的新型UHPC快速修復，實施效果良好，在保證UHPC性能及快速通車的需求下，降低了工程造價，獲得了良好的社會效益與經濟效益（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 復合超高性能混凝土的開發及應用

4.2.1 復合超高性能混凝土的材料組成

出于對UHPC早期強度的更高追求，在已有研究的基礎上提出將納米材料及混凝土外加劑等引入UHPC中，從而提高其早期強度及其他性能。一是摻入3%的納米碳酸鈣，加速水泥水化反應，使微結構更致密，從而提高混凝土強度和耐久性。二是摻入0.1%的工業級碳酸鋰調節混凝土凝結時間的同時提高早期強度。三是添加適量HP-CSA膨脹劑，以補償混凝土產生的自收縮，防止混凝土開裂。

4.2.2 復合超高性能混凝土的應用

2020年4月20日至2020年4月25日，應用復合超高性能混凝土對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60m2，鑿除混凝土及清理用時2d，鋼筋綁扎1d，混凝土澆筑1d，養護1d后放行，共封道5d。至今未發現修補橋面開裂(見表6)。

表6 復合超高性能混凝土的強度

5 施工技術要點

超高性能纖維混凝土為粉末狀混合物，現澆施工一般采用預混料進行拌和，現場只需按照比例加水和石子攪拌即可。在保證勻質性和生產穩定性時也可采用現場配料直接拌和。其主要施工技術要點如下。

5.1 新舊界面、基面處理及材料控制

一是對新舊界面內壁進行鑿毛處理。二是基面混凝土清理整潔，澆筑前灑水濕潤。三是嚴格控制用水量。四是嚴格控制石子摻量及石子大小。五是混凝土外加劑與預混料要有良好的適應性，其摻量應經過試驗確定。

5.2 攪拌及澆筑

一是宜使用強制式攪拌機，攪拌均勻，再摻入石子，攪拌時間為5min。二是未摻入石子的混凝土流動性大，輕微振搗可自流平、密實，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，易使石子與水泥漿體分層。

5.3 養護

混凝土澆筑完成后，應盡早覆蓋，保濕養護，并應注意控制混凝土的溫度變化，避免溫度驟變。

6 結語

通過工程應用實例表明，采用超高性能混凝土對橋面維修，提高了修復部位的強度和耐久性，實施效果良好，施工簡便，養護期短，大大減少了施工對交通的影響，降低了施工安全風險。提出摻加30%質量細石UHPC的應用，降低了材料單價約30%，在保證UHPC性能及快速通車的需求下，節約了經濟成本。提出復合超高性能混凝土的應用進一步提升了混凝土性能，實現橋面修復工程更快通車的愿望。隨著UHPC相關技術標準和規范的制定與完善以及材料成本的下降，UHPC將會有更廣闊的應用前景。