超高性能混凝土在橋面鋪裝中的應(yīng)用研究

孟永旺

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

目前，我國(guó)大跨徑鋼橋面鋪裝普遍采用柔性鋪裝方案，如環(huán)氧瀝青、SMA等，隨著使用年限的增加，大部分柔性鋪裝鋼橋出現(xiàn)了壅包、開(kāi)裂等現(xiàn)象，對(duì)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)造成一定影響[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)新材料的發(fā)展，具備高力學(xué)性能、耐久性能的超高性能混凝土(簡(jiǎn)稱UHPC)越來(lái)越多的被應(yīng)用到鋼橋面的鋪裝中。探究大跨徑鋼橋面超高性能混凝土鋪裝的配比及施工工藝，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，促進(jìn)UHPC在橋面工程領(lǐng)域的良好發(fā)展。

1 超高性能混凝土的概念及特點(diǎn)

超高性能混凝土主要是指在耐久性與力學(xué)性能方面具備優(yōu)良性質(zhì)的混凝土。在混凝土的早期研究與使用中，混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)度較低、脆性較大，隨著時(shí)間與荷載的累積極易出現(xiàn)耐久性問(wèn)題。在后續(xù)研究中，通過(guò)對(duì)混凝土成分含量、施工工藝、養(yǎng)護(hù)條件等的改善，能夠在降低粗骨料含量的前提下，利用鋼纖維、復(fù)合纖維、硅灰等，降低混凝土水膠比，同時(shí)大幅提升混凝土性能[2]。

與普通混凝土相比，超高性能混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度、斷裂韌性均有較大程度的提高。在橋梁鋪裝中應(yīng)用超高性能混凝土，可以有效提高橋梁鋪裝的承載能力，降低形變對(duì)行車(chē)的影響，由于其具有較高的抗折強(qiáng)度，使得UHPC鋪裝能夠抵抗較大的拉力及彎曲作用，增強(qiáng)橋梁在不利環(huán)境下的適應(yīng)能力，提高使用效率和壽命。超高性能混凝土與普通混凝土的性能對(duì)比情況如表1所示?？偠灾跇蛄轰佈b中應(yīng)用超高性能混凝土能夠增大橋梁跨度和可靠性，有效減輕結(jié)構(gòu)自重，為橋梁的安全與耐久提供保障。

表1 超高性能混凝土與普通混凝土的性能對(duì)比

2 工程概況

某鋼箱梁橋梁橋長(zhǎng)237 m，寬度33.5 m，橋跨布置為70 m+97 m+70 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為超高強(qiáng)度混凝土組合橋面板鋼箱梁結(jié)構(gòu)，單梁寬16.37 m，高3.6 m，采用單箱單室截面，頂板采用厚U肋加筋。不同區(qū)段底板厚度有所不同，分別為20 m、25 m、30 mm，保證底板下邊緣齊平，方便施工。采用4 cm瀝青砼+防水層+6 cm超高性能混凝土作為鋪裝。

3 施工原材料及配合比

3.1 原材料

超高性能混凝土的主要成分包括水泥、硅灰、砂、纖維(鋼纖維或復(fù)合纖維)，本工程選用的材料及性能如下。

1)水泥。項(xiàng)目選用52.5普通硅酸鹽水泥澆筑超高性能混凝土。該水泥具有強(qiáng)度高、品質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，具體指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

2)本工程使用1級(jí)粉煤灰，控制燒失量在3%以內(nèi)，各成分含量均滿足規(guī)范要求。具體參數(shù)如表3所示。

表3 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

3)本工程選用硅灰的技術(shù)指標(biāo)如表4所示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《活性粉末混凝土》的規(guī)范要求。硅灰和粉煤灰的加入，能夠較大程度降低水泥粉體孔隙率，優(yōu)化級(jí)配，彌補(bǔ)水泥細(xì)顆粒的缺陷，使得混凝土更為密實(shí)。

表4 硅灰技術(shù)指標(biāo)

4)本工程河砂的指標(biāo)如表5所示，細(xì)度模數(shù)為2.4。

表5 河砂技術(shù)指標(biāo)

5)本項(xiàng)目纖維采用束狀單絲鍍銅鋼纖維，直徑24 mm，長(zhǎng)度13 mm，抗拉強(qiáng)度3 000 kN，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。項(xiàng)目減水劑采用聚羧酸，減水率大于30%。

3.2 配合比設(shè)計(jì)方案

本次工程超高性能混凝土對(duì)于主要材料進(jìn)行了改善，以提高混凝土韌性，通過(guò)限制粒徑超過(guò)1.25 mm集料的含量，提高混凝土的整體均勻性；為增大密實(shí)度，摻入一定比例的粉煤灰、硅灰，適當(dāng)優(yōu)化細(xì)集料含量，同時(shí)減少混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)問(wèn)題；加入直徑2.5 mm、長(zhǎng)度13 mm的短細(xì)鋼纖維提升混凝土的延性。最終，本工程超高性能混凝土橋面鋪裝的配合比為水泥：水：硅灰：粉煤灰：河砂：鋼纖維：聚羧酸減水劑=710:200:129:108:1340:30:25。設(shè)計(jì)擴(kuò)展度為440～700 mm，水膠比0.15～0.23，密度2 400～2 650 kg/m3。

4 工程實(shí)施與技術(shù)要點(diǎn)

4.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備工作包括測(cè)量放樣、原材料準(zhǔn)備、軌道及模板布置、設(shè)備調(diào)試等。在開(kāi)展攤鋪工作前，應(yīng)先進(jìn)行橋面清洗，避免雜質(zhì)、積水等對(duì)材料性能和攤鋪效果造成不良影響。對(duì)于施工縫位置的施工，需要對(duì)已完成養(yǎng)護(hù)的結(jié)構(gòu)層噴水霧潤(rùn)濕后鑿毛處置，以保證新舊攤鋪材料的粘結(jié)穩(wěn)固。

4.2 拌和

在進(jìn)行超高性能混凝土的拌和時(shí)，應(yīng)先將水泥、河砂、硅灰等先放于攪拌機(jī)中拌和，然后加入鋼纖維，將原材料充分?jǐn)嚢韬笤偌尤胨^續(xù)拌和3～5 min。為避免鋼纖維結(jié)團(tuán)，在加入鋼纖維前，應(yīng)采用振篩機(jī)等設(shè)備對(duì)鋼纖維進(jìn)行處理。待攪拌結(jié)束，及時(shí)清洗設(shè)備。

4.3 輸送、試驗(yàn)檢測(cè)

拌和好的高性能混凝土由攪拌車(chē)運(yùn)至橋下，泵送至橋面的專(zhuān)用攤鋪設(shè)備中。由于高性能混凝土具備較高的黏稠度，攪拌車(chē)不宜裝得過(guò)滿，以保證材料不發(fā)生離析現(xiàn)象。整個(gè)過(guò)程中，嚴(yán)禁向攪拌車(chē)中加水?；炷恋谝槐P(pán)出料時(shí)，應(yīng)立即檢測(cè)其容度及擴(kuò)展度，檢測(cè)取樣的數(shù)量不得少于20 L，滿足規(guī)范及施工要求后方可繼續(xù)生產(chǎn)。

4.4 澆筑和振搗

澆筑與振搗是項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在本項(xiàng)目中，由于試驗(yàn)室減水劑摻量較高，受到高性能混凝土自身粘聚性大的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)施工時(shí)澆筑困難，施工間歇明顯，因此在后期正式施工時(shí)，降低了外加劑中的緩凝成分，保證施工順暢。在高性能混凝土澆筑前，為避免高性能混凝土流動(dòng)性大影響澆筑，需要及時(shí)支護(hù)澆筑模板，并確保模板的密封及濕潤(rùn)。澆筑時(shí)，由于高性能混凝土具有較大粘聚性，不宜使用大型振搗設(shè)備，同時(shí)由于混凝土中摻有一定含量的鋼纖維，應(yīng)避免采用振搗棒振搗影響纖維的排列方向，可使用小型振搗設(shè)備，加快施工。

4.5 人工抹面及表層糙化

澆筑振搗后，應(yīng)及時(shí)用鋁合金直尺檢測(cè)成型后的混凝土平整度。對(duì)于存在局部缺陷的部分，可利用人工進(jìn)行抹面修補(bǔ)，應(yīng)保證修補(bǔ)后的混凝土表面無(wú)明顯缺陷[3]。為保證高性能混凝土表面具備較好的抗滑能力，需要通過(guò)表面糙化工藝形成糙面，確保面部磨耗層與混凝土層的粘結(jié)。本項(xiàng)目采用拋丸工藝將鋼丸用旋轉(zhuǎn)的葉輪以一定角度高速噴向混凝土，增加混凝土面部粗糙度的同時(shí)還能去除雜質(zhì)，最后將鋼丸和雜質(zhì)一并分離、回收。

4.6 覆膜保護(hù)

本項(xiàng)目采用了較小的水灰比，且配合比中膠凝材料含量大，混合料表面張力大，因此在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)措施，避免高溫、大風(fēng)下作業(yè)造成混合料的水分散失，出現(xiàn)混凝土表面結(jié)皮、風(fēng)干等不良現(xiàn)象。可采用邊施工、邊覆蓋、邊養(yǎng)生的策略，以20 m為一段進(jìn)行薄膜覆蓋養(yǎng)生。

4.7 加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)作業(yè)

在施工時(shí)為避免超高性能混凝土水分流失過(guò)多，本項(xiàng)目對(duì)混凝土及時(shí)采取濕養(yǎng)護(hù)措施，每隔14 d進(jìn)行均勻的灑水保濕，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)氣溫較低，還應(yīng)采取保溫措施避免混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。同時(shí)為了使超高性能混凝土具備較強(qiáng)的力學(xué)性能及耐久性，在混凝土摻入了較大含量的鋼纖維，容易導(dǎo)致人員受傷，在施工過(guò)程中尤其應(yīng)注意人員的安全防護(hù)與保障。

4.8 性能評(píng)價(jià)

本工程依托嚴(yán)格有效的施工管理與質(zhì)量控制，項(xiàng)目進(jìn)展順利，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)超高性能混凝土進(jìn)行鉆芯取樣檢測(cè)，最終測(cè)得混凝土的擴(kuò)展度值為600～630 mm，容重值2 500～2 519 kg/m3，28 d養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度101～125 MPa，抗折強(qiáng)度28～35 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

UHPC超高性能混凝土越來(lái)越多地在橋梁鋪面中被應(yīng)用，研究表明，UHPC作為鋼橋面鋪裝有利于降低斷面尺寸和橋梁上部結(jié)構(gòu)自重，尤其對(duì)于大跨徑橋梁更具優(yōu)勢(shì)。超高性能混凝土較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力、耐久性、粘聚性，能夠較好地聯(lián)結(jié)瀝青面層與上部結(jié)構(gòu)鋼材，實(shí)現(xiàn)橋面整體應(yīng)力的合理過(guò)渡，進(jìn)而避免面層鋪裝與鋼箱梁過(guò)早出現(xiàn)破損與疲勞開(kāi)裂。文章對(duì)鋼箱梁橋面鋪裝采取超高性能混凝土的配比以及工程施工要點(diǎn)進(jìn)行了闡述和分析，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為同類(lèi)項(xiàng)目提供參考，希望促進(jìn)UHPC材料在橋梁領(lǐng)域內(nèi)更廣泛的應(yīng)用。