UHPC鋼纖維定向排列布料機在鋼橋面鋪裝中的應用研究

王 強，過震文

(上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是近年來發展起來的新型纖維增強水泥基材料，由于其具有超高的力學性能和耐久性能，在橋梁等工程中應用越來越多[1]。鋼橋面傳統瀝青鋪裝易產生鋪裝層開裂等問題，國內學者已開始研究UHPC-鋼橋面組合結構來解決鋼橋面板局部受力變形等問題[2]。UHPC材料的組成、投料與攪拌方式、澆筑方式對抗壓強度和抗彎拉韌性有明顯影響[3]。Wille等研究了不同的試件尺寸、澆筑方法和支撐條件測得抗折強度結果差異可能高達200%[4]。王強[5]在過去的研究中已得到鋼纖維的取向排列與UHPC的抗拉韌性有直接的線性關系，且鋼纖維能很好地沿著澆筑方向排列。

混凝土布料機在建筑工程領域已有了廣泛應用，有向高層布料裝置[6]，也有水平布料設備[7]，技術已相對成熟。在道路工程領域，水泥混凝土的布料采用滑模攤鋪機[8]，通過布料機把混凝土輸送到螺旋分料器處，由螺旋分料器分攤到整個布料工作面上，通過虛方控制板控制布料厚度。UHPC相比于普通混凝土具有黏聚性高、鋼纖維含量大等特點，傳統混凝土布料機已不再適用，需專用的布料設備進行精準攤鋪[9]。

目前，剛性鋪裝研究越來越熱，但UHPC布料機與UHPC拌合物之間的協調配合還鮮少研究，布料機對拌合物均勻性的影響、對拌合物中鋼纖維重新排列到底有何影響還不清楚。鑒于此，本文通過布料機模擬現場澆筑的方法分析UHPC布料前后拌合物性狀和力學性能的差異，考察布料機在鋼橋面鋪裝中對UHPC的適應性，并在潤揚大橋鋪裝試驗段應用，可為同類工程提供借鑒。

1 試驗工程

1.1 工程概況

工程試驗段是潤揚大橋南汊懸索橋，主梁為帶風嘴的扁平流線型鋼箱梁，梁高3m，箱梁全寬38.7m(含檢修道)，單幅橋面鋪裝寬15m、厚5.5cm，原鋪裝結構為下層2.5cm環氧瀝青混凝土+上層3.0cm環氧瀝青混凝土，于2005年5月通車。由于鋼橋面板剛度小，車載作用變形較大，環氧瀝青層出現開裂、坑槽、脫層等病害。試驗段設計方案為局部栓釘+環氧黏結層+5cm配筋UHPC+5～8mm防滑層，采用UHPC剛性鋪裝層替換掉原有的柔性鋪裝，增加第三體系剛度，從而根本解決傳統柔性鋪裝出現的問題。

1.2 應用分析

通過應力分析計算，在鋼橋面板第三體系中，順橋向沿U肋上方所受到的彎拉應力為受力最不利位置，設計施工時應重點加強橫橋向的彎拉能力。

根據王強前階段的研究結果[5]，鋼纖維會沿著澆筑方向定向排列，大大增強了沿澆筑方向的抗拉性能。在此通過考慮將鋼纖維沿橫橋向定向排列后，著重增強橫橋向的抗彎拉性能。本文將論證UHPC在布料機定向澆筑后，其沿澆筑方向和垂直澆筑方向的性能差別以及對其適合在鋼橋面鋪裝中應用進行判定。

2 試驗研究

2.1 原材料

水泥為海螺52.5P·Ⅱ型水泥，密度為3.17g/cm3，比表面積為386m2/kg；硅灰密度為2.1g/cm3，二氧化硅含量為93%，比表面積為28 000m2/kg；細骨料為最大粒徑1.25mm潔凈河砂；外加劑采用高性能聚羧酸粉體減水劑，減水率>30%；鋼纖維力學性能參數為：抗拉強度2 800MPa，彈性模量210GPa，直徑0.2mm，長度13mm，密度7.9g/cm3。

2.2 制備

試驗采用的配合比為水泥∶硅灰∶鋼纖維∶砂∶外加劑∶水=1∶0.2∶0.2∶1.2∶0.006∶0.22。按試驗配合比將除水之外的干粉料在上海某特種干粉砂漿廠生產、包裝成干混料。經過高轉速飛刀葉片分散的干混料經檢驗各組分均勻一致，鋼纖維被粉體充分包裹、分離。

2.3 機械模擬

根據上述分析，試制UHPC鋼纖維定向排列樣機，樣機應滿足沿軌道實現縱、橫向行走和行走時均勻布料，如圖1所示，模擬機械的行走速度為0.2m/s。

圖1 試模方向的設置

2.4 澆筑布料

試驗采用的攪拌機是容量為1.5m3的立軸行星式攪拌機，攪拌機的攪拌功率為45kW。將包裝好的干混料投入攪拌機內，加水攪拌4min以上出料。

在布料區域，沿澆筑方向先設置好縱、橫2個方向的抗折試模，如圖1所示，將沿澆筑方向成型的試件編號設為“順”，橫著澆筑方向成型的試件編號設為“橫”。另外，采用GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標準工藝澆筑1組抗折試件作為對照組，編號設為“標”。

3 試驗分析

3.1 拌合物性能

UHPC在經過布料機擠壓重新布料后，不應改變拌合物的均勻性和工作性能，為此對布料前后的拌合物狀態進行考察。考察選取的指標是坍落度、坍落擴展度、擴展時間(T500)以及是否存在泌水離析等現象。布料前后對比如表1所示，進行擴展度試驗后的最終狀態如圖2所示。

表1 UHPC布料前后工作性對比

從表1中得到，從對比的工作性能的幾個指標來看，UHPC經過布料機布料前后基本不改變混凝土的工作性，混凝土黏稠性適中，流動性較好，此種混凝土適用于較密配筋鋪裝結構體系的自密實施工(見圖2)。

圖2 UHPC布料前后坍落擴展度對比

3.2 抗折強度

在澆筑布料中成型的抗折試件進行標準養護28d后，采用《活性粉末混凝土》[10]進行抗折強度試驗，試驗加載速率為0.1MPa/s。

在抗折試驗中，在混凝土基體未開裂前，由于鋼纖維和混凝土基體共同作用，混凝土變形較小；在UHPC臨界開裂點時，混凝土基體的抗拉性能降為0，此時的抗折性能主要靠鋼纖維和基體間的黏結力；隨著鋼纖維的不斷拔出，順著澆筑方向、橫著澆筑方向和標準澆筑方向分別出現不同的強化效果，其中橫著澆筑方向的強化時間最短，標準工藝其次，順著澆筑方向的強化時間最長。

3種方式成型的試件抗折強度差異較大，橫著澆筑方向成型的試件抗折強度最低為20.5MPa，順著澆筑方向達到最高的32.2MPa，后者相較于前者增加了57%；而采用標準工藝成型的試件抗折強度處于兩者之間，為25.8MPa。本次抗折試驗直接說明UHPC的抗折強度的離散差異性很大，下面將從其斷面做進一步分析。

3.3 斷面分析

抗折試驗結束，將試件沿斷裂面徹底壓斷，試件斷裂面如圖3所示。試件被壓斷開后，斷面上鋼纖維全部拔出，被拔出的鋼纖維均勻地分布在斷裂面上。直觀地看到3個試件上的鋼纖維取向角不同，按文獻[5]中提供的方法統計鋼纖維取向角的分布，如表2所示。

圖3 抗折試件斷面

為了表征鋼纖維取向角對UHPC抗折強度的影響，計算參與彎拉方向的鋼纖維有效握裹長度。在同一配合比下，UHPC基體與鋼纖維的黏結強度一致，鋼纖維在彎拉方向上提供的額外承載力完全由這個方向上的有效長度決定。有效長度在此簡化為鋼纖維取向角的余弦值，即設定如下：軸向鋼纖維對彎拉性能影響系數設定為0.93，斜向鋼纖維對彎拉性能影響系數設定為0.70，垂直鋼纖維對彎拉性能影響系數設定為0.25。

表2 鋼纖維取向角占比統計

3組試件鋼纖維分布均勻，只是鋼纖維取向角有所差異，將各澆筑工藝所得的鋼纖維取向角系數加權求和，計算所得順著澆筑方向、標準澆筑和橫著澆筑方向鋼纖維對彎拉方向的影響系數分別為0.88，0.68，0.46。

鋼纖維取向角系數和其對應的抗折強度曲線關系如圖4所示。

圖4 鋼纖維取向角對抗折強度的影響

類似于抗拉強度的是，鋼纖維取向角系數與抗折強度也具有很高的線性擬合度，其R2=0.993 2。擬合的線性關系如下：

f=27.64θ+7.65

(1)

式中：f為UHPC的抗折強度；θ為鋼纖維的取向角系數。

式(1)說明了要想獲得較高的抗折強度，鋼纖維的取向角系數應取得最大值。由于鋼纖維取向角系數θ的存在，給工程應用提供了思路，鋼纖維增韌主要依靠鋼纖維的排列方向，這一結果跟筆者前段研究成果[5]吻合；另一方面也說明如果不控制鋼纖維排列方向，UHPC的抗折強度數值將表現出較大離散性(理論上7.65～35.29MPa)，這點給工程應用、質量檢驗帶來變數。

4 工程應用

UHPC干混料在工廠按給定的配合比全部預混完成，以袋裝形式運輸到現場。施工時，將袋裝的UHPC干混料吊裝進立軸行星式攪拌機，加水攪拌5min，控制用水量在±1%。由于現場只有一步加水工藝，過程操作簡便，控制精準，方便實施。

UHPC鋼纖維定向排列布料機經試制成功后，制作成成品用于潤揚大橋鋼橋面鋪裝維修工程。布料機通過2根大梁橫跨橋面兩端，布料機料斗容量為2m3，布料機下有導軌能在大梁上沿橫向行走。施工時，料斗內存放足夠的UHPC拌合物，啟動電動機，將布料機料斗的行進速度設定為0.2m/s，布料時注意均勻連續，布料后UHPC基本能流平整個工作面，保證前后兩段接縫處澆筑密實。由于UHPC用水量極低，干燥蒸發很快，布料過程要注意增濕補水，防止混凝土出現起殼、假凝等澆筑不實現象。布料完畢后再用整平機輔助振實，并立即灑水覆膜養護。

潤揚大橋的剛性鋪裝是密配筋體系，這在前期模擬試驗時未使用配筋結構，而混凝土抗折試件使用的是《活性粉末混凝土》的試驗標準，還未建立鋼-UHPC在鋼纖維取向排列下的力學性能比較；另外，由于鋼筋的分隔作用，薄層結構下，鋼筋對鋼纖維的排列取向造成的干涉影響到底有多大還需后續進一步研究。

5 結語

UHPC具有極高的力學性能，通過減小結構斷面尺寸，降低結構自重，提高結構的綜合使用性能。在鋼橋面鋪裝領域，UHPC的抗彎拉韌性相較于普通混凝土有了大幅度提升，可有效增強橋面板剛度，降低鋪裝層的應力幅，延長鋪裝層的使用壽命。但由于鋼纖維在拌合物中隨機分布特性，導致UHPC在抗彎拉韌性方面會表現不足。對此本文設置了一個模擬試驗，模擬拌合物在一定澆筑速度下，鋼纖維隨澆筑方向的二次排列取向，研究其帶來的力學性能變化，結論如下。

1)UHPC鋼纖維定向排列布料機不改變UHPC拌合物性能，在布料速度為0.2m/s下，能很好地使鋼纖維沿澆筑方向排列，鋼纖維定向取向率達85%。

2)UHPC因鋼纖維取向率的不同，抗折強度離散差異較大，本項目中沿澆筑方向成型得到的抗折試件強度最高達32.2MPa，而橫著澆筑方向成型得到的抗折試件強度只有20.5MPa。

3)UHPC彎拉韌性與鋼纖維取向角呈線性關系，由鋼纖維拉伸方向有效握裹長度決定。工程應用中，如何控制鋼纖維定向排列是增韌關鍵。

4)經潤揚大橋鋼橋面鋪裝維修工程的試點應用，證實本項目開發的UHPC鋼纖維定向排列布料機適用于鋼橋面剛性鋪裝工程，可推廣使用。

筆者還將在以下方向做進一步研究。

1)建立澆筑速度與鋼纖維取向排列程度的關系。文中已證實一定的澆筑速度能影響鋼纖維的取向排列，但隨著澆筑速度的不同，鋼纖維取向排列到底呈現何種方式還不甚清楚。

2)鋼-UHPC組合結構中鋼筋及鋼結構對鋼纖維的重新排列有何影響還不清楚，這就需建立構件模型及組合結構的對比試驗進行驗證。